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    機(jī)電式飛輪車輛能量管理策略

    2022-01-11 09:35:20張鐵柱孫賓賓孟令菊
    科學(xué)技術(shù)與工程 2021年35期
    關(guān)鍵詞:飛輪車速行星

    張 錫, 張鐵柱, 孫賓賓, 馮 超, 孟令菊

    (山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院, 淄博 255049)

    飛輪儲能具有效率高(達(dá)90%)、響應(yīng)速度快(數(shù)毫秒)、瞬時功率大、使用壽命長(10萬次循環(huán)以上)、環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)[1],因此廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電與航天領(lǐng)域[2]。將飛輪儲能作為附加動力源[3],利用其高功率的優(yōu)勢,配合新能源車輛的動力電池高能量密度的特點(diǎn),用以提高車輛的經(jīng)濟(jì)性、動力性。

    采用復(fù)合能源系統(tǒng)方案可實(shí)現(xiàn)對負(fù)載所需功率的分流[4],機(jī)電式飛輪系統(tǒng)可在車輛需要大功率時,分擔(dān)電機(jī)所需要輸出的功率,起到了削峰填谷的作用[5]。2008年,英國Flybrid公司機(jī)械式飛輪系統(tǒng),最大功率達(dá)60 kW,最大儲能量為40 kJ[6]。2012年,??乒境晒ρ兄瞥鲂乱淮w輪動力系統(tǒng)[7],飛輪采用鋼制材料,運(yùn)行在大氣環(huán)境中,能量傳輸效率超過70%,提高了能量利用率和經(jīng)濟(jì)性[8]。但是由于將機(jī)電式飛輪系統(tǒng)與驅(qū)動電機(jī)集成使用[9],導(dǎo)致在制動能量回收時驅(qū)動電機(jī)不能參與,以至于造成了整體的效率偏低。

    現(xiàn)研究搭載新型機(jī)電式飛輪系統(tǒng)的新能源雙軸四驅(qū)車輛,通過模糊控制的方法,協(xié)調(diào)控制機(jī)電式飛輪系統(tǒng)和驅(qū)動電機(jī),在保證車輛能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行駕駛員動力需求的前提下,使此三者在車輛驅(qū)動和制動能量回收的過程中,可以更好工作在各自的高效區(qū)間,充分利用機(jī)電式飛輪系統(tǒng)效率高、響應(yīng)快、功率密度大的特點(diǎn),使其在制動時優(yōu)先回收能量,驅(qū)動時優(yōu)先釋放能量,并且影響控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速盡可能地保持在高效區(qū)間工作,以此達(dá)到更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性和動力性的目的。

    1 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)車輛設(shè)計

    1.1 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)

    本文中研究的機(jī)電式飛輪系統(tǒng)車輛,主要由電池、飛輪控制電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、行星齒輪機(jī)構(gòu)和飛輪組成,如圖1所示。行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪直接與飛輪控制電機(jī)相連,齒圈通過加速齒輪與飛輪的軸相連,行星架作為飛輪系統(tǒng)的輸出部件連接主減速器。

    圖1 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)Fig.1 Electromechanical flywheel vehicle structure

    1.2 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)工作原理

    起步加速階段,車輛由靜止開始起步加速,飛輪控制電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài),提供正扭矩。飛輪在初始狀態(tài)下轉(zhuǎn)速為0,由于單向鎖止機(jī)構(gòu)的限制,飛輪反向轉(zhuǎn)動鎖止,對應(yīng)行星齒輪機(jī)構(gòu)為齒圈鎖止,扭矩經(jīng)太陽輪輸入,行星齒輪放大1+k倍后由行星架輸出,如圖2所示。

    勻速行駛階段,車輛完成起步加速后,以某一車速勻速行駛,此時飛輪系統(tǒng)的工作原理與起步加速階段相同,如圖2所示。

    圖2 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)起步、勻速階段Fig.2 Electromechanical flywheel system at the start and constant speed stage

