[發(fā)明專利]電動汽車再生制動能量協(xié)調(diào)回收控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910088601.5
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109703375B
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭洪艷;朱飛白;薄悅;郭洋洋;陳虹;劉俊
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B60L7/10
• 分類號: B60L7/10;B60T8/34
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 劉馳宇

1.電動汽車再生制動能量協(xié)調(diào)回收控制方法，基于一種純電動車線控制動系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板剎車時，驅(qū)動電機(jī)變成發(fā)電機(jī)進(jìn)行制動能量回收，車輛制動能量回收控制器能夠根據(jù)當(dāng)前車輛的車速、電池的荷電狀態(tài)、電池的輸出電壓和車輛系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)時在線分配線控制動系統(tǒng)的液壓制動力矩與驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩，在恒定的制動踏板位置輸入下，車輛由高速到靜止進(jìn)行制動，驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩和線控制動系統(tǒng)的液壓力矩會持續(xù)協(xié)作控制來滿足駕駛員的制動需求，最大程度的利用汽車制動時驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的回饋力矩來進(jìn)行制動，保證最大能量回收，其特征在于，本方法具體步驟如下：

步驟一、建立再生制動控制系統(tǒng)模型：

忽略車輛的橫向特性和垂向特性，考慮車輛在進(jìn)行制動時所受到的空氣阻力、坡度阻力以及滾動阻力，建立車輛縱向動力學(xué)模型，如式(1)所示；

m_veh·a＝-F_cl-F_air-F_roll-(F_xf+F_xr) (1)

式(1)中m_veh是車輛質(zhì)量，單位kg；a是車輛加速度，單位m/s²；F_cl是車輛的坡度阻力，單位N；F_air是空氣阻力，單位N；F_roll是車輛的滾動阻力，單位N；F_xf是車輛前輪縱向力，單位N；F_xr是車輛后輪縱向力，單位N；

其中車輛的坡度阻力F_cl的模型如式(2)所示

F_cl＝m_veh·g·sin(arctan(0.01·α)) (2)

式(2)中g(shù)是重力加速度，單位m/s²，α是道路坡度，單位％；

空氣阻力F_air的模型如式(3)所示：

式(3)中ρ_air是空氣密度，單位kg/m³；C_x是空氣阻力系數(shù)；S是車輛的迎風(fēng)面積，單位m²；v是車速，單位m/s；v_wind是風(fēng)速，單位m/s；

車輛的滾動阻力F_roll的模型如式(4)所示：

式(4)中f是車輛的滾動阻力系數(shù)，f₀,f₁,f₄是車輛的滾動阻力系數(shù)f的擬合系數(shù)，f₀的大小為0.0089，f₁的大小為0.0019，f₄的大小為0.0003，其中f,f₀,f₁,f₄是無量綱系數(shù)；

忽略車輛載荷對輪胎的影響，可以得到力矩平衡式，如式(5)所示：

式(5)中F_Z1是車輛制動時水平地面對車輛前軸車輪的法向反力，單位N；F_Z2是車輛制動時水平地面對車輛后軸車輪的法向反力，單位N；L是車輛的軸距，單位mm；L₁是車輛質(zhì)心到前軸的距離，單位mm；L₂是車輛質(zhì)心到后軸的距離，單位mm；h_g是車輛質(zhì)心的高度，單位mm；G是車輛所受重力，單位N；

車輛制動時，對車輪受力建模，可以得到車輛前輪的力矩平衡方程和車輛后輪的力矩平衡方程，如式(6)所示：

式(6)中ω_f為車輛前輪轉(zhuǎn)速，單位rev/min，ω_r為車輛后輪轉(zhuǎn)速，單位rev/min，J_f是車輛前輪的轉(zhuǎn)動慣量，單位kg·m²；J_r是車輛后輪的轉(zhuǎn)動慣量，單位kg·m²；F_xf是車輛前輪縱向力，單位N；F_xr是車輛后輪縱向力，單位N；T_hf是車輛前輪液壓制動力矩，單位Nm；T_hr是車輛后輪液壓制動力矩，單位Nm；T_mf是車輛前輪回饋力矩，單位Nm；T_mr是車輛后輪回饋力矩，單位Nm；R_e是車輪的滾動半徑，單位m；

其中F_xf,F_xr可由Pacejka’89輪胎模型得到，如式(7)所示

式(7)中D代表巔因子，表示曲線的最大值，C代表曲線形狀因子，B代表剛度因子，E代表曲線曲率因子，表示曲線最大值附近的形狀，D,C,B,E可以由Pacejka’89輪胎模型直接計(jì)算得到；s_i代表車輛前后輪的滑移率，單位％，其中f代表前輪，r代表后輪；ω_i代表車輪轉(zhuǎn)速，單位rev/min；

