基于鲁棒控制的电动汽车能量回收再生制动控制策略研究

戴彦 田红霞

摘要：针对一款混合电动汽车，建立ISG电机模型和电动车动力传动系模型，在满足ECE（Economic Commission of Europe，简称ECE）基础上，为了保证汽车驾驶员的良好体验感和驾驶安全性，设计了一种基于能量最大化的制动能量回收控制策略，此控制策略对制动时的工作状态进行目标最优化设计，把优化后的电机最佳工作点用于制动过程中，同时采用鲁棒控制方法控制电机转矩。仿真结果分析，控制效果良好。

关键词：电动汽车;能量制动;鲁棒控制

0  引言

近百年来，汽车工业的快速发展，对人类生活出行产生了巨大变化。经过一个世纪的沉淀发展，汽车工业技术的发达程度已经成为衡量一个国家制造业的重要指标。然而，随着汽车工业的发展，汽车保有量逐年加速增长，它所引起的能源消耗，环境污染，交通堵塞等问题，严重阻碍了现今社会的经济发展，有悖于世界可持续发展的宗旨。为了解决这些问题，一些发达国家开始寻求破解方法，新能源汽车开始发展。近些年，福特、本田、丰田等各大知名汽车生产企业相继推出新能源电动汽车。但是，电动汽车相比传统燃料汽车，其不足之处只要体现在续航里程不足、充电时间过长，极端气候条件适应能力不佳等方面。其中，如何增加电动汽车的续航里程是研究的重中之重。

电动汽车能量回收的能力是电动汽车续航里程的主要表现。在汽车制动过程中，设计控制策略将电动汽车行驶的动能转换为电能，存放于存储单元中，可以显著提高电动汽车的能量利用率。

纵观电动汽车能量回收技术的发展历史，根据关注点的不同，各种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、恒定力矩制动能量回收控制策略、恒定充电电流能量回收控制策略等，这些能量回收控制策略都是针对电动汽车运动中某一个单一性能而设计的，未曾考虑其他性能，实际应用能量回收效果未达到预期目标。电动汽车的能量回馈制动设计需要考虑两个基本问题：一是如何在回馈制动和摩擦制动之间分配所需要的制动力，尽量可能多的回收制动能量;二是如何在前、后轴上分配总制动力，以实现稳定的制动性能。针对解决这两个问题，目前广泛研究应用的三种制动力分配策略有理想制动力分配控制策略、并联制动控制策略、最大再生制动控制策略。

制动能量回收能力是电动汽车最重要的特点之一。能量回收的核心在于在汽车制动时，电动汽车的动能根据控制策略的设计转化为电能，存储在能量存储单元中，用来提高电动汽车的能量利用率，达到续航里程的目的。汽车行驶、制动中的安全性是汽车制动系统设计手首要考虑的问题，主要包括如何快速使车速降低以及保证汽车制动时其方向的平稳性。保证安全性在制动力控制上的具体体现为如何合理分配前两后轮的最大制动力。在电动汽车实际制动过程中，机械摩擦制动与电制动是同时存在的，如何保证电动汽车的良好智能性能以及尽可能的回收制动时的能量，是能量制动控制策略的控制目标。两种性能指标往往对制动力的要求不同，因此制动控制策略的主要目的是寻求两者间的最优化平衡点。南京航空航天大学的赵国栋等人在同时考虑了汽车行驶安全性与驾驶员制动良好体验的前提下，研究了一种高效率能量回收系统[1]。合肥工业大学的杨亚娟等人在汽车防抱死技术的基础上，在提高制动操控性与稳定性的前提下，设计了最大能量制动方法[2][3]。

目前，常用的三种控制策略有：理想制动力分配曲线、最优能量回收和并联分配策略[4]。

1  最优化目标函数的确定

1.1 边界约束条件的确定

如图1给出前后车轮制动力分配的可行区域，图中所示，假设电动汽车在良好光滑水平的水泥路面上行驶，路面附着系数为0.75。图1中曲線1、曲线2、曲线3规定区域为初始界定的前后车轮制动力分布区。

其中，曲线1表示理想制动力分配曲线，如式（1）所示。

式中：Fz1表示为地面对前轴车轮的反向作用力、Fz2表示为地面对后轴车轮的正法向作用力;hg表示为汽车的质点中心与地面之间的高度;L表示为汽车前后轮的轴距、a、b表示分质点中心到前轴距离和质心到后轴距离。

曲线2表示简化后的ECE规则曲线，如式（2）所示。

曲线 3表示为当φ=0.9的f线，可用式（3）表示。

对于速度较小时的制动需求，比如假设j=0.3g时，此时前制动力，后制动力都可以沿线段a、b进行任意分配。假如电动汽车电机可以提供给汽车车轮的制动力数值大于或者等于点b所对应的横坐标值时，前后车轮的制动力分配值按点b的横坐标分配。前车轮的机械制动力值由点f的值确定。假如电机可以提供给车轮的再生制动力小于点b所对应的横坐标值，并且大于点a的横坐标值，用g表示，则前后制动力分配按点g对应值分配。若电动汽车电机能提供的制动力的值小于点a的对应的横坐标值，则前后轮制动力分配按点a点值进行分配。

1.2 最优化的目标函数

电动汽车电机的转矩加载到前后车轮处的制动力为：

其中：Tm表示电动汽车电机的转矩;r0表示主减速比;r表示变速度比;R表示汽车车轮半径;η1表示传动效率。

汽车行驶速度可以表示为

其中：n为电动汽车电机转速。

因此，再生制动的功率为：

为了能够回收到最大的制动能量，需要知道不同的转速、制动的减速度和电池荷电状态下电池的最大充电功率Pchar，即为所求优化的目标函数为maxPchar。

2  控制策略实验分析

测试实验环境为干燥的水泥路面，进行不同模式的制动力测试试验。给定初始速度为100千米/小时，分别进行轻度制动、中度制动和重度制动试验。假设试验中不存在车辆抱死状况的发生。表1给出了不同工况模式下，电动汽车制动能量回收率。

由表1可以看出，对比三种不同程度的制动力，因为制动减速度比较大，电动汽车电机可以施加到车轮的的制动力受其本身能力所限，机械制动随着减速度的增大而所占重加大，因而制动能量回的收率降低。

3  结论

本文针对电动汽车进行了最大能量回收再生制动控制策略的研究。在需要满足ECE制动法规的基础上，即考虑了司机行驶时良好的制动感觉，同时以整体效率最优化为控制目标，设计了最大能量回收制动控制策略。针对不同制动力进行了道路试验，验证了控制策略的有效性。

参考文献：

[1]赵国栋.电动汽车再生制动稳定性研究[D].南京：南京航空航天大学硕士学位论文，2006.

[2]杨亚娟，赵韩，朱茂飞.电动汽车最大能量回收再生制动控制策略的研究[J].汽车工程，2013，35（2）：105-110.

[3]郭金刚，王军平，曹秉刚.电动车最大化能量回收制动力分配策略研究[J].西安交通大学学报，2008，42（5）：607-611.

[4]张京明，崔胜民，宋宝玉，孙刚.一种赶紧的再生制动控制策略优化[J].江苏大学学报，2009，30（3）：246-250.

[5]宋剑锋，张欣，田毅，周能辉.轻度并联混合动力总成控制策略的研究.汽车工程，2011，33（6）：472-476.