基于魯棒控制的電動汽車能量回收再生制動控制策略研究

戴彥 田紅霞

摘要：針對一款混合電動汽車，建立ISG電機模型和電動車動力傳動系模型，在滿足ECE（Economic Commission of Europe，簡稱ECE）基礎上，為了保證汽車駕駛員的良好體驗感和駕駛安全性，設計了一種基于能量最大化的制動能量回收控制策略，此控制策略對制動時的工作狀態(tài)進行目標最優(yōu)化設計，把優(yōu)化后的電機最佳工作點用于制動過程中，同時采用魯棒控制方法控制電機轉矩。仿真結果分析，控制效果良好。

關鍵詞：電動汽車;能量制動;魯棒控制

0? 引言

近百年來，汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對人類生活出行產生了巨大變化。經過一個世紀的沉淀發(fā)展，汽車工業(yè)技術的發(fā)達程度已經成為衡量一個國家制造業(yè)的重要指標。然而，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保有量逐年加速增長，它所引起的能源消耗，環(huán)境污染，交通堵塞等問題，嚴重阻礙了現(xiàn)今社會的經濟發(fā)展，有悖于世界可持續(xù)發(fā)展的宗旨。為了解決這些問題，一些發(fā)達國家開始尋求破解方法，新能源汽車開始發(fā)展。近些年，福特、本田、豐田等各大知名汽車生產企業(yè)相繼推出新能源電動汽車。但是，電動汽車相比傳統(tǒng)燃料汽車，其不足之處只要體現(xiàn)在續(xù)航里程不足、充電時間過長，極端氣候條件適應能力不佳等方面。其中，如何增加電動汽車的續(xù)航里程是研究的重中之重。

電動汽車能量回收的能力是電動汽車續(xù)航里程的主要表現(xiàn)。在汽車制動過程中，設計控制策略將電動汽車行駛的動能轉換為電能，存放于存儲單元中，可以顯著提高電動汽車的能量利用率。

縱觀電動汽車能量回收技術的發(fā)展歷史，根據(jù)關注點的不同，各種能量回收控制策略被提出，比如最大功率能量回收控制策略、最大效率能量回收控制策略、恒定力矩制動能量回收控制策略、恒定充電電流能量回收控制策略等，這些能量回收控制策略都是針對電動汽車運動中某一個單一性能而設計的，未曾考慮其他性能，實際應用能量回收效果未達到預期目標。電動汽車的能量回饋制動設計需要考慮兩個基本問題：一是如何在回饋制動和摩擦制動之間分配所需要的制動力，盡量可能多的回收制動能量;二是如何在前、后軸上分配總制動力，以實現(xiàn)穩(wěn)定的制動性能。針對解決這兩個問題，目前廣泛研究應用的三種制動力分配策略有理想制動力分配控制策略、并聯(lián)制動控制策略、最大再生制動控制策略。

制動能量回收能力是電動汽車最重要的特點之一。能量回收的核心在于在汽車制動時，電動汽車的動能根據(jù)控制策略的設計轉化為電能，存儲在能量存儲單元中，用來提高電動汽車的能量利用率，達到續(xù)航里程的目的。汽車行駛、制動中的安全性是汽車制動系統(tǒng)設計手首要考慮的問題，主要包括如何快速使車速降低以及保證汽車制動時其方向的平穩(wěn)性。保證安全性在制動力控制上的具體體現(xiàn)為如何合理分配前兩后輪的最大制動力。在電動汽車實際制動過程中，機械摩擦制動與電制動是同時存在的，如何保證電動汽車的良好智能性能以及盡可能的回收制動時的能量，是能量制動控制策略的控制目標。兩種性能指標往往對制動力的要求不同，因此制動控制策略的主要目的是尋求兩者間的最優(yōu)化平衡點。南京航空航天大學的趙國棟等人在同時考慮了汽車行駛安全性與駕駛員制動良好體驗的前提下，研究了一種高效率能量回收系統(tǒng)[1]。合肥工業(yè)大學的楊亞娟等人在汽車防抱死技術的基礎上，在提高制動操控性與穩(wěn)定性的前提下，設計了最大能量制動方法[2][3]。