    制動減速階段,當(dāng)車輛開始減速時,飛輪控制電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài),回收制動能量并提供負(fù)扭矩,行星齒輪機(jī)構(gòu)將該負(fù)扭矩分流,一部分放大1+k倍后經(jīng)行星架輸出,為車輛提供制動扭矩,一部分放大k倍后經(jīng)齒圈和加速齒輪輸出,作用在飛輪上,使飛輪加速轉(zhuǎn)動。受到太陽輪、行星架、齒圈的轉(zhuǎn)速關(guān)系限制,車輛減速至停車之前,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速將先降低至0,此時車輛繼續(xù)減速,控制電機(jī)仍提供負(fù)扭矩,其也進(jìn)入負(fù)轉(zhuǎn)速區(qū)間,控制電機(jī)將加速運(yùn)行,并且工作在電動機(jī)狀態(tài)。飛輪轉(zhuǎn)速持續(xù)升高,直到設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速,回收的制動能量一部分由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,儲存到車輛的動力電池中,另一部分以飛輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能儲存起來,如圖3所示。

    圖3 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)制動階段Fig.3 Braking stage of electromechanical flywheel system

    駐車階段,車輛停止,即行星架保持靜止;經(jīng)過制動能量回收階段,飛輪保持一定的速度旋轉(zhuǎn),即齒圈以一定的速度旋轉(zhuǎn)。由于行星齒輪各部件之間轉(zhuǎn)速關(guān)系的約束,太陽輪以一定的速度反向旋轉(zhuǎn),即飛輪控制電機(jī)以一定的速度反向空轉(zhuǎn)。

    再加速階段,經(jīng)過制動能量回收階段,飛輪以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行,此時,飛輪控制電機(jī)提供正扭矩;飛輪也提供正扭矩,飛輪提供的正扭矩經(jīng)減速齒輪放大后作用在齒圈上,行星齒輪機(jī)構(gòu)將飛輪和電機(jī)提供的正扭矩耦合并放大1+k倍后,由行星架輸出。電機(jī)和飛輪共同提供了車輛加速所需的扭矩,如圖4所示。

    圖4 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)再加速階段Fig.4 Re-acceleration phase of electromechanical flywheel system

    機(jī)電式飛輪系統(tǒng)工作在任一階段,飛輪、控制電機(jī)和行星架的轉(zhuǎn)速都必須滿足關(guān)系式

    (1)

    式(1)中:Ts為太陽輪扭矩;Tr為齒圈扭矩;Tc為行星架扭矩;k為齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。

    同時,此三者也必然滿足行星齒輪系統(tǒng)的扭矩公式,即

    ns+knr=(1+k)nc

    (2)

    式(2)中:ns為太陽輪轉(zhuǎn)速;nr為齒圈轉(zhuǎn)速;nc為行星架轉(zhuǎn)速。

    總而言之,行星齒輪機(jī)構(gòu)將飛輪控制電機(jī)和飛輪的轉(zhuǎn)速與車輛車速解耦,在保證車速可精確控制的前提下,使飛輪能以較高的旋轉(zhuǎn)速度儲存車輛的制動能量;車輛需要加速時,行星齒輪機(jī)構(gòu)將控制電機(jī)和飛輪輸出的扭矩耦合,共同作用在行星架上,提供車輛加速需要的扭矩。

    2 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)及車輛建模

    2.1 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    根據(jù)動能定理可得,車輛以一定的車速制動至停車消耗的總能量為

    (3)

    式(3)中:ΔE為制動過程消耗的總能量;E0為車輛制動初始時的動能;E1為制動結(jié)束時的動能;v0為制動初始時的車速;v1為制動結(jié)束時的車速;m為車輛的質(zhì)量。

    通常認(rèn)為可回收利用的制動能量不足制動消耗總能量的30%,機(jī)電式飛輪系統(tǒng)置于車輛的前軸,驅(qū)動電機(jī)置于車輛的后軸,兩者共同參與制動能量回收,分配到前軸的制動力將由控制電機(jī)和飛輪共同回收,飛輪可儲存的能量為

    (4)

    式(4)中:Ef為飛輪的最大儲能量;I為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量,kg/m2;ωmax和ωmin分別為飛輪的最大旋轉(zhuǎn)角速度和最小旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s。

    由式(4)可知,在飛輪最大轉(zhuǎn)速一定時,飛輪的最大儲能量與飛輪最大外徑R成4次方的關(guān)系,與飛輪高度呈線性關(guān)系。所以在設(shè)計飛輪時,將飛輪最大外徑在允許的范圍內(nèi)盡可能做到最大,以盡可能降低飛輪質(zhì)量,選擇飛輪軸的材料為45號鋼,輪轂為7075鋁合金,轉(zhuǎn)子為碳纖維T700材料。飛輪主要的參數(shù)如表1所示。