根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會汽車法規(guī)，車輛制動時理想的前輪制動力與后輪制動力之間的分配系數(shù)如下式(8)所示：

式(8)中K是前輪制動力與后輪制動力之間的分配系數(shù)；

步驟二、對驅(qū)動電機(jī)及電池建模：

駕駛員踩下剎車時，車輛的驅(qū)動電機(jī)由電動機(jī)變成發(fā)電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩跟轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速低于驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時，驅(qū)動電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)；當(dāng)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速高于驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時，驅(qū)動電機(jī)處于恒功率狀態(tài)，驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩隨轉(zhuǎn)速增加而減小，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩的關(guān)系式如式(9)所示：

式(9)中T_n是驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，單位Nm；P_n是驅(qū)動電機(jī)的額定功率，單位W；n_n是驅(qū)動電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，單位rev/min；T_motor是驅(qū)動電機(jī)的回饋功率，單位Nm；n是驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位rev/min；

車輛回饋制動力矩受車速、電池的輸出電壓、電池荷電狀態(tài)、以及車輛系統(tǒng)狀態(tài)影響，因此車輛的最大回饋制動力矩可以由式(10)表示：

式(10)中T_max是車輛的最大回饋制動力矩，單位Nm，W₁(v)是與車速v相關(guān)的函數(shù)，W₂(SOC)是與電池荷電狀態(tài)SOC相關(guān)的函數(shù)，W₃(U)是與電池的輸出電壓U相關(guān)的函數(shù)，W₄(Fault)是與車輛系統(tǒng)狀態(tài)state相關(guān)的函數(shù)，W₁(v),W₂(SOC),W₃(U)和W₄(Fault)的表達(dá)式如式(11)至式(14)所示：

式(11)中v是車速，單位m/s；

式(12)中SOC是電池荷電狀態(tài)，單位％；

式(13)中U是電池的輸出電壓，單位V；

式(14)中state是車輛的系統(tǒng)狀態(tài)，可從車輛CAN總線上讀取出來；

車輛的電源系統(tǒng)為電池，對電池建模，可以得到式(15)：

式(15)中I是電池的輸出電流，單位A；C_nom是電池的額定容量，單位As；U是電池的輸出電壓，單位V；U₀是電池的開路電壓，單位V；R是電池的內(nèi)阻，單位Ω；

其中電池的效率η_reg如式(16)所示：

式(16)中T_mf是車輛前輪回饋力矩，單位Nm；T_mr是車輛后輪回饋力矩，單位Nm；η_reg是電池能量回收效率，單位％；

電池的功率如式(17)所示：

P_elec＝UI (17)

式(17)中P_elec是電池功率，單位W；

步驟三、車輛制動能量回收控制器設(shè)計(jì)：

采用模型預(yù)測控制方法進(jìn)行車輛制動能量回收控制器設(shè)計(jì)，車輛制動能量回收控制器采用的模型預(yù)測方法中預(yù)測時域?yàn)镻，控制時域?yàn)镹，且滿足N≤P，設(shè)k為當(dāng)前時刻，k+1為下一時刻，結(jié)合式(1)、式(5)、式(6)和式(8)，整理并進(jìn)行離散化可得制動能量回收制動力分配狀態(tài)方程如式(18)：

忽略風(fēng)速v_wind和道路坡度α隨時間的變化，即在整個控制時域內(nèi)風(fēng)速v_wind和道路坡度α不變，式中F_xf(k)為k時刻車輛前輪縱向力，F(xiàn)_xr(k)為k時刻車輛后輪縱向力，v(k)為k時刻車速，v(k+1)為k+1時刻車速，K(k)為k時刻理想的前輪制動力與后輪制動力之間的分配系數(shù)，ω_f(k+1)為k+1時刻前輪轉(zhuǎn)速，ω_r(k+1)為k+1時刻后輪轉(zhuǎn)速，T_h(k)為k時刻線控制動系統(tǒng)液壓力矩之和，單位Nm；T_m(k)為k時刻驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩，單位Nm；選取線控制動系統(tǒng)液壓制動力矩T_h(k)和驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩T_m(k)作為車輛制動能量回收控制器的輸入，選取狀態(tài)向量X(k)＝[ω_f(k) ω_r(k) v(k)]^T，車輛制動能量回收控制器的輸出為Y(k+1)＝[s_f(k+1) s_r(k+1) η_reg(k+1) P_h(k+1)]^T；其中s_f(k+1)為k+1時刻車輛前輪滑移率，單位％；s_r(k+1)為k+1時刻車輛后輪滑移率，單位％；η_reg(k+1)為k+1時刻電池能量回收效率，單位％；P_h(k+1)為k+1時刻液壓制動需要的功率，單位W；

