基于模糊控制的純電動(dòng)汽車加速輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略*

陳龍 程偉 徐興 孫曉東

（江蘇大學(xué)）

基于模糊控制的純電動(dòng)汽車加速輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略*

陳龍 程偉 徐興 孫曉東

（江蘇大學(xué)）

為使純電動(dòng)汽車加速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩充分符合駕駛員加速意圖，設(shè)計(jì)了常規(guī)、動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)等3種駕駛模式供駕駛員手動(dòng)選擇。常規(guī)模式下，基于線性穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制策略確定基本輸出轉(zhuǎn)矩；動(dòng)力模式下，采用模糊控制算法以加速踏板開(kāi)度及其變化率為輸入，動(dòng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)矩為輸出，對(duì)基本輸出轉(zhuǎn)矩作增矩優(yōu)化；經(jīng)濟(jì)模式下，采用模糊控制算法以電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板開(kāi)度為輸入、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩為輸出，對(duì)基本輸出轉(zhuǎn)矩作減矩優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，上述控制策略可以很好地反映駕駛員加速意圖，達(dá)到不同模式下所期望的控制目標(biāo)。

1 前言

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制策略的優(yōu)劣直接影響整車的加速性能，因此對(duì)駕駛員加速意圖的研究尤其是轉(zhuǎn)矩需求的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)[1]提出一種適用于電機(jī)高頻區(qū)域的快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)控制策略，通過(guò)電流和轉(zhuǎn)矩的偏移動(dòng)態(tài)控制電機(jī)最大輸出電壓，從而控制輸出轉(zhuǎn)矩，但該文獻(xiàn)未涉及駕駛員加速意圖，具有一定的局限性；文獻(xiàn)[2]提出一種離線優(yōu)化轉(zhuǎn)矩矢量控制策略，能較準(zhǔn)確地解釋駕駛意圖，提高了整車操控性能,但未涉及驅(qū)動(dòng)電機(jī)及駕駛員操作對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響；文獻(xiàn)[3]提出以電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板開(kāi)度為輸入、輸出扭矩百分比為輸出的模糊驅(qū)動(dòng)控制策略來(lái)優(yōu)化電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能，但該策略未考慮加速踏板開(kāi)度及其變化率所體現(xiàn)的駕駛員意圖對(duì)電機(jī)扭矩的需求；文獻(xiàn)[4]提出一種模糊控制方法識(shí)別駕駛員駕駛意圖，但僅考慮了駕駛員急加速要求，未考慮經(jīng)濟(jì)性的要求。

為此，本文設(shè)計(jì)了常規(guī)模式、動(dòng)力模式、經(jīng)濟(jì)模式供駕駛員手動(dòng)選擇。其中常規(guī)模式可反映駕駛員正常駕駛需求，以加速踏板線性穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制策略確定基本輸出轉(zhuǎn)矩；動(dòng)力模式和經(jīng)濟(jì)模式在基本輸出轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，建立模糊控制策略對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化，可滿足駕駛員對(duì)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的要求。

2 純電動(dòng)汽車加速過(guò)程轉(zhuǎn)矩分析

純電動(dòng)汽車在加速過(guò)程中，電機(jī)提供的輸出轉(zhuǎn)矩T使車輛在時(shí)間t內(nèi)車速由u1加速到u2，輸出轉(zhuǎn)矩的大小由阻尼負(fù)載決定。根據(jù)牛頓第二定律，純電動(dòng)汽車加速過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表示為：

式中，i為變速器傳動(dòng)比；η為機(jī)械傳動(dòng)效率；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為路面坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；u為車速；r為輪胎動(dòng)態(tài)滾動(dòng)半徑；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為加速度。

3 不同模式下輸出轉(zhuǎn)矩模糊控制策略

3.1 模糊控制概述

由于駕駛員的加速意圖較復(fù)雜，應(yīng)用經(jīng)典控制理論不能確切地反映加速意圖，而模糊控制理論是一種不依賴于數(shù)學(xué)模型且具有很強(qiáng)魯棒性的控制方法[5],能夠有效解決車輛在復(fù)雜工況下的控制問(wèn)題。因電動(dòng)汽車控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)車輛更復(fù)雜，所以模糊控制策略被更多地引入到電動(dòng)汽車的控制策略中[6]。

3.2 常規(guī)模式

在常規(guī)模式下，采用線性穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制策略確定基本輸出轉(zhuǎn)矩Te：

