分層規(guī)則式混動(dòng)客車再生制動(dòng)控制策略研究

李子龍 李夢園

摘 要：混動(dòng)客車的再生制動(dòng)技術(shù)是提升其經(jīng)濟(jì)性的主要技術(shù)之一。但是，如何與傳統(tǒng)的液壓（氣壓）制動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，同時(shí)保證整車穩(wěn)定性和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性仍然是一個(gè)亟待解決的難題。針對該難題，提出了一種基于滑移率的分層規(guī)則式再生制動(dòng)控制策略。首先搭建了一個(gè)7自由度縱向動(dòng)力學(xué)模型；然后基于前后輪的滑移率設(shè)計(jì)了常規(guī)、過渡和緊急制動(dòng)三層控制策略，最后對該控制策略進(jìn)行了模型仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在保證整車安全性的同時(shí)，該策略相對于標(biāo)準(zhǔn)工況下常規(guī)的再生制動(dòng)策略，能夠提升15%的制動(dòng)回收能量。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力客車；分層規(guī)則式；再生制動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著我國汽車總量逐漸增多，傳統(tǒng)汽車所帶來的環(huán)境污染和資源短缺問題也日益嚴(yán)峻 [1，2]。針對該問題，節(jié)能環(huán)保的電動(dòng)汽車技術(shù)成為主流發(fā)展車型。

1 緒論

針對電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中的再生制動(dòng)系統(tǒng)控制問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。

張俊智等以混動(dòng)城市客車為研究對象，設(shè)計(jì)了一個(gè)新型再生制動(dòng)系統(tǒng)，并提供了其相應(yīng)的控制策略，[2]并針對串聯(lián)式混動(dòng)客車，設(shè)計(jì)了多種控制策略，并對這些策略進(jìn)行了道路測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。[3]

童毅等基于并聯(lián)式混動(dòng)汽車，提出一種轉(zhuǎn)矩管理和協(xié)調(diào)控制策略，并通過DSPACE設(shè)備對該策略的有效性進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證。[4]

針對制動(dòng)能量回收問題，羅禹貢等人基于最優(yōu)控制理論，設(shè)計(jì)了再生制動(dòng)控制策略，[5]詹訊等分析了混動(dòng)汽車在城市環(huán)境下的行駛特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種規(guī)則式制動(dòng)力分配策略，[6]并對其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

楊陽等基于混動(dòng)汽車，設(shè)計(jì)了其綜合制動(dòng)系統(tǒng)，并基于AMESim仿真軟件建立了仿真模型，通過該模型對系統(tǒng)方案的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，[7]劉清河等人在傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電機(jī)制動(dòng)和液壓機(jī)械制動(dòng)的并行系統(tǒng)構(gòu)型，并基于該構(gòu)型提出了集成制動(dòng)控制策略。[8]

基于電動(dòng)汽車，郭洪強(qiáng)等[9]綜合考慮制動(dòng)能量回收效率與車身行駛穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了基于二次再分模型的優(yōu)化控制策略。郭志軍等[10]在考慮制動(dòng)力安全分配區(qū)域與法規(guī)的前提下，設(shè)計(jì)了基于模糊邏輯的再生制動(dòng)控制策略。

李強(qiáng)等基于路面附著系數(shù)識(shí)別，設(shè)計(jì)了一種再生制動(dòng)控制策略，在綜合考慮路面情況下，盡可能的回收制動(dòng)能量[11]。秦大同等考慮了電池，電機(jī)和變速器的綜合效率，設(shè)計(jì)了無級(jí)變速器速比控制策略，并基于該策略，制定了兼顧駕駛意圖和能量回收效率的再生制動(dòng)策略[12]。何耀等[13]將電機(jī)和電池的限制因素考慮在內(nèi)，提出一種信息融合架構(gòu)和基于該架構(gòu)的再生制動(dòng)控制策略。

基于上述調(diào)研，本文針對同軸并聯(lián)混合動(dòng)力客車構(gòu)型，提出了一種基于滑移率的分層規(guī)則式再生制動(dòng)控制策略。