    表1 飛輪主要參數(shù)

    飛輪作為轉(zhuǎn)速達(dá)到20 000 r/min的高速旋轉(zhuǎn)部件,對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了較高的要求,而碳纖維是各向異性材料,徑向許用應(yīng)力遠(yuǎn)小于縱向,通過Workbench軟件分析對飛輪進(jìn)行了徑向應(yīng)力分析。如圖5所示。首先,飛輪徑向等效應(yīng)力最大處出現(xiàn)在輪轂內(nèi)徑與輪轂盤的接觸處,為123.25 MPa。其次,100~140 mm為碳纖維材料的飛輪轉(zhuǎn)子,飛輪轉(zhuǎn)子上的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在半徑長度100 mm處,為17.1 MPa。本文中選用的盤式輪轂飛輪結(jié)構(gòu),各構(gòu)件均滿足選用材料的強(qiáng)度要求,且其等效應(yīng)力達(dá)到2倍安全系數(shù)以上。說明飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。最終設(shè)計完成的飛輪三維模型如圖6所示。

    圖5 飛輪徑向應(yīng)力分析Fig.5 Flywheel stress analysis

    圖6 飛輪結(jié)構(gòu)Fig.6 Flywheel structure

    2.2 控制電機(jī)與電池參數(shù)匹配

    控制電機(jī)要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動、制動能量回收、調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)速的功能,這要求控制電機(jī)需要有響應(yīng)迅速、控制精確、有較高的工作效率和較大高效的工作區(qū)間,在飛輪轉(zhuǎn)速升高車速下降的工作狀態(tài)時,控制電機(jī)在負(fù)轉(zhuǎn)速區(qū)間工作,這要求控制電機(jī)在4個象限都可以工作。

    電池是電動汽車參數(shù)匹配的被動部件,在對其進(jìn)行參數(shù)匹配時,主要考慮電池的功率和容量。首先,電池的功率要滿足電機(jī)的峰值功率,即

    (5)

    式(5)中:Pbat為電池的最大功率;ηbat為電池的效率;Pcm,max為控制電機(jī)的峰值功率;Pdm,max為驅(qū)動電機(jī)的峰值功率。

    滿足續(xù)航里程的電池組容量C為

    (6)

    式(6)中:S為設(shè)計的續(xù)駛里程;Pres為阻力功率;U為電池組的電壓;ksoc為電池組的有效放電系數(shù);vc為假設(shè)的恒定車速。

    從式(6)可以看出,若是增大電池組的放電系數(shù)ksoc,在電池容量不變的情況下可以增加車輛的續(xù)航里程,但是放電深度的增加必然會減少電池使用壽命。雖然增加電池組的容量C,可以增加續(xù)航里程,但是會帶來成本上升、汽車整備質(zhì)量增加的問題。

    同時,電池組對其充放電的電流有一定的限制,充電電流或者放電電流過大會造成電池組溫度的異常升高,降低電池組的安全性和使用壽命,一般將電池組的最大充放電電流限制為3C~5C。

    綜合考慮電機(jī)的功率、電池組的容量、功率和成本等因素,其參數(shù)如表2所示。機(jī)電式飛輪車輛基本參數(shù)與性能參數(shù)如表3所示。

    表2 控制電機(jī)與電池基本參數(shù)

    表3 車輛基本參數(shù)與性能指標(biāo)

    2.3 機(jī)電式飛輪系統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)

    在飛輪控制電機(jī)的基礎(chǔ)上,需要設(shè)置一個驅(qū)動電機(jī),以滿足車輛的動力性要求。在車輛制動時,隨制動強(qiáng)度的增加,載荷會逐漸由后軸向前軸轉(zhuǎn)移,將飛輪系統(tǒng)布置在車輛前軸,將驅(qū)動電機(jī)布置在車輛后軸,充分利用機(jī)電式飛輪系統(tǒng)效率高、壽命長、可快速充放能的優(yōu)勢,使其在前軸盡可能多的回收制動能量,提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。通過CRUISE建立機(jī)電式飛輪系統(tǒng)車輛仿真模型,Simulink建立機(jī)電式飛輪車輛能量管理策略模型,然后通過CRUISE與Simulink建立聯(lián)合仿真平臺。CRUISE模型如圖7(a)所示。同時建立作為對照組的雙電機(jī)四驅(qū)車輛,其CRUISE模型如圖7(b)所示。