式中，θ（k）為加速踏板開(kāi)度；Tmax為電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩；Pmax為電機(jī)最大輸出功率；n（k）為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

3.3 動(dòng)力模式

動(dòng)力模式以提高純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能為主要目標(biāo)，該模式下的輸出轉(zhuǎn)矩一直大于基本輸出轉(zhuǎn)矩Te，理論上在加速踏板開(kāi)度較低時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩增加幅度更為明顯，隨著加速踏板開(kāi)度的增大，輸出轉(zhuǎn)矩增加幅度相對(duì)減小，在開(kāi)度達(dá)到100%時(shí)與基本輸出轉(zhuǎn)矩Te相同[4]。因此，該模式下的理論輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖1所示。

實(shí)際制定動(dòng)力模式輸出轉(zhuǎn)矩控制策略時(shí)，隨加速踏板開(kāi)度的增大，動(dòng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT1也應(yīng)隨之增大，以補(bǔ)償動(dòng)力不足，同時(shí)為保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全，當(dāng)駕駛員的需求轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出能力不符時(shí)，必須限制輸出轉(zhuǎn)矩，因此，動(dòng)力模式下實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩Tdynamic計(jì)算式如式（3）所示，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示。

式中，ΔT1為動(dòng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)矩。

動(dòng)力模式模糊控制算法如圖3所示。

為防止加速度過(guò)大引起沖擊度過(guò)大，進(jìn)而影響車輛平順性，所以應(yīng)以沖擊度作為約束條件對(duì)動(dòng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT1進(jìn)行約束，沖擊度j表達(dá)式為：

為保證汽車起步?jīng)_擊度小于德國(guó)沖擊度標(biāo)準(zhǔn)（10 m/s3），以電機(jī)理論響應(yīng)時(shí)間為20 ms計(jì)算，則ΔT1的理論最大值為6.35 N·m。基于以上分析設(shè)計(jì)動(dòng)力模式轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模糊控制器，控制器系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集加速踏板開(kāi)度及其變化率信號(hào)，經(jīng)過(guò)模糊化后轉(zhuǎn)變?yōu)槟：?，通過(guò)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊決策，再經(jīng)過(guò)模糊判決后清晰化為精確量[7]?？刂破鬏斎胱兞繛榧铀偬ぐ彘_(kāi)度θ(k)及其變化率，輸出變量為動(dòng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT1。

動(dòng)力模式優(yōu)化識(shí)別的隸屬度函數(shù)如圖4所示，模糊規(guī)則如表1所列。

表1 動(dòng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT1模糊推理規(guī)則

3.4 經(jīng)濟(jì)模式

在保證基本動(dòng)力性的前提下，經(jīng)濟(jì)模式以提高電機(jī)工作效率為主要目標(biāo)，其輸出轉(zhuǎn)矩一直小于基本輸出轉(zhuǎn)矩Te，理論上在加速踏板處于中低開(kāi)度時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩減小幅度更明顯，隨踏板開(kāi)度的增大，輸出轉(zhuǎn)矩減小幅度相對(duì)減小，在開(kāi)度達(dá)到100%時(shí)與基本輸出轉(zhuǎn)矩Te相同[4]。因此，經(jīng)濟(jì)模式理論輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖5所示。

實(shí)際制定經(jīng)濟(jì)模式輸出轉(zhuǎn)矩控制策略時(shí)，隨加速踏板開(kāi)度的增大，輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o需增大至電機(jī)可輸出的最大轉(zhuǎn)矩Tmax，因此經(jīng)濟(jì)模式下實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩Teconomic計(jì)算式如式（5）所示，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示。

式中，ΔT2為經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT2控制算法如圖7所示。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT2的制定要充分考慮電機(jī)的效率特性，電機(jī)的效率特性主要是電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm與轉(zhuǎn)速n的函數(shù)關(guān)系[8]，電機(jī)效率表達(dá)式如式（6）所示，電機(jī)效率特性曲線如圖8所示。

為保證整車動(dòng)力性要求，以加速時(shí)間作為約束條件對(duì)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT2進(jìn)行約束，加速時(shí)間計(jì)算式為：

為保證加速時(shí)間滿足車輛基本性能指標(biāo)要求，即半加速踏板開(kāi)度情況下車輛從0加速到60 km/h時(shí)間小于10 s，計(jì)算得出ΔT2的理論最大值為7.85 N·m?；谝陨戏治鲈O(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)模式轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模糊控制器，其控制器輸入變量為電機(jī)轉(zhuǎn)速n和加速踏板開(kāi)度θ，輸出變量為經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT2。

