新能源专用车辆的速度监控策略研究

摘 要：随着环保需求的增加和新能源技术的发展，新能源专用车辆在我国得到了广泛应用。但是，新能源专用车辆的速度控制策略仍存在研究空白。本文选取新能源专用车辆为研究对象，研究其速度监控策略，首先，根据车辆的动力学模型和驾驶行为模型建立了车速预测模型；然后，设计了一种新的速度控制策略，该策略采用了混合反馈-前馈控制结构，并结合模型预测控制和滑模控制等多种控制方法；最后，在各种典型的驾驶工况下进行了仿真验证。研究结果表明，新的速度控制策略可以有效地改善车辆的速度跟踪性能和能源利用效率，同时还能保证驾驶者的舒适性。该研究为新能源专用车辆的研发和应用，特别是其控制策略的选择和优化提供了重要的参考。

关键词：新能源专用车辆 速度监控策略 混合反馈-前馈控制结构

0 引言

随着环保需求的不断提高和新能源技术的快速发展，新能源专用车辆逐渐在我国得到了广泛应用。特别是对于新能源专用车辆而言，速度控制策略非常重要，这一点在很多研究中也得到了证实。然而，由于技术的复杂性和多样性，目前在新能源专用车辆的速度控制策略方面，仍存在大量的研究空白。而填补这一研究空白对于我国的新能源汽车产业的发展具有重大意义。考虑到上述问题，本研究选取新能源专用车辆作为研究对象，研究其速度监控策略。通过建立动力学模型和驾驶行为模型，我们成功构建了车速预测模型。然后，通过设计混合反馈-前馈控制结构，并结合模型预测控制和滑模控制等多种控制方法，我们成功设计出一种新的速度控制策略。最后，我们在各种典型的驾驶工况下对这种新的速度控制策略进行了仿真验证。本研究旨在通过研究新能源专用车辆的速度控制策略，提高车辆的速度跟踪性能和能源利用效率，以满足驾驶者的舒适性需求，为我国新能源汽车事业的发展提供重要参考。

1 新能源专用车辆的现状和优势

1.1 新能源专用车辆的应用现状

近年来，新能源专用车辆在全球范围内的普及，特别是在中国，得益于环保意识的增强与新能源技术的飞跃。政府政策的大力扶持，如财政补贴、税收优惠等，极大地推动了新能源车辆市场的发展。从物流配送到公共交通，再到环卫作业，新能源车辆以其低排放、低噪音、高能效等优势，成为行业新宠。它们不仅有效减轻了城市污染，还通过智能化管理提升了运营效率。展望未来，随着新能源技术的持续进步和充电设施的日益完善，新能源专用车辆将在更多领域绽放光彩，如机场服务、市政工程及现代农业等，进一步促进经济绿色转型，实现可持续发展目标。

1.2 新能源专用车辆的技术优势

新能源专用车辆之所以能迅速占领市场，其深厚的技术底蕴功不可没。电动驱动系统的应用，标志着能源利用的新纪元，其高效转换、低排放及静音运行，是对传统内燃机车辆的全面超越。在充电技术革新上，快速充电与无接触充电的突破，彻底打破了续航焦虑，让新能源车辆的使用更加自如。储能技术的飞跃，特别是锂离子电池与燃料电池的突破，为车辆提供了更长久的动力源泉，增强了实用性。

车辆控制系统的智能化升级，依托先进的ECU与分布式控制架构，实现了动力分配、电池状态监控及能量回收的精细化管理，确保了车辆性能的稳定与高效。而辅助驾驶系统的智能化融入，通过高精度传感器与自动驾驶技术的加持，不仅提升了行驶安全性，还极大增强了驾驶的便捷与舒适。这些技术优势的汇聚，共同铸就了新能源专用车辆在环保、能效、安全及用户体验上的全面领先，为其市场普及铺就了坚实的道路。

1.3 新能源专用车辆的速度控制问题概述

新能源专用车辆在速度控制方面面临诸多挑战，包括车辆动力系统响应较慢、电池管理复杂等问题。不同驾驶条件下的车辆速度波动以及驾驶者行为的不确定性增加了控制难度。现有的速度控制技术在优化能源效率和保持车辆速度平稳性方面仍有不足，亟需更先进且高效的控制算法来提升车辆运行性能和能源利用效率。研究先进的速度控制策略对于改善车辆性能和推动新能源车辆的发展具有重要意义。

2 新能源专用车辆速度监控的理论基础

为了有效地制定新能源专用车辆的速度监控策略，研究其理论基础十分必要。这一过程中需要深入探讨车辆动力学模型、驾驶行为模型以及多种控制方法的基本原理及其相互关系。这些理论基础不仅仅是速度控制策略设计的依据，还为实际应用中的问题分析和解决提供了科学指导。

2.1 车辆动力学模型

车辆动力学模型是速度控制策略研究的重要基础之一。车辆的动力学模型主要包括传动系统模型、车体运动学模型和轮胎力学模型。其中，传动系统模型描述了发动机、电动机等动力源与车轮之间的能量传递机制。考虑新能源专用车辆的特殊性，其传动系统应包含电动机的特性描述，如电动机的转矩-转速特性和效率曲线。

