(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]。車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中消耗的動(dòng)能，是以熱量的形式散失到空氣中，如果將這部分能量回收再利用，則可以提高不可再生資源的使用效率及車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性[2-3]，有效地減少排放造成的環(huán)境污染[4]，所以制動(dòng)能量回收技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[5]。其中，液壓混合動(dòng)力技術(shù)因其功率密度大[6-7]、充放能量速度快、能量回收效率高和制造成本低等特點(diǎn)被逐漸重視。國(guó)內(nèi)許多高校對(duì)液壓混合動(dòng)力技術(shù)都進(jìn)行了深入研究，如吉林大學(xué)、浙江大學(xué)等；上海交大神舟、北京創(chuàng)世奇等企業(yè)也成功將該技術(shù)應(yīng)用于公交車(chē)上，并且在實(shí)際應(yīng)用中效果良好[8]。

筆者主要對(duì)液壓蓄能器式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行介紹，設(shè)計(jì)單片機(jī)控制器，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗訹9]，對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)能量回收和饋送控制，最后通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制策略的有效性。

1 液壓式制動(dòng)能量回收再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓式制動(dòng)能量回收再生系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、可控液壓泵/馬達(dá)、液壓蓄能器、控制器、電磁閥組等(如圖1所示)，其工作原理為：當(dāng)控制器接收到制動(dòng)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)在蓄能狀態(tài)下工作，驅(qū)動(dòng)泵工作，液壓油通過(guò)電磁閥進(jìn)入蓄能器，將回收的能量存儲(chǔ)在蓄能器中[10]，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存；當(dāng)回收的能量達(dá)到蓄能器上限時(shí)，壓力傳感器自動(dòng)發(fā)出信號(hào)使制動(dòng)能量回收系統(tǒng)停止蓄能；當(dāng)檢測(cè)到加速信號(hào)時(shí)，泵/馬達(dá)以馬達(dá)的形式啟動(dòng)工作，蓄能器的高壓油經(jīng)電磁閥進(jìn)入馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)液壓能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。

1—發(fā)動(dòng)機(jī)；2—變速箱；3—控制器；4—泵/馬達(dá)；5—電磁閥組；6—蓄能器；7—液壓油箱；8—車(chē)輛ECU；9—制動(dòng)器圖1 液壓式制動(dòng)能量回收再生系統(tǒng)圖Fig.1 Hydraulic braking energy recycling system diagram

變速箱和可控液壓泵/馬達(dá)采用的是柔性動(dòng)力耦合，這樣可以減少傳統(tǒng)機(jī)械齒輪剛性耦合所帶來(lái)的沖擊，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行?？煽匾簤罕?馬達(dá)是葉片泵/馬達(dá)的一種，其工作原理如圖2所示。葉片的釋放與鎖定由控制器和控制閥組來(lái)完成。當(dāng)可控液壓泵/馬達(dá)不工作時(shí)，葉片被鎖定在轉(zhuǎn)子里，如圖2(a)所示，此時(shí)沒(méi)有進(jìn)油腔和出油腔，也沒(méi)有液壓油流動(dòng)，相當(dāng)于空載，能量消耗極低，而且當(dāng)出現(xiàn)緊急制動(dòng)，在開(kāi)啟ABS(Anti-skid braking system)的情況下，可以迅速退出制動(dòng)能量回收再生系統(tǒng)，保證安全性；當(dāng)可控液壓泵/馬達(dá)工作時(shí)，葉片從轉(zhuǎn)子中釋放出來(lái)，如圖2(b)所示，成為標(biāo)準(zhǔn)葉片泵/馬達(dá)。

圖2 可控液壓泵/馬達(dá)工作原理Fig.2 Operating principle of controllable hydraulic pump/motor