2 整車模型

基于同軸并聯(lián)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)，本文提出了一種基于滑移率的分層規(guī)則式再生控制策略。

混動(dòng)客車的制動(dòng)系統(tǒng)由氣壓機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)組成，本文所選擇的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)為電控系統(tǒng)，其中前后輪的輪缸氣壓可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制[14]。

為了驗(yàn)證所提出的控制策略，建立考慮縱向行駛動(dòng)力學(xué)和懸架的七自由度整車動(dòng)力學(xué)模型，傳動(dòng)系統(tǒng)的其它部件模型如電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)模型等可以參考文獻(xiàn)14[14]。

如圖1所示，車輛坐標(biāo)系原點(diǎn)位于汽車質(zhì)點(diǎn)。OX為車身縱向，OZ為車身垂直地面方向。該模型中7個(gè)自由度分別為：縱向位移X，垂向位移Z，俯仰角θ，前、后輪垂向位移Z1、Z2，前、后輪的角速度ω1、ω2。

3 基于滑移率的分層規(guī)則式再生制動(dòng)控制控制策略

針對串聯(lián)式混合制動(dòng)系統(tǒng)，多數(shù)規(guī)則式控制策略是單純基于駕駛員制動(dòng)需求對前后軸上的制動(dòng)力進(jìn)行成比例的分配，本文提出一種基于滑移率的多模式規(guī)則式再生制動(dòng)控制策略，基于前后輪滑移率將制動(dòng)情況分為三個(gè)層級(jí)，并在每個(gè)模式中設(shè)計(jì)了相應(yīng)規(guī)則，以達(dá)到在保證整車安全性的同時(shí)提升制動(dòng)能量回收效率的目的。

如圖2所示，圖中滑移率為前后輪滑移率較大者，d為考慮了制動(dòng)減速度導(dǎo)致的負(fù)載轉(zhuǎn)移后的前后輪負(fù)載比例。

常規(guī)制動(dòng)層，當(dāng)前后輪的滑移率均小于L1時(shí)啟動(dòng)常規(guī)制動(dòng)層，在該層控制策略的主要目的是回收制動(dòng)能量，此時(shí)駕駛員制動(dòng)需求首先由電機(jī)的再生制動(dòng)力提供，若再生制動(dòng)力不足以滿足制動(dòng)需求，則由前后輪氣壓機(jī)械制動(dòng)力補(bǔ)充。

過渡制動(dòng)層，當(dāng)前后輪滑移率至少有一個(gè)超過L1，但均未超過L2時(shí)過渡層啟動(dòng)，在該層控制策略的主要目的包括回收制動(dòng)能量以及盡可能的不觸發(fā)防抱死模式，前后輪制動(dòng)力的分配比例由后輪滑移率決定，如圖所示，后輪滑移率越大，后輪制動(dòng)力的分配比例越小，最后前后輪的分配比例接近其前后軸上的負(fù)載比例。同樣，分配的后輪制動(dòng)力首先由再生制動(dòng)力提供，當(dāng)再生制動(dòng)力不足以滿足要求時(shí)，由氣壓機(jī)械制動(dòng)力補(bǔ)償。

緊急制動(dòng)層，當(dāng)前后輪滑移率至少有一個(gè)超過L2時(shí)啟動(dòng)緊急制動(dòng)層，在該層控制策略的主要目的是將滑移率控制在最優(yōu)滑移率附近，防止車輪抱死，保證整車的制動(dòng)效能和安全性，如圖3所示，此時(shí)對前后輪分別設(shè)計(jì)PID控制器進(jìn)行控制，以目標(biāo)滑移率和當(dāng)前滑移率的偏差為輸入，以基于當(dāng)前制動(dòng)力的修正制動(dòng)力為輸出，對于后輪，利用電機(jī)響應(yīng)較快的特點(diǎn)，盡可能讓氣壓機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供基本制動(dòng)力，再生制動(dòng)系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上提供需要快速響應(yīng)的修正制動(dòng)力。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出控制策略制動(dòng)安全性以及能量回收效率，本文以并聯(lián)式混合制動(dòng)系統(tǒng)的基本控制策略為基準(zhǔn)策略，[3]進(jìn)行了仿真對比實(shí)驗(yàn)。