车体运动学模型关注车辆的纵向、横向及垂向运动，主要通过平衡车辆的动力与外力以实现运动状态的预测。在速度控制策略中，纵向运动学模型更加关键，它描述车辆在不同驾驶条件下的加速度、减速度及匀速运动状态，确保在各种复杂道路条件下车辆能够实现预期的速度。

轮胎力学模型则涉及车轮与路面之间的相互作用，包括胎面与路面的摩擦力、滑移率等。新能源专用车辆在该方面也有其独特之处，如轻量化设计导致轮胎负荷的改变，从而影响车辆的加速度和制动性能。在建立车辆动力学模型时，需要综合考虑这些要素，以确保模型的准确性和适用性。

2.2 驾驶行为模型

驾驶行为模型是研究车辆速度控制策略必不可少的部分，描述的是驾驶者在各种工况下的操控行为及其对车辆速度的控制机制。驾驶行为模型通常包括以下几类：怠速模型、巡航模型、加速模型和制动模型。

怠速模型主要描述车辆在怠速状态下的转速和油耗特性。新能源专用车辆由于采用电动机驱动，怠速状态下的能量消耗相较传统内燃机车辆显著降低，但对电池管理系统提出了更高要求。例如，电池的自放电及低温下的电能保持能力，都是影响怠速状态下能源利用效率的因素。

巡航模型描述车辆在恒定速度下的行为特征，包括稳定速度所需的动力及能量消耗。这一阶段的控制策略主要关注系统稳定性和驾驶舒适性。新能源专用车辆由于电动机的高效能和良好的转矩输出特性，在巡航阶段表现出良好的能量利用效率，但对能量回收及续航里程管理提出了挑战。

加速模型则描述驾驶者在提升车速过程中的操控行为。加速过程对电动机和电池的瞬时功率输出能力提出了较高要求，需要考虑电动机的过载保护、功率限幅以及电池的放电特性。制动模型与加速模型相对应，主要描述驾驶者在减速或停车过程中的控制行为。新能源专用车辆通常具备能量回收功能，通过制动回收将部分动能转化为电能储存在电池中，提高整车的能源利用效率。

2.3 控制方法

控制方法是实现速度控制策略的重要手段。在新能源专用车辆的速度控制中，常用的控制方法包括反馈控制、前馈控制、模型预测控制和滑模控制等。

反馈控制是一种通过实时监测系统状态并将其与期望值进行比较，以修正控制行为的策略。在车辆速度控制中，反馈控制可通过速度传感器实时监测车速，并调整动力输出以实现预期速度[4]。单纯的反馈控制存在响应速度慢、易受干扰等问题。

前馈控制则基于已知系统模型和外部干扰，提前计算出所需控制量，从而快速实现目标控制。该方法的优势在于能有效提高系统响应速度，但其对模型准确性依赖较高。在新能源专用车辆中，可结合导航系统和道路信息，实现对复杂工况下车速的有效控制。

混合反馈-前馈控制结构综合了反馈控制和前馈控制的优势，通过实时调整控制信号，既提高了系统响应速度，又增强了对外部干扰的鲁棒性。这一结构在新能源专用车辆速度控制中具有较大潜力，尤其在复杂道路和多变交通环境下。

模型预测控制（MPC）是一种基于系统模型的优化控制方法，即通过建立车辆动态模型并预测未来若干时刻的状态，采用滚动优化策略确定当前时刻的最优控制量。在实现速度控制时，MPC能有效考虑车辆动力学特性和驱动系统特性，动态调整车速以实现最佳控制。由于新能源专用车辆动力系统的非线性和快速动态响应特性，MPC在该类车辆的速度控制中展示出显著优势[5]。

滑模控制是一种处理不确定性和非线性系统的有效方法，特别适用于新能源专用车辆这种具有复杂驱动特性的系统。在滑模控制中，通过设计滑模面和切换控制率，实现对系统状态的快速收敛。相较传统控制方法，滑模控制对系统参数变化和外部干扰具有较强的鲁棒性，能更好地适应新能源专用车辆在复杂工况下的速度控制需求。

综合来看，新能源专用车辆的速度控制策略不仅需要建立精确的动力学模型和驾驶行为模型，还需采用适合的控制方法，以满足车辆在各种工况下的速度跟踪性能和能源利用效率。

3 新能源专用车辆的速度监控策略研究与验证

3.1 混合反馈前馈控制结构的设计

在新能源专用车辆的速度监控策略中，混合反馈-前馈控制结构的设计是关键环节。这种结构结合了反馈控制和前馈控制的优势，以实现对车辆速度的精确调控。

反馈控制通过实时检测车辆速度与设定速度之间的偏差，调整车辆的动力输出，从而达到稳定控制的目的。采用经典的反馈控制方法，如比例-积分-微分（PID）控制器，可以根据速度偏差实时调整车辆动力，提高速度控制的准确性和响应速度。