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器主要由處理器、輸出控制模塊、通訊模塊和傳感器電路等其他外圍電路組成，還含有CAN總線接口，便于直接從汽車(chē)上獲取信息，如圖3所示。筆者選擇的處理器是飛思卡爾公司的KEAZ128芯片，擁有32 位的ARM Cortex-M0+內(nèi)核，具有高效穩(wěn)定的性能。系統(tǒng)傳感器包括壓力傳感器、制動(dòng)踏板位置傳感器、加速踏板位置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器信號(hào)的精度影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，因此筆者采用復(fù)合濾波方法，提高檢測(cè)信號(hào)精度?？刂破鞯妮敵鲋灰情_(kāi)關(guān)量，用于控制電磁閥組。

圖3 系統(tǒng)控制器框圖Fig.3 System controller block diagram

2.2 復(fù)合濾波法

復(fù)合濾波法集中了算術(shù)平均濾波法和中位值濾波法的優(yōu)點(diǎn)，它既可以平滑處理采樣信號(hào)，也可以去除脈沖信號(hào)的干擾，并且具有計(jì)算方便、存儲(chǔ)量小、計(jì)算速度快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[11]，它的作用是去除短周期隨機(jī)誤差和粗大誤差。

本系統(tǒng)的去極值平均濾波程序流程：首先連續(xù)采樣得到20 個(gè)數(shù)據(jù)，將這20 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，再去除5 個(gè)最大值和5 個(gè)最小值，最后求剩余10 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，作為最終返回的采樣值，程序框圖如圖4所示。

從圖5中可以看出：濾波后的采樣信號(hào)明顯減少了隨機(jī)誤差和粗大誤差，降低信號(hào)的極差。

圖4 復(fù)合濾波程序框圖Fig.4 Block diagram of composite filter

圖5 加速踏板采樣信號(hào)濾波前后對(duì)比圖Fig.5 Acceleration pedal sampling signal before and after comparison diagram

2.3 能量回收與饋送控制策略

筆者選擇的制動(dòng)能量回收控制策略是基于遺傳算法的優(yōu)化控制，遺傳算法的主要因素包括參數(shù)的編碼、初始種群的設(shè)定、適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計(jì)和約束條件的處理等，程序框圖如圖6所示，首先隨機(jī)生成初始個(gè)體，計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度并進(jìn)行比較，然后根據(jù)適應(yīng)度選擇個(gè)體，進(jìn)行交叉和變異兩種遺傳算子操作，生成全新的個(gè)體，對(duì)個(gè)體適應(yīng)度進(jìn)行判斷，若不滿足，則繼續(xù)進(jìn)行遺傳算子操作，最后得出最優(yōu)解。約束條件是蓄能器的壓力和制動(dòng)踏板開(kāi)度，采用二進(jìn)制編碼方法，其目標(biāo)函數(shù)為制動(dòng)能量回收能力函數(shù)為

(1)

式中：η為制動(dòng)能量回收能力；E為制動(dòng)回收的能量；v為車(chē)速。

適應(yīng)度函數(shù)采用動(dòng)態(tài)線性標(biāo)定，函數(shù)表達(dá)式為

(2)

圖6 遺傳算法程序框圖Fig.6 Genetic algorithm program block diagram

如圖7所示，在制動(dòng)開(kāi)始以后，控制器會(huì)采集車(chē)速信號(hào)來(lái)判斷車(chē)輛是否處于停車(chē)狀態(tài)以及是否開(kāi)啟ABS，根據(jù)制動(dòng)踏板位置信號(hào)來(lái)判斷駕駛員的制動(dòng)意圖，并通過(guò)遺傳算法來(lái)控制泵的不同排量。當(dāng)ABS開(kāi)啟或者檢測(cè)到蓄能器壓力大于最高壓力時(shí)，制動(dòng)能量回收單元將停止工作，以保證車(chē)輛的安全性。其中泵1、泵2、泵3對(duì)應(yīng)多級(jí)可控液壓泵/馬達(dá)中泵的不同排量。