經(jīng)濟(jì)模式優(yōu)化識(shí)別的隸屬度函數(shù)如圖9所示，模糊規(guī)則如表2所列。

表2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩ΔT2模糊推理規(guī)則

4 控制策略仿真驗(yàn)證

4.1 控制策略仿真流程

純電動(dòng)汽車在不同模式下加速輸出轉(zhuǎn)矩模糊控制仿真流程如圖10所示。為保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全，當(dāng)駕駛員需求轉(zhuǎn)矩ΔTreq與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出能力不符時(shí)，必須限制輸出轉(zhuǎn)矩。

4.2 仿真結(jié)果與分析

以某純電動(dòng)汽車作為仿真車輛，通過(guò)設(shè)置不同的加速踏板開(kāi)度來(lái)驗(yàn)證不同模式下輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略的有效性。

該純電動(dòng)汽車整車參數(shù)及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如表3所列。

表3 某純電動(dòng)汽車整車及動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)

仿真設(shè)置了2種不同的加速踏板開(kāi)度工況（工況1和工況2）。2種工況下純電動(dòng)汽車加速仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。

仿真結(jié)果表明，動(dòng)力模式下的輸出轉(zhuǎn)矩大于常規(guī)模式，并且隨加速踏板開(kāi)度及其變化率的增大，動(dòng)力優(yōu)化轉(zhuǎn)矩增大，加速時(shí)間縮短，加速性能顯著增強(qiáng)；經(jīng)濟(jì)模式下的輸出轉(zhuǎn)矩小于常規(guī)模式，并且隨加速踏板開(kāi)度及其變化率的增大，經(jīng)濟(jì)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩增大，加速度明顯減小，提高了加速舒適性。

通過(guò)對(duì)常規(guī)模式、動(dòng)力模式和經(jīng)濟(jì)模式的仿真分析，得到3種模式下加速時(shí)間和續(xù)駛里程，如表3和表4所列。

表3 3種模式下加速時(shí)間仿真結(jié)果

表4 3種模式下續(xù)駛里程仿真結(jié)果

從表3和表4可知，動(dòng)力模式相比常規(guī)模式明顯縮短了加速時(shí)間，提升了整車加速性能；經(jīng)濟(jì)模式可以有效延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)駕駛員加速意圖設(shè)置了常規(guī)、動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)3種模式，其中常規(guī)模式以線性穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制策略輸出轉(zhuǎn)矩，動(dòng)力模式和經(jīng)濟(jì)模式在常規(guī)模式輸出轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上基于模糊控制對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化。分析結(jié)果表明，動(dòng)力模式可提高整車加速性能，經(jīng)濟(jì)模式可延長(zhǎng)整車?yán)m(xù)駛里程。

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3 王佳,楊建中,蔡志標(biāo),等.基于模糊控制的純電動(dòng)轎車整車優(yōu)化控制策略.汽車工程,2009,31（4）:362～365.

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年9月11日。

Output Torque Optimum Control Strategy of Pure Electric Vehicle (PEV)in Acceleration Based on Fuzzy Control

Chen Long,Cheng Wei,Xu Xing,Sun Xiaodong
（Jiangsu University）

To make the accelerating output torque of pure electric vehicle(PEV)fully accord with driver’s intention,we design three driving modes for drivers,i.e.normal mode,dynamic mode and economic mode.In the normal mode,basic output torque could be determined based on linear stationary driving torque control strategy.In the dynamic mode,fuzzy control algorithm utilizes the accelerator pedal position and its change rate as the input,the dynamic optimal torque as the output,increasing the basic driving torque.In the economic mode,fuzzy control algorithm utilizes the accelerator pedal position and motor speed as the input,the economic optimal torque as the output,decreasing the basic driving torque.The simulation result shows that the above control strategy accords well with driver’s intention,achieving the desired control purpose in each mode.

Pure electric vehicle(PVE),Drive mode,Accelerating output torque,Fuzzy control strategy

純電動(dòng)汽車 駕駛模式 加速輸出轉(zhuǎn)矩 模糊控制策略

U469.72

A

1000-3703（2015）04-0056-06

國(guó)家863項(xiàng)目節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目(2012AA111401)；國(guó)家(財(cái)政部、工信部、科技部)“新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程”項(xiàng)目。