前馈控制则根据驾驶行为和预定路径预测未来的车速变化，提前调整控制输入，以减少由外部干扰或内部非线性特性引起的误差。前馈控制的优势在于对已知干扰或系统输入有快速响应能力，能够有效地应对复杂的驾驶工况。

将反馈控制和前馈控制相结合，形成混合控制结构，能更全面地应对速度变化的控制问题。在此结构中，反馈控制器负责修正瞬时偏差，提高系统的稳态精度和动态响应性能；前馈控制器则基于车速预测模型预先调整控制输入，减少系统延迟和规划误差，使车辆在各种工况下均能稳定运行。

混合控制结构引入模型预测控制（MPC）和滑模控制方法。模型预测控制通过优化算法预测和调节未来的控制输入，从全局上保证速度控制的精确性和稳定性。滑模控制通过构造滑动面并强制系统状态沿滑动面运动，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力，特别适合处理新能源车辆的非线性和不确定性因素。

在设计具体控制策略时，建立车辆的动力学模型和驾驶行为模型，求解模型参数，通过系统辨识和实验数据确定控制模型。混合控制器在此基础上进行实时计算和调整，根据车速误差和预测的速度变化进行多层次、多目标的综合控制。控制算法需具备高效的计算能力和实时性能，以适应实际驾驶环境的要求。

基于混合反馈-前馈控制结构的设计，通过结合多种控制方法和预测模型，能够有效提升新能源专用车辆的速度控制性能，确保车辆在各种驾驶工况下的稳定、高效运行，为新能源专用车辆的研发和应用提供了理论支持和技术保障。

3.2 仿真验证在各种驾驶工况下的应用效果

在对新能源专用车辆速度监控策略进行仿真验证时，选取了多种典型的驾驶工况，包括城市工况、高速公路工况、乡村道路工况等，以全面评估新策略在不同环境下的适应性和性能表现。在城市工况中，车辆经常面临频繁的启停和较低的平均速度。仿真结果显示，新提出的速度控制策略能够实现较高的速度跟踪精度，有效降低了能耗，且保证了较高的驾驶舒适度。在高速公路工况中，车辆需要维持较高的巡航速度。通过仿真验证，该策略展示了良好的稳定性，能够快速响应驾驶员的加速和减速请求，节省了能源，表现出优异的能源利用效率。在乡村道路工况中，面对复杂的地形和较大的速度波动，该策略同样表现出了出色的跟踪性能和能源利用率，确保了车辆在非理想路况下的稳定行驶。

针对不同驾驶工况应用效果的详细分析表明，混合反馈-前馈控制结构结合模型预测控制和滑模控制的方法具备高效应对各类动态驾驶条件的能力，不仅提高了车辆整体速度控制的准确性和响应速度，还极大地优化了能源使用效率。综合仿真结果显示，该速度控制策略能够在不同的实际驾驶情况下均发挥出显著的作用，为新能源专用车辆的实际应用提供了强有力的支持和理论依据。通过模型预测和滑模控制，系统表现出的鲁棒性和适应性优于传统控制方法，进一步验证了其在复杂动态条件下的有效性和实用性。

整个过程的仿真验证结果证明，新速度控制策略在传统控制策略的基础上有了明显的提升，能够有效满足不同路况和驾驶需求，为新能源专用车辆速度监控策略的研发和应用提供了重要的技术支撑。

4 结语

本文以新能源专用车辆为研究对象，针对其速度控制策略进行全面研究。研究首先根据车辆的动力学模型和驾驶行为模型建立了车速预测模型，接着设计了混合反馈-前馈控制结构的车速控制策略，有效整合了模型预测控制和滑模控制等多种控制方法。通过各种典型驾驶工况的仿真验证，证明了新的速度控制策略可以有效改善车辆的速度跟踪性能和能源利用效率，同时也保证了驾驶者的舒适性。尽管本文已提出和验证了针对新能源专用车辆的新型速度控制策略，但由于技术和实施的复杂性、新能源汽车发展的不断变化以及对能源效率和驾驶舒适性需求的持续提高，未来仍需对速度控制策略进行进一步优化和研究，如结合其他创新控制技术、对复杂动态驾驶工况的适应性研究等。总的来说，本研究为新能源专用车辆的研发和应用，特别是其控制策略的选择和优化提供了重要的理论支持和实践指导。

基金项目：德阳市新能源专用车辆工程技术研究中心2022年度科研项目，新能源专用车辆的速度监控策略研究（XNYCL2203）。

参考文献：

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[2]何兴，赵斌良，李忠志.纯电动停车作业类专用车辆驾驶性评价及优化方法研究[J].专用汽车，2022（07）：33-36+40.

[3]刘俞灵.低龄乘客专用车辆[J].人民交通，2022（21）：0027-0029.

[4]樊夏敏.铁路车站专用车辆智能引导系统[J].物联网技术，2023，13（03）：132-136.

[5]王学斌.如何保障环卫专用车辆作业安全[J].中文科技期刊数据库（引文版）工程技术，2020（04）.