車輛制動能量回收控制器的約束有三個：其中第一個約束是驅(qū)動電機(jī)的最大制動力矩受電池荷電狀態(tài)SOC、電池的輸出電壓U、車速以及車輛的系統(tǒng)狀態(tài)state的影響，因此k時刻車輛驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩T_m(k)一定要小于等于k時刻車輛的最大回饋制動力矩T_max(k)；

T_m(k)≤T_max(k) (19)

第二個約束是線控制動系統(tǒng)受執(zhí)行器輸出限制，k時刻線控制動系統(tǒng)液壓力矩增量ΔT_h(k)小于等于執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)的最大液壓力矩增量ΔT_hmax；

ΔT_h(k)≤ΔT_hmax (20)

第三個約束是電機(jī)回饋力矩也要受到執(zhí)行器輸出限制，k時刻驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩增量ΔT_m(k)小于等于驅(qū)動電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的最大回饋力矩ΔT_mmax；

ΔT_m(k)≤ΔT_mmax (21)

在車輛進(jìn)行制動過程中，控制目標(biāo)有三個，分別是能量回收目標(biāo)、電機(jī)能量回收效率目標(biāo)以及制動性能目標(biāo)；

能量回收目標(biāo)是要保證最大程度的能量回收，盡可能的讓驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的回饋力矩進(jìn)行制動，液壓制動力矩越小越好，如式(22)：

其中J₁為能量回收目標(biāo)，P為預(yù)測步長，P_h(i)為i時刻液壓制動需要的功率，K(i)為i時刻理想的前輪制動力與后輪制動力之間的分配系數(shù)，ω_f(i)為i時刻前輪轉(zhuǎn)速，ω_r(i)為i時刻后輪轉(zhuǎn)速，T_m(i)為i時刻驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩；

電機(jī)能量回收效率目標(biāo)是要保證能量回收的效率最大，由于驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩T_m偏大導(dǎo)致溫升過快，增大冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，消耗能量，使能量回收效率變低，因此要合理分配回饋力矩，如式(23)：

其中J₂為電機(jī)能量回收效率目標(biāo)，I(i)是i時刻電池的輸出電流，U(i)是i時刻電池的輸出電壓，T_mf(i)是i時刻車輛前輪回饋力矩，T_mr(i)是i時刻車輛后輪回饋力矩，η_reg(i)是i時刻電池的效率；

制動性能目標(biāo)是為了保證車輛前輪制動力和車輛后輪制動力滿足理想的分配比例K和滑移率控制目標(biāo)，同時線控制動系統(tǒng)液壓制動力矩T_h與驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩T_m之和要跟蹤上理想的制動力矩T_ref，如式(24)(25)：

其中J3為制動性能目標(biāo)，J₄為制動力矩跟蹤目標(biāo)，s_f(i)為i時刻車輛前輪滑移率，s_r(i)為i時刻車輛后輪滑移率，η_reg(i)為i時刻電池能量回收效率，v(i)為i時刻車速，T_m(i)是i時刻驅(qū)動電機(jī)的回饋力矩，T_h(i)是i時刻線控制動系統(tǒng)液壓制動力矩，T_ref(i)是i時刻理想的制動力矩；

引入Γ_W,Γ_X,Γ_Y,Γ_Z對J₁,J₂,J₃,J₄四個優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，其中Γ_W,Γ_X,Γ_Y,Γ_Z滿足Γ_W+Γ_X+Γ_Y+Γ_Z＝1，制動能量回收控制器的優(yōu)化目標(biāo)如式(26)：

minJ＝Γ_WJ₁+Γ_XJ₂+Γ_YJ₃+Γ_ZJ₄ (26)

步驟四、選取控制量并完成控制：

選取步驟三中優(yōu)化求解出的k+1時刻即i＝k+1時的T_h(i)和T_m(i)作用到k+1時刻線控制動系統(tǒng)和驅(qū)動電機(jī)上；等到第k+2時刻即i＝k+2時，基于模型預(yù)測的制動能量回收控制器重新計(jì)算出最優(yōu)的控制量T_h(i)和T_m(i)作用到k+2時刻線控制動系統(tǒng)和驅(qū)動電機(jī)上；以此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)滾動優(yōu)化控制。