    圖7 機(jī)電式飛輪車輛與雙電機(jī)四驅(qū)車輛模型Fig.7 Electromechanical flywheel vehicle and dual-motor four-wheel drive vehicle model

    3 基于模糊控制的能量管理策略

    模糊控制是智能控制的一種,它是建立在模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理基礎(chǔ)上的控制理論[10],主要解決復(fù)雜非線性問題、難以建立數(shù)學(xué)模型以及存在不確定干擾因素的多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問題[11]。由于模糊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,模糊規(guī)則易于理解,其規(guī)則通常是人類經(jīng)驗(yàn)累積的總結(jié),而且運(yùn)行穩(wěn)定性較好,所以目前模糊邏輯控制技術(shù)廣泛應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域[12]。

    3.1 驅(qū)動模式的模糊控制器結(jié)構(gòu)

    如圖8所示,此結(jié)構(gòu)主要由兩個模塊組成。第一個為模糊控制器模塊,雙輸入分別為車速和飛輪能量狀態(tài)(state of energy,SOE),單輸出為飛輪控制電機(jī)驅(qū)動力占總需求驅(qū)動力的比例。第二個為驅(qū)動力計算模塊,根據(jù)駕駛員踩下的加速踏板行程,計算出整車所需的驅(qū)動扭矩,并與飛輪控制電機(jī)驅(qū)動扭矩所占比例計算出飛輪控制電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)各自的驅(qū)動扭矩。

    圖8 驅(qū)動模式模糊控制結(jié)構(gòu)Fig.8 Drive mode fuzzy control structure

    飛輪的SOE是影響驅(qū)動力分配的重要指標(biāo),計算式為

    (7)

    式(7)中:ω為飛輪的旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s,在MATLAB-Simulink中的計算如圖9所示。

    圖9 飛輪SOE計算Fig.9 Flywheel SOE calculation

    如圖10所示,驅(qū)動時,機(jī)電式飛輪系統(tǒng)優(yōu)先釋放能量,既利用了飛輪快速充放能的優(yōu)點(diǎn),也可以為飛輪回收制動能量做好準(zhǔn)備。機(jī)電式飛輪系統(tǒng)和前車軸的轉(zhuǎn)速雖由行星齒輪機(jī)構(gòu)解耦,但是太陽輪、行星架和齒圈三者的轉(zhuǎn)速仍保持一定的關(guān)系,所以車速作為模糊控制器的一項(xiàng)重要參數(shù)。飛輪SOE高于0.75,則驅(qū)動電機(jī)占總轉(zhuǎn)矩的比例可以達(dá)到0.8,此時飛輪的轉(zhuǎn)速較高,需要快速地釋放能量降低轉(zhuǎn)速;但是,當(dāng)飛輪的SOE低于0.15時,飛輪的轉(zhuǎn)速已經(jīng)不足1 500 r/min,如果繼續(xù)大轉(zhuǎn)矩釋放能量,飛輪轉(zhuǎn)速迅速降低至0的瞬間被單向鎖止機(jī)構(gòu)鎖死,但由于轉(zhuǎn)速快,會對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊,所以在飛輪SOE低于0.15后,讓飛輪以較小的轉(zhuǎn)矩釋放能量,其轉(zhuǎn)速下降也相對較慢,減小了飛輪被鎖死時對系統(tǒng)的沖擊。

    3.2 制動能量回收的模糊控制器結(jié)構(gòu)

    制動性作為車輛主要的性能之一,直接影響到車輛的安全[13]。充分考慮到制動時車輛的穩(wěn)定性,并且將再生制動和摩擦制動有效的結(jié)合,才能得到一個安全可靠的制動系統(tǒng)[14]。

    如圖11所示,本文設(shè)計的機(jī)電式飛輪車輛制動系統(tǒng)有兩部分組成,一部分通過兩個輸入一個輸出的模糊控制器實(shí)現(xiàn)了前后軸制動力的分配,首先保證了制動的安全性和車輛的行駛穩(wěn)定性。模糊控制器的輸入為飛輪SOE和制動強(qiáng)度Z,輸出為前軸制動力的占比。飛輪的SOE較低時,飛輪有足夠的余量回收能量,在聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(Economic Commission of Europe, ECE)汽車法規(guī),(簡稱“制動法規(guī)”)和理想制動力分配曲線的限制下,盡可能地將制動力矩分配給前軸。當(dāng)車輛的制動強(qiáng)度高時,分配前后軸制動力應(yīng)首先考慮制動安全性,使前后軸制動力分配曲線始終位于理想制動力分配曲線的下方。

