基于模式模糊識(shí)別的電動(dòng)車雙電機(jī)系統(tǒng)再生制動(dòng)控制

李聰波，易 茜，胡 芮，朱道光，胡 捷

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

0 引言

再生制動(dòng)是電動(dòng)汽車的特點(diǎn)之一，在制動(dòng)時(shí)電動(dòng)汽車通過(guò)反拖電機(jī)，使電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，將剎車能量轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在電池中[1]，可為驅(qū)動(dòng)過(guò)程提供動(dòng)力，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。研究表明在城市工況下，多達(dá)50%的剎車能量可以被回收利用[2]。因此，再生制動(dòng)是提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵手段之一，而再生制動(dòng)控制策略制定是否合理，對(duì)再生制動(dòng)能量回收效果有很大影響。

目前，合理分配再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力是再生制動(dòng)控制策略的主要研究?jī)?nèi)容。在保證制動(dòng)安全性的前提下，應(yīng)盡可能增大再生制動(dòng)力，從而提高再生制動(dòng)能量回收率。在電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略制定方面，一些學(xué)者展開了深入研究。Chen等[3]為探討再生制動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車能量效率的影響，開展了基于兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)和三種控制策略的實(shí)車實(shí)驗(yàn)，得出再生制動(dòng)能量回收的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Xu等[4]以需求制動(dòng)力、車速、電池核電狀態(tài)(State of Charge，SOC)及電池溫度為輸入量，以再生制動(dòng)力的大小為輸出量設(shè)計(jì)了模糊辨識(shí)器，借助模糊識(shí)別合理分配摩擦制動(dòng)力與再生制動(dòng)力的大小，從而提高能量回收率。Maia[5]則以角速度、急動(dòng)度和路面傾斜度為輸入量，以制動(dòng)力分配系數(shù)為輸出量設(shè)計(jì)了模糊辨識(shí)器，并在此基礎(chǔ)上制定了再生制動(dòng)控制策略。

但是，上述研究均未考慮到進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，多擋電動(dòng)汽車傳動(dòng)比變化對(duì)電機(jī)發(fā)電效率的影響。在再生制動(dòng)過(guò)程中，多擋電動(dòng)汽車通過(guò)換擋操作，可以增大再生制動(dòng)力的范圍，提高電機(jī)發(fā)電效率，從而提高再生制動(dòng)能量回收率[6]。基于此，Jo等[7]分析了在再生制動(dòng)時(shí)六擋混動(dòng)汽車的降擋原因，在降擋制動(dòng)中，為了確保良好的制動(dòng)力和駕駛舒適性，提出一種用于電子摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)的協(xié)同控制算法。Li等[8]以二擋變速電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，由已知的轉(zhuǎn)矩和角速度獲得理想換擋點(diǎn)，基于此制定了一種分層控制策略，以實(shí)現(xiàn)在降擋過(guò)程中再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)的聯(lián)合控制；硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，有降擋控制策略的試驗(yàn)組比沒有降擋控制策略的試驗(yàn)組多回收27.44%的能量。Yeo等[9]在傳統(tǒng)的CVT再生制動(dòng)控制策略中增加了傳動(dòng)比控制策略，利用遺傳算法優(yōu)化傳動(dòng)比，仿真結(jié)果表明優(yōu)化前后再生制動(dòng)能量回收率提高8%。

近年來(lái)，考慮到電動(dòng)汽車雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用率高于單電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)[10]，一些學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)展開研究。李聰波等[11]針對(duì)雙電機(jī)動(dòng)力耦合系統(tǒng)提出一種動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配的方法，利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，優(yōu)化后的參數(shù)能有效提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。Hu等[12]根據(jù)車速、加速度值、電池SOC對(duì)能量效率進(jìn)行優(yōu)化，決策雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)工作模式。Zhang等[13]為提高雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)公交車工作效率，提出一種簡(jiǎn)單和適應(yīng)性強(qiáng)的能量管理策略，基于兩參數(shù)模式切換控制選取最優(yōu)工作模式。