圖7 制動(dòng)能量回收控制策略框圖Fig.7 Brake energy recovery control strategy block diagram

制動(dòng)能量饋送控制策略則由加速踏板開(kāi)度信號(hào)直接控制馬達(dá)排量，兩者之間呈線性正比關(guān)系，即加速踏板開(kāi)度越大，選擇的馬達(dá)排量越大，饋送的能量越多。如圖8所示，在駕駛員踩油門(mén)時(shí)，控制器會(huì)采集車(chē)速信號(hào)來(lái)判斷車(chē)輛是否處于停車(chē)狀態(tài)，根據(jù)油門(mén)踏板位置信號(hào)來(lái)控制馬達(dá)的不同輸出。當(dāng)檢測(cè)到蓄能器的壓力小于等于最低壓力時(shí)，制動(dòng)能量饋送單元停止工作，能量饋送結(jié)束。其中馬達(dá)1、馬達(dá)2、馬達(dá)3對(duì)應(yīng)多級(jí)可控液壓泵/馬達(dá)中馬達(dá)的不同排量。

圖8 制動(dòng)能量饋送控制策略框圖Fig.8 Brake energy feed control strategy block diagram

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)試可控液壓泵/馬達(dá)、控制閥組、蓄能器和控制器之間的協(xié)調(diào)性，驗(yàn)證功能指令是否正確，控制策略是否合理。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：三相異步電機(jī)、三聯(lián)可控液壓泵/馬達(dá)、蓄能器等，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)框圖如圖9所示，具體參數(shù)如表1所示。

1—電機(jī)；2—變速箱；3—控制器；4—泵/馬達(dá)；5—蓄能器；6—傳感器輸入信號(hào)；7—液壓油箱；8—電磁閥組；9—溢流閥；10—負(fù)載圖9 液壓式制動(dòng)能量回收再生系統(tǒng)臺(tái)架Fig.9 Hydraulic braking energy recycling system test bench

元件主要參數(shù)蓄能器容積為25 L,公稱(chēng)壓力為31.5 MPa三相異步電機(jī)型號(hào)為YE2-250M 55 kW,額定電壓380 V,額定電流103.3 A,額定功率55 kW三聯(lián)可控液壓泵/馬達(dá)排量分別為25,50,75 mL/r,最高轉(zhuǎn)速2 000 r/min,最高工作壓力為25 MPa

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分別由兩個(gè)位移傳感器的踏板來(lái)模擬剎車(chē)和油門(mén)，通過(guò)踩踏板使傳感器產(chǎn)生位移信號(hào)，來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)情況下剎車(chē)和油門(mén)的深度，控制器接受電位器發(fā)出的信號(hào)，然后按照控制策略發(fā)出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，來(lái)切換各個(gè)電磁閥工作位，從而使系統(tǒng)處于蓄能狀態(tài)或者釋放狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，負(fù)載會(huì)消耗35 A電流，饋送的形式采樣的是電流，這種形式相比于轉(zhuǎn)矩，測(cè)量方便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 電流饋送圖Fig.10 Current feed diagram

從圖10可知：液壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)回饋的電流最大為15.3 A，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，液壓泵/馬達(dá)相對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)負(fù)載，根據(jù)液壓泵/馬達(dá)廠家提供的不同排量下的耗能情況，得出消耗的電流為10 A，所以在進(jìn)行制動(dòng)能量饋送時(shí)，實(shí)際的回饋的電流為5.3 A。

4 結(jié) 論

通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)控制器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，利用復(fù)合濾波方法大大提高了傳感器輸入檢測(cè)信號(hào)的可靠性，分析獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：根據(jù)所制定的系統(tǒng)控制策略，控制器可以實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)能量回收及饋送，驗(yàn)證了控制策略的有效性；控制器能很好地協(xié)調(diào)泵/馬達(dá)組與控制閥組之間的工作。