    圖11 制動模式模糊控制結(jié)構(gòu)Fig.11 Fuzzy control structure of braking mode

    第一個模糊控制器保證了制動的安全性之后,第二個模糊控制器利用飛輪輸入和輸出均為機(jī)械能,回收的能量不經(jīng)過形式的轉(zhuǎn)化,效率高的優(yōu)點(diǎn),盡可能使飛輪優(yōu)先回收制動能量。飛輪SOE、電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)和車速作為第二個模糊控制器的3個輸入,飛輪控制電機(jī)再生制動力占比作為輸出。其模糊控制曲面如圖12所示。

    圖12 制動能量再生模糊控制曲面Fig.12 Fuzzy control surface for braking energy regeneration

    此曲面直觀地反映了模糊控制規(guī)則,符合最大程度利用機(jī)電式飛輪系統(tǒng)削峰填谷的設(shè)計思路。

    4 仿真結(jié)果與分析

    根據(jù)機(jī)電式飛輪系統(tǒng)的模糊控制策略,通過CRUISE與MATLAB-Simulink對整車進(jìn)行聯(lián)合仿真,將NEDC工況作為仿真工況,以驗(yàn)證飛輪系統(tǒng)和模糊控制策略的可行性。如圖13可以清晰地看出,車輛的實(shí)際車速能夠比較穩(wěn)定的跟隨理想車速曲線,其說明機(jī)電式飛輪車輛模糊控制策略比較正確的解釋了駕駛員意圖,同時對雙電機(jī)的扭矩分配和飛輪能量的充放進(jìn)行了合適的控制,使得車輛能夠準(zhǔn)確地按照駕駛員的意圖行駛。

    圖13 NEDC工況Fig.13 NEDC operating conditions

    由圖14(a)可知,正扭矩使飛輪轉(zhuǎn)速增加并存儲能量,負(fù)扭矩使飛輪轉(zhuǎn)速降低并釋放能量。當(dāng)車輛第一次起步加速時,飛輪控制電機(jī)發(fā)出正扭矩,此時飛輪受到負(fù)扭矩的作用,由于飛輪沒有回收能量,其轉(zhuǎn)速為0,單向鎖止機(jī)構(gòu)防止飛輪負(fù)方向旋轉(zhuǎn),使飛輪控制電機(jī)的扭矩經(jīng)行星齒輪機(jī)構(gòu)放大后傳遞到驅(qū)動軸。

    如圖14(b)所示,車輛減速,控制電機(jī)發(fā)出負(fù)扭矩,轉(zhuǎn)速降低,飛輪受到正扭矩的作用,轉(zhuǎn)速迅速增加,將一部分制動能量以旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能儲存起來。在車輛持續(xù)制動的過程中,控制電機(jī)持續(xù)發(fā)出正扭矩,轉(zhuǎn)速逐漸降低,在車輛減速至0之前,其轉(zhuǎn)速經(jīng)過零點(diǎn),開始反向加速轉(zhuǎn)動。車輛減速至0停止時,飛輪保持高速旋轉(zhuǎn)儲存能量,控制電機(jī)保持負(fù)轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)。車輛再次加速,控制電機(jī)發(fā)出正扭矩,負(fù)轉(zhuǎn)速逐漸降低,飛輪同時釋放能量,轉(zhuǎn)速降低,在模糊控制的控制策略中,飛輪釋放能量的優(yōu)先級最高,所以NEDC工況中多數(shù)加速情況下,飛輪都充分釋放了能量,直至轉(zhuǎn)速降低為0。

    從飛輪回收制動能量方面看,對比圖13與圖14(a),車速由50 km/h制動減速至停車,飛輪回收制動能量,轉(zhuǎn)速從0加速至20 000 r/min,達(dá)到了設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速,由此可知,行星齒輪機(jī)構(gòu)與飛輪傳動比齒輪傳動設(shè)置合理,充分利用飛輪系統(tǒng)可快速、深度充放能的特點(diǎn),提高飛輪回收的能量。

    從飛輪提供的扭矩方面考慮,飛輪釋放能量時,扭矩的大小多集中在10 N·m,經(jīng)過傳動齒輪傳遞到齒圈上的扭矩已經(jīng)達(dá)到50 N·m,此扭矩再經(jīng)行星齒輪機(jī)構(gòu)與電機(jī)提供的扭矩耦合后共同作為車輛的驅(qū)動力,提高了車輛的動力性。

