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(shí)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(shí)，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，海科公司成功研制出新一代飛輪動力系統(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(shí)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(shí)優(yōu)先回收能量，驅(qū)動時(shí)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(jì)

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(shí)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(shí)，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(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)的動能；E1為制動結(jié)束時(shí)的動能；v0為制動初始時(shí)的車速；v1為制動結(jié)束時(shí)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(shí)，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(jì)飛輪時(shí)，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(jì)合理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。最終設(shè)計(jì)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(shí)，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(gè)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(shí)，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(jì)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(shí)，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(gè)驅(qū)動電機(jī)，以滿足車輛的動力性要求。在車輛制動時(shí)，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(shí)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(gè)模塊組成。第一個(gè)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(gè)為驅(qū)動力計(jì)算模塊，根據(jù)駕駛員踩下的加速踏板行程，計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算如圖9所示。

圖9 飛輪SOE計(jì)算Fig.9 Flywheel SOE calculation

如圖10所示，驅(qū)動時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)安全可靠的制動系統(tǒng)[14]。

如圖11所示，本文設(shè)計(jì)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(gè)輸入一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(gè)模糊控制器保證了制動的安全性之后，第二個(gè)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(gè)模糊控制器的3個(gè)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(jì)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(shí)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(shí)，飛輪控制電機(jī)發(fā)出正扭矩，此時(shí)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(shí)，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(shí)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(jì)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(shí)，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?？芍盒行驱X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(shí)，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(shí)升高，加速時(shí)下降，在轉(zhuǎn)速升高至最高設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，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?？梢缘玫剑杭友b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(shí)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。