然而，以上關(guān)于雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車的研究側(cè)重于傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)能量管理策略，對(duì)制動(dòng)過(guò)程中的再生制動(dòng)策略研究較少。因此，本文以前驅(qū)純電動(dòng)汽車雙電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種兼顧電機(jī)效率和模式切換穩(wěn)定性的再生制動(dòng)控制策略。首先利用模糊控制原理，根據(jù)制動(dòng)工況輸出最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)；其次根據(jù)最大再生制動(dòng)力、車速和電機(jī)MAP圖，選擇電機(jī)效率最高的再生制動(dòng)模式。然后考慮到再生制動(dòng)模式切換時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響整車平穩(wěn)性，因此對(duì)沖擊度進(jìn)行計(jì)算和判斷，保證再生制動(dòng)模式切換的平穩(wěn)性。最后在保證制動(dòng)安全性和穩(wěn)定性的前提下，根據(jù)I曲線分配雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車前后輪制動(dòng)力。

1 雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車再生制動(dòng)模式劃分

1.1 電機(jī)效率分析

雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)用兩個(gè)中小功率電機(jī)配合工作代替一個(gè)大功率電機(jī)，以提高電機(jī)效率和能量利用率。以課題組前期所研究的前驅(qū)雙電機(jī)動(dòng)力耦合系統(tǒng)[14]為研究對(duì)象，對(duì)其再生制動(dòng)控制策略展開研究。該雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

在相同再生制動(dòng)情況下，電機(jī)發(fā)電效率越高，再生制動(dòng)能量回收率也就越高。因此，明確該雙電機(jī)發(fā)電效率分布情況能保證再生制動(dòng)模式劃分的準(zhǔn)確性，從而使各個(gè)再生制動(dòng)模式下電機(jī)效率最高。由此，以電機(jī)效率MAP圖為依據(jù)，對(duì)再生制動(dòng)模式進(jìn)行劃分，實(shí)測(cè)兩個(gè)電機(jī)M1、M2的電機(jī)效率圖如圖2所示，其中M1為主電機(jī)，M2為輔電機(jī)。

基于實(shí)測(cè)雙電機(jī)M1、M2的電機(jī)發(fā)電效率圖，改變自動(dòng)換向器C的工作位置，從而改變?cè)偕苿?dòng)系統(tǒng)速比，使雙電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入不同的再生制動(dòng)模式，此時(shí)電機(jī)分別工作在各自的高效發(fā)電區(qū)域，從而可以回收到更多的制動(dòng)能量。由雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的前期研究可知，換向器C一共有3種工作狀態(tài)，CL、CM和CR。換向器C與單向器B1、B2配合工作，形成4種再生制動(dòng)工作模式。

表1 雙電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)工作模式

1.2 模式劃分

多種再生制動(dòng)模式的配合使用可使雙電機(jī)動(dòng)力耦合系統(tǒng)中的各個(gè)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在高效的發(fā)電區(qū)域，可以充分回收制動(dòng)能量?；陔妱?dòng)汽車行駛工況，將車速分為3個(gè)區(qū)域：0～35 km/h是低速段、35～70 km/h為中速段、70～120 km/h為高速段?；趦蓚€(gè)電機(jī)的效率分布圖，以保證兩個(gè)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在發(fā)電高效區(qū)域?yàn)槟康?，進(jìn)行再生制動(dòng)模式劃分如表2所示。

表2 再生制動(dòng)模式劃分

下面對(duì)4種再生制動(dòng)模式作詳細(xì)分析：

(1)再生制動(dòng)模式1 當(dāng)換向器C處于右端工作狀態(tài)時(shí)，齒圈在單向器B2作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電機(jī)M1單獨(dú)工作發(fā)電。電動(dòng)汽車車輪處產(chǎn)生的動(dòng)能由行星架P輸入，太陽(yáng)輪S輸出再反拖電機(jī)M1，從而使電機(jī)M1處于發(fā)電狀態(tài)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存在電池中，如圖3所示。電機(jī)M1單獨(dú)工作時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系如式(1)和式(2)所示:

(1)

i0(α+1)T1=T3,

(2)

(3)

式中：n1為電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速，n3為車輪輸入再生制動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，T1為M1的轉(zhuǎn)矩，T3為車輪輸入再生制動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩，i0為固定傳動(dòng)比，ZR為齒圈齒數(shù)，ZS為太陽(yáng)輪齒數(shù)，α為行星輪系特征參數(shù)。

(2)再生制動(dòng)模式2 當(dāng)換向器C處于中間工作狀態(tài)時(shí)，由表1可知電機(jī)M2與齒圈相接，如圖3所示，此時(shí)電機(jī)M2單獨(dú)工作在發(fā)電狀態(tài)。M2單獨(dú)工作時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩計(jì)算如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

式中T2為電機(jī)M2轉(zhuǎn)矩。

(3)再生制動(dòng)模式3 當(dāng)換向器處于左端工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)電機(jī)都同時(shí)處于發(fā)電工作狀態(tài)，電機(jī)M1、M2轉(zhuǎn)矩耦合。車輪處產(chǎn)生的動(dòng)能部分經(jīng)過(guò)齒圈和換向器傳向電機(jī)M1，同時(shí)剩余部分動(dòng)能直接經(jīng)齒圈傳向電機(jī)M2，該制動(dòng)模式下能量傳遞路徑如圖4所示。再生制動(dòng)系統(tǒng)輸入輸出轉(zhuǎn)速關(guān)系如式(6)所示：

(6)

在該再生制動(dòng)模式下，由于兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作回收制動(dòng)能量，需對(duì)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理分配，保證兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作在高效區(qū)域。根據(jù)電機(jī)相似性原則對(duì)雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合再生制動(dòng)模式進(jìn)行功率等比例分配，從而保證兩電機(jī)效率較為近似且均較高[15]，此時(shí)，雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配滿足式(7)：

(7)

式中Pmax1、Pmax2分別為電機(jī)M1、M2的電機(jī)最大功率。

(4)再生制動(dòng)模式4 電機(jī)M1、M2轉(zhuǎn)速耦合，部分輸入動(dòng)能經(jīng)過(guò)太陽(yáng)輪和單向器B1傳向主電機(jī)M1，同時(shí)剩余的動(dòng)能直接經(jīng)齒圈傳遞至電機(jī)M2，采用行星輪系進(jìn)行轉(zhuǎn)速耦合，如圖4所示。電機(jī)M1、M2轉(zhuǎn)速耦合時(shí)，雙電機(jī)動(dòng)力耦合系統(tǒng)的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩關(guān)系如式(8)所示：

(8)

在該轉(zhuǎn)速耦合再生制動(dòng)模式下，需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分配，從而提高電機(jī)發(fā)電效率。因此，基于前期研究，根據(jù)工作轉(zhuǎn)矩下的最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行分配，從而滿足兩個(gè)電機(jī)發(fā)電效率的最大化。兩電機(jī)轉(zhuǎn)速分配滿足下式：

(9)

(10)

(11)

n1=knmax1，

(12)

n2=knmax2。

(13)

式中：T1、T2表示電機(jī)M1、M2處于發(fā)電工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；nmax1、nmax2為電機(jī)M1、M2的最大轉(zhuǎn)速；i1、i2為電機(jī)M1、M2單獨(dú)工作時(shí)的減速比；v為汽車時(shí)速；k為轉(zhuǎn)速比例系數(shù)n1、n2為轉(zhuǎn)速分配后電機(jī)M1和M2的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)電機(jī)在發(fā)電工作狀態(tài)下的最大制動(dòng)扭矩繪制出電動(dòng)汽車等效再生制動(dòng)力圖，基于以上對(duì)雙電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)所需再生制動(dòng)力矩和此時(shí)車速大小的分析，對(duì)再生制動(dòng)模式進(jìn)行劃分如圖5所示。