目前，常用的三種控制策略有：理想制動力分配曲線、最優(yōu)能量回收和并聯(lián)分配策略[4]。

1? 最優(yōu)化目標函數(shù)的確定

1.1 邊界約束條件的確定

如圖1給出前后車輪制動力分配的可行區(qū)域，圖中所示，假設電動汽車在良好光滑水平的水泥路面上行駛，路面附著系數(shù)為0.75。圖1中曲線1、曲線2、曲線3規(guī)定區(qū)域為初始界定的前后車輪制動力分布區(qū)。

其中，曲線1表示理想制動力分配曲線，如式（1）所示。

式中：Fz1表示為地面對前軸車輪的反向作用力、Fz2表示為地面對后軸車輪的正法向作用力;hg表示為汽車的質點中心與地面之間的高度;L表示為汽車前后輪的軸距、a、b表示分質點中心到前軸距離和質心到后軸距離。

曲線2表示簡化后的ECE規(guī)則曲線，如式（2）所示。

曲線 3表示為當φ=0.9的f線，可用式（3）表示。

對于速度較小時的制動需求，比如假設j=0.3g時，此時前制動力，后制動力都可以沿線段a、b進行任意分配。假如電動汽車電機可以提供給汽車車輪的制動力數(shù)值大于或者等于點b所對應的橫坐標值時，前后車輪的制動力分配值按點b的橫坐標分配。前車輪的機械制動力值由點f的值確定。假如電機可以提供給車輪的再生制動力小于點b所對應的橫坐標值，并且大于點a的橫坐標值，用g表示，則前后制動力分配按點g對應值分配。若電動汽車電機能提供的制動力的值小于點a的對應的橫坐標值，則前后輪制動力分配按點a點值進行分配。

1.2 最優(yōu)化的目標函數(shù)

電動汽車電機的轉矩加載到前后車輪處的制動力為：

其中：Tm表示電動汽車電機的轉矩;r0表示主減速比;r表示變速度比;R表示汽車車輪半徑;η1表示傳動效率。

汽車行駛速度可以表示為

其中：n為電動汽車電機轉速。

因此，再生制動的功率為：

為了能夠回收到最大的制動能量，需要知道不同的轉速、制動的減速度和電池荷電狀態(tài)下電池的最大充電功率Pchar，即為所求優(yōu)化的目標函數(shù)為maxPchar。

2? 控制策略實驗分析

測試實驗環(huán)境為干燥的水泥路面，進行不同模式的制動力測試試驗。給定初始速度為100千米/小時，分別進行輕度制動、中度制動和重度制動試驗。假設試驗中不存在車輛抱死狀況的發(fā)生。表1給出了不同工況模式下，電動汽車制動能量回收率。

由表1可以看出，對比三種不同程度的制動力，因為制動減速度比較大，電動汽車電機可以施加到車輪的的制動力受其本身能力所限，機械制動隨著減速度的增大而所占重加大，因而制動能量回的收率降低。

3? 結論

本文針對電動汽車進行了最大能量回收再生制動控制策略的研究。在需要滿足ECE制動法規(guī)的基礎上，即考慮了司機行駛時良好的制動感覺，同時以整體效率最優(yōu)化為控制目標，設計了最大能量回收制動控制策略。針對不同制動力進行了道路試驗，驗證了控制策略的有效性。

參考文獻：

[1]趙國棟.電動汽車再生制動穩(wěn)定性研究[D].南京：南京航空航天大學碩士學位論文，2006.

[2]楊亞娟，趙韓，朱茂飛.電動汽車最大能量回收再生制動控制策略的研究[J].汽車工程，2013，35（2）：105-110.

[3]郭金剛，王軍平，曹秉剛.電動車最大化能量回收制動力分配策略研究[J].西安交通大學學報，2008，42（5）：607-611.

[4]張京明，崔勝民，宋寶玉，孫剛.一種趕緊的再生制動控制策略優(yōu)化[J].江蘇大學學報，2009，30（3）：246-250.

[5]宋劍鋒，張欣，田毅，周能輝.輕度并聯(lián)混合動力總成控制策略的研究.汽車工程，2011，33（6）：472-476.