    如圖15可知,在NEDC工況下,行星齒輪機(jī)構(gòu)中太陽輪、行星架、齒圈的轉(zhuǎn)速關(guān)系,各部件分別對應(yīng)了飛輪控制電機(jī)、車輪和飛輪的轉(zhuǎn)速。可知:行星齒輪機(jī)構(gòu)將車速與飛輪和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速解耦,在控制電機(jī)調(diào)整飛輪轉(zhuǎn)速的同時,保證了車輛可以遵循駕駛員的意圖行駛,避免了飛輪轉(zhuǎn)速對車速的影響;太陽輪轉(zhuǎn)速范圍在-10 000~10 000 r/min,符合控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制;行星架的轉(zhuǎn)速始終跟隨車速,且處于0~3 000 r/min的范圍內(nèi),飛輪的轉(zhuǎn)速在車輛減速時升高,加速時下降,在轉(zhuǎn)速升高至最高設(shè)計轉(zhuǎn)速后,車速繼續(xù)降低,但是飛輪轉(zhuǎn)速不再升高。說明飛輪系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制合理,該系統(tǒng)與控制策略應(yīng)用合適。

    圖15 行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速Fig.15 Planetary gear mechanism speed

    如圖16所示,飛輪控制電機(jī)在4個象限中均有工作,與前文論述的工作模式一致。從第三象限看,控制電機(jī)為負(fù)轉(zhuǎn)速、負(fù)扭矩,工作在電動機(jī)狀態(tài),并且其效率的分布多集中在85%~93%的高效率區(qū)間,以較高的效率回收制動能量。從第二象限看,控制電機(jī)為負(fù)轉(zhuǎn)速、正扭矩,工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài),并且其效率分布多集中在90%~93%的高效率區(qū)間,這說明在控制電機(jī)能在高效率區(qū)間回收能量。

    圖16 NEDC工況控制電機(jī)效率Fig.16 NEDC operating conditions control motor efficiency

    將二三象限和一四象限對比來看,可以明顯發(fā)現(xiàn):控制電機(jī)在二三象限工作時,發(fā)出的扭矩的絕對值的大小要高于工作在一四象限,這充分體現(xiàn)了控制策略中飛輪優(yōu)先回收能量,以及優(yōu)先釋放飛輪能量的控制邏輯。

    如圖17所示,實(shí)線為機(jī)電式飛輪車輛的電池SOC,虛線為雙電機(jī)四驅(qū)車輛的電池SOC,初始值均設(shè)置為50%。

    圖17 NEDC工況SOC對比Fig.17 NEDC operating condition SOC comparison

    運(yùn)行完一次NEDC工況,機(jī)電式飛輪車輛的電池SOC下降至45.89%,續(xù)航300 km;雙電機(jī)四驅(qū)車輛的電池SOC下降至45.42%,續(xù)航273 km。可以得到:加裝了機(jī)電式飛輪系統(tǒng)的車輛在NEDC工況下每百公里的電能消耗量比雙電機(jī)四驅(qū)的車輛降低10.26%,續(xù)航由273 km提升至300 km。

    5 結(jié)論

    將機(jī)電式飛輪系統(tǒng)作為動力輔助系統(tǒng)的車輛,通過模糊控制的方法建立了驅(qū)動與制動能量回收的控制策略,并與雙電機(jī)四驅(qū)車輛進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性都比較,主要得出以下結(jié)論。

    (1)在NEDC工況下,搭載了機(jī)電式飛輪系統(tǒng)的車輛比雙電機(jī)四驅(qū)車輛續(xù)航增加了9%,如果將工況結(jié)束時飛輪回收的能量考慮在內(nèi),該車輛的經(jīng)濟(jì)性將更優(yōu)。

    (2)雖然機(jī)電式飛輪系統(tǒng)車輛的電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速解耦,但是基于模糊控制策略對扭矩控制,使車輛可以精確的按照駕駛員意圖行駛,說明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理,控制策略使用得當(dāng)。

    (3)控制電機(jī)在飛輪轉(zhuǎn)速的影響下,其高頻的工作區(qū)間由80%~90%更多的集中到了90%~94%的高效區(qū)間,增加了控制電機(jī)的效率。

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