基于模糊控制的純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究

楊鳳敏 汪偉 王汝佳 盛廣慶 羅金

摘? ? 要：針對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收效率較低的問(wèn)題，提出一種以制動(dòng)強(qiáng)度、電池荷電狀態(tài)和車速為輸入變量，以電機(jī)制動(dòng)力比為輸出變量的模糊控制策略。首先，對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配;其次，設(shè)計(jì)模糊控制器;最后，在ADVISOR和Simulink中建立模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：改進(jìn)后的控制策略使電池受到的最大沖擊電流減小約17 A，電池荷電狀態(tài)值比改進(jìn)前增加了0.02，汽車?yán)m(xù)駛里程提高了6.51 km;汽車在制動(dòng)時(shí)電機(jī)制動(dòng)力所占總制動(dòng)力的比例增大。所設(shè)計(jì)的制動(dòng)策略有助于汽車制動(dòng)能量的回收，有效延長(zhǎng)了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;復(fù)合電源;再生制動(dòng)控制策略;模糊控制

中圖分類號(hào)：U469.72? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-7394（2021）04-0068-08

當(dāng)前，世界各國(guó)都面臨著環(huán)境問(wèn)題。由于傳統(tǒng)燃油汽車易造成大氣污染;因此，在未來(lái)的發(fā)展中，電動(dòng)汽車具有廣闊的前景。電動(dòng)汽車具有污染小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，但是，受諸多因素影響，其續(xù)駛里程會(huì)有所減少。為解決該問(wèn)題，可以從電池儲(chǔ)能和能量回收這兩方面進(jìn)行研究。然而，目前在電池儲(chǔ)能技術(shù)方面尚未取得突破性進(jìn)展[1];因此，再生制動(dòng)能作為電池的補(bǔ)充能量，對(duì)其進(jìn)行有效回收已成為電動(dòng)汽車高效利用能源的有效途徑。

采用再生制動(dòng)技術(shù)提高電動(dòng)汽車的能量利用率和里程數(shù)，是當(dāng)前電動(dòng)汽車技術(shù)研究的重要方向之一[2-3]。趙國(guó)柱等人[4]提出了一種基于不同載荷率的再生制動(dòng)控制策略，顯著提高了車輛的制動(dòng)能量回收率，但該方法目標(biāo)較為單一，沒(méi)有考慮影響車輛再生制動(dòng)的綜合因素。劉麗君等人[5]在對(duì)再生制動(dòng)控制策略的研究中，設(shè)計(jì)了三種機(jī)電制動(dòng)控制策略，明顯提高了車輛制動(dòng)能量回收率和續(xù)駛里程數(shù)，但研究中沒(méi)有考慮到影響制動(dòng)的因素，結(jié)果與實(shí)際有些偏差。王耀南等人[6]提出一種基于模糊控制的控制策略，但所設(shè)計(jì)的模糊控制器在制動(dòng)強(qiáng)度較低時(shí)，會(huì)使驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力較小，從而使能量回收效率的提升空間減小。

本文以純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，在已有研究的基礎(chǔ)上提出一種保證電動(dòng)汽車動(dòng)力性的再生制動(dòng)控制策略，并在Simulink中建立相應(yīng)的模型進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的制動(dòng)策略能明顯提高汽車的續(xù)駛里程數(shù)和制動(dòng)效能。

1? ?再生制動(dòng)控制策略

1.1? 制動(dòng)力分配方案

ADVISOR（高級(jí)車輛仿真器）中自帶的再生制動(dòng)力分配策略是利用當(dāng)前的車速，然后通過(guò)查表法來(lái)分配汽車在制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力。車速與制動(dòng)力的比例分配系數(shù)關(guān)系如圖1所示。

由圖1可以看出，原模型的控制策略僅僅考慮了車速對(duì)其制動(dòng)的影響，而忽視了其他影響因素，導(dǎo)致該策略回收的能量非常有限，不能高效地回收汽車的制動(dòng)能。在此，對(duì)其制動(dòng)力分配作以下研究。