制動(dòng)能量回收效率的仿真工況設(shè)置為中國國家標(biāo)準(zhǔn)工況，驅(qū)動(dòng)過程采取的是常用的基于規(guī)則式策略[14]。

仿真結(jié)果如圖4，5所示，在圖（a）中可以看出，兩種策略的車速跟隨效果都很好，實(shí)際車速和期望車速幾乎重合。如圖（c）所示，由于整個(gè)工況沒有緊急制動(dòng)情況，所以車輪滑移率在0.1以內(nèi)，符合安全性的要求。最后如圖（d）所示，基準(zhǔn)策略回收制動(dòng)能量為4702.2kJ，而本文所提出的控制策略回收制動(dòng)能量為5406.8kJ，相對于基準(zhǔn)策略提升15.19%，從而驗(yàn)證了提出的策略的制動(dòng)能量回收效率。

5 結(jié)論

本文提出了一個(gè)基于滑移率的分層規(guī)則式再生制動(dòng)控制策略。首先，綜合考慮懸架特性及行駛過程負(fù)載轉(zhuǎn)移，建立了7自由度整車縱向動(dòng)力學(xué)模型；其次，基于前后輪的滑移率，設(shè)計(jì)了分層規(guī)則式再生制動(dòng)控制策略；最后以并聯(lián)式混合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)策略為基準(zhǔn)控制策略，對所提出的控制策略做了仿真對比試驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在國家標(biāo)準(zhǔn)工況下，分層規(guī)則式再生控制策略能夠在保證安全性的同時(shí)，提升15%的制動(dòng)回收能量。

參考文獻(xiàn)：

[1]科學(xué)技術(shù)部.這十年——現(xiàn)代交通領(lǐng)域科技發(fā)展報(bào)告[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2012：6-62.

[2]張俊智，薛俊亮，陸欣，等.混合動(dòng)力城市客車串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（6）：102-106.

[3]張俊智，陸欣，張鵬君，等.混合動(dòng)力城市客車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)道路試驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（2）：25-30.

[4]童毅，歐陽明高，張俊智.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車控制算法的實(shí)時(shí)仿真研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（10）：156-161.

[5]羅禹貢，李鵬，金達(dá)鋒，等.基于最優(yōu)控制理論的制動(dòng)能量回收策略研究[J].汽車工程，2006，28（4）：356-360.

[6]詹訊，秦大同，楊陽，等.輕度混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)控制策略與仿真研究[J].中國機(jī)械工程，2006，17（3）：312-324.

[7]楊陽，劉松，秦大同，等.ISG型混合動(dòng)力汽車制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（7）：752-756.

[8]劉清河，孫澤昌，王鵬偉，等.電動(dòng)汽車電液并行制動(dòng)系統(tǒng)研究[J].汽車工程，2008，30（6）：527-530.

[9]郭洪強(qiáng)，何洪文.電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)預(yù)測模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，3：696-702.

[10]郭志軍，岳東東，聶彥鑫.純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018，1（1）：173-176.

[11]李強(qiáng)，雷國建，陶華堂.回饋能量可控型再生制動(dòng)控制策略研究[J].電氣傳動(dòng)，2017，47（1）：13-17.

[12]秦大同，林?jǐn)榕啵ㄜ姡?基于無級(jí)變速器速比控制的插電式混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)控制策略[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，48（2）：380-386.

[13]何耀，邱振華，劉新天，等.信息融合架構(gòu)下的新型再生制動(dòng)控制策略研究[J].控制與決策，2018，33（7）：1231-1238.

[14]張淵博.混合動(dòng)力客車制動(dòng)能量回收模型預(yù)測控制策略研究[D].河北：燕山大學(xué)，2017.