汽車在實(shí)際行駛過(guò)程中涉及制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)性能與前、后輪的抱死狀況及先后有著密切關(guān)系。前、后輪制動(dòng)抱死分為三種狀況：前輪先抱死;后輪先抱死;前、后輪同時(shí)抱死。第一種狀況會(huì)使汽車在制動(dòng)時(shí)失去方向，第二種狀況會(huì)使汽車在制動(dòng)時(shí)失去其穩(wěn)定性。以純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，計(jì)算所用參數(shù)如表1所示。

首先，前輪先抱死，此時(shí)前輪和后輪受地面附著力的關(guān)系表達(dá)式為：

其組成的曲線稱為[f]線組，其中，路面附著系數(shù)[φ]為0.6。

其次，后輪先抱死，其表達(dá)式為：

最后，前、后輪同時(shí)抱死，此時(shí)車輪對(duì)地面附著力的利用率最大，對(duì)前軸和后軸的制動(dòng)力需要按照I曲線來(lái)進(jìn)行分配[7]。曲線方程前輪制動(dòng)力與后輪制動(dòng)力的關(guān)系表達(dá)式為：

車輛制動(dòng)系統(tǒng)除了要盡可能提高制動(dòng)能量的回收率之外，還應(yīng)兼顧汽車的安全性。針對(duì)前軸和后軸的制動(dòng)力分配問(wèn)題，ECE制動(dòng)法規(guī)給出了明確的規(guī)定[8]：當(dāng)[φ]為[0.2 0.8]時(shí)，制動(dòng)強(qiáng)度[Z][]0.1+0.85（[φ]-0.2）。此時(shí)，ECE法規(guī)邊線即M線方程為：

式中：[Fxb1]、[Fxb2]分別是地面對(duì)前后輪的制動(dòng)力。

為使汽車在制動(dòng)時(shí)其方向能夠保證穩(wěn)定和安全，汽車前軸和后軸的制動(dòng)力在分配時(shí)范圍不應(yīng)超過(guò)安全區(qū)域[9]。將所需數(shù)據(jù)代入式（4）可繪制制動(dòng)力分配曲線圖，如圖2所示。

1.2? 制動(dòng)力分配

本文所設(shè)計(jì)的制動(dòng)控制策略按照?qǐng)D1中的曲線ABCDE分配制動(dòng)力，從而保證汽車在不同制動(dòng)強(qiáng)度下的安全性;同時(shí)，使汽車的前軸制動(dòng)力在分配時(shí)比例達(dá)到最大，以保證回收的制動(dòng)能量最大化。

結(jié)合計(jì)算公式，可求得圖2制動(dòng)力分配曲線中[B]、[C]、[D]三點(diǎn)的制動(dòng)強(qiáng)度[Z]分別為0.31、0.40、0.53。[B]點(diǎn)是M曲線與橫軸的交點(diǎn)，當(dāng)[Z]小于0.31時(shí)，按照[AB]線分配制動(dòng)力;當(dāng)[Z]在[0.31 0.40]范圍時(shí)，按照[BC]線分配制動(dòng)力;當(dāng)[Z]在[0.40 0.53]范圍時(shí)，按照[CD]線分配制動(dòng)力;當(dāng)[Z]大于0.53時(shí)，按照DE線分配制動(dòng)力。

1.3? 模糊控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，影響汽車再生制動(dòng)的因素有很多，本文選擇其中三個(gè)主要因素：制動(dòng)強(qiáng)度、電池荷電狀態(tài)、車速。以上述三個(gè)因素為輸入變量，以電機(jī)制動(dòng)力比例[K]為輸出變量，以上變量的隸屬度函數(shù)取值范圍全部為[0 1][10]。由于當(dāng)SOC大于0. 85或者小于0. 15時(shí)，對(duì)其進(jìn)行充電會(huì)影響電池的壽命[11]，故將電池SOC 劃為三個(gè)子集：{ [L]（ 低） ，[M]（ 中） ，[H]（ 高） } 。將制動(dòng)強(qiáng)度[Z]和速度[V]劃為：{ [L]（ 低） ，[M]（ 中） ，[H]（ 高） }。如圖3所示為模糊控制器隸屬度函數(shù)。表2所示為模糊控制器規(guī)則。

1.4? 仿真模型建立

在ADVISOR和Simulink中建立模型，然后，聯(lián)合MATLAB進(jìn)行仿真?？刂撇呗阅Ｐ腿鐖D4（a）、圖4（b）所示。ADVISOR整車模型如圖5所示。

從圖4可以看出，前向制動(dòng)力模型中有6個(gè)輸入信號(hào)，分別為：前輪最大制動(dòng)力信號(hào)1;當(dāng)前車軸角速度信號(hào)2;前軸的實(shí)際再生制動(dòng)力信號(hào)3;總制動(dòng)力信號(hào)4;后輪最大制動(dòng)力信號(hào)5;電池電量值SOC。同時(shí)，該模型中有2個(gè)輸出變量，分別為前、后輪實(shí)際提供的摩擦制動(dòng)力。后向制動(dòng)力模型中有5個(gè)輸入信號(hào)，分別為：起始速度信號(hào)1;下一個(gè)步長(zhǎng)的請(qǐng)求速度信號(hào)2;總制動(dòng)力需求信號(hào)3;時(shí)鐘信號(hào)Clock;電池電量值信號(hào)SOC。輸出變量2個(gè)，分別為前、后輪所需的摩擦制動(dòng)力。兩個(gè)模塊中的制動(dòng)力都按照[Z]值的范圍，以不同的模塊進(jìn)行分配。即：當(dāng) [Z]小于0.18 、屬于[0.18 0.51] 、屬于[0.51 0.63]、大于或等于0.63時(shí)，分別按照模塊[AB]、[BC]、[CD]、[DE]進(jìn)行分配。

2? ? 仿真結(jié)果分析

因ADVISOR中CYC_UDDS循環(huán)工況的制動(dòng)較為頻繁且與實(shí)際的行駛車況較為符合，故選取該工況作為仿真工況。如圖6所示為再生制動(dòng)策略改進(jìn)前后的電池SOC值。如圖7所示為再生制動(dòng)策略改進(jìn)前后純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程對(duì)比。

由圖6可知，再生制動(dòng)策略改進(jìn)后，電池SOC值高于原控制策略約0.02，即改進(jìn)后電池能耗減慢，從而提高了純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

由圖7可以看出，在電池電量幾乎耗盡時(shí)，模型中原控制策略汽車的續(xù)駛里程為35.97 km，而改進(jìn)后汽車的續(xù)駛里程為42.48 km，改進(jìn)后汽車?yán)m(xù)駛里程提高了6.51 km。

如圖8所示為再生制動(dòng)策略改進(jìn)前后的電池電流對(duì)比。如圖9所示為再生制動(dòng)策略改進(jìn)前后的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比。

由圖8可以看出，控制策略改進(jìn)后其電池電流值比原策略減小約17 A，即減少了對(duì)電池的傷害，有效延長(zhǎng)了純電動(dòng)汽車的使用壽命。

由于電機(jī)在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下輸出的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值為正，而本文的研究?jī)H僅改進(jìn)了其制動(dòng)策略，驅(qū)動(dòng)力不變;因此，圖9中電機(jī)的正轉(zhuǎn)矩是重合的。然而，當(dāng)汽車在實(shí)際制動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值為負(fù)，從圖9可以看出，改進(jìn)后的策略使輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值明顯增大，即制動(dòng)時(shí)電機(jī)制動(dòng)力所占的比例增大，從而能夠承擔(dān)較多的制動(dòng)力，回收更多的制動(dòng)能量。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收效率較低的問(wèn)題，本文制定了一種基于模糊控制的再生制動(dòng)控制策略。通過(guò)仿真，得到以下結(jié)論：（1）所設(shè)計(jì)的模糊控制策略更加明確地劃分和分配了前、后軸制動(dòng)力，在保證穩(wěn)定性前提下使前軸能承擔(dān)更高的制動(dòng)力分配比;（2）通過(guò)設(shè)計(jì)模糊控制器，建立相應(yīng)的模型，使制動(dòng)能量的回收得以增加;（3）改進(jìn)后的控制策略使電池受到的最大電流沖擊減小約17 A，電池SOC值增加了0.02，汽車?yán)m(xù)駛里程提高了6.51 km，有效延長(zhǎng)了純電動(dòng)汽車的使用壽命。

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