2 雙電機(jī)再生制動(dòng)模式的模糊邏輯識(shí)別

在保證制動(dòng)安全性和電機(jī)發(fā)電效率的前提下，為提高再生制動(dòng)能量回收率，應(yīng)盡可能提高再生制動(dòng)力在總制動(dòng)力中的比例。在獲取到此時(shí)的最大再生制動(dòng)力后，可根據(jù)再生制動(dòng)力和車速匹配到合適的雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車再生制動(dòng)模式，使電機(jī)工作點(diǎn)位于高效發(fā)電區(qū)域。綜上所述，獲取最大再生制動(dòng)力是保證匹配到合適再生制動(dòng)模式的重要步驟。電動(dòng)汽車制動(dòng)過(guò)程中，再生制動(dòng)力的大小受駕駛員制動(dòng)意圖、車速、電池等多種因素的影響，無(wú)法用一個(gè)具體的模型得到再生制動(dòng)力的大小。模糊控制用語(yǔ)言式的模糊變量來(lái)描述系統(tǒng)，不必對(duì)被控制對(duì)象建立完整的數(shù)學(xué)模式，具有較好的魯棒性，在不確定系統(tǒng)中廣泛使用[16]。因此，采用模糊控制原理分配電動(dòng)汽車再生制動(dòng)力。在大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于MATLAB軟件，結(jié)合模糊控制原理設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入為踏板開度、踏板開度變化率、車速和電池SOC，輸出為最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)的模糊識(shí)別器，從而獲取可靠的最大再生制動(dòng)力，最后匹配到合適的再生制動(dòng)模式。

2.1 模式模糊識(shí)別器輸入及輸出參數(shù)

(1)輸入?yún)?shù)

選擇合理的再生制動(dòng)意圖識(shí)別參數(shù)能夠保證模糊識(shí)別的準(zhǔn)確性。在行駛過(guò)程中，安裝在制動(dòng)踏板上的角度傳感器將駕駛員的制動(dòng)意圖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送至控制器進(jìn)行制動(dòng)操作。踏板傳感器所采集的信號(hào)包括踏板開度和踏板開度變化率。踏板開度越大，所需制動(dòng)力越大。踏板開度變化率的大小能夠反映出制動(dòng)的緊急程度，制動(dòng)踏板開度變化率越大，制動(dòng)情況越緊急，所需的制動(dòng)力也越大?？紤]到這兩個(gè)參數(shù)可以在第一時(shí)間直接反映出駕駛員的制動(dòng)意圖，因此踏板開度、踏板開度變化率是兩個(gè)重要的再生制動(dòng)意圖識(shí)別參數(shù)。

此外，車速是保證制動(dòng)安全性的一個(gè)關(guān)鍵影響因素，車速過(guò)低再生制動(dòng)模式無(wú)法啟動(dòng)；車速過(guò)高時(shí)，只采用純液壓制動(dòng)從而保證制動(dòng)的安全性，因此選取車速作為再生制動(dòng)意圖識(shí)別的第3個(gè)參數(shù)。電池容量和最大允許充電電流雖然起到保護(hù)電機(jī)的作用，但是電池的這些局限會(huì)降低充電效率，從而降低能量回收率，因此本文選取電池荷電狀態(tài)SOC作為第4個(gè)再生制動(dòng)意圖識(shí)別參數(shù)。

(2)輸出參數(shù)

為確保再生制動(dòng)力在安全范圍內(nèi)為最大值，且直觀反映再生制動(dòng)力的大小，則選取再生制動(dòng)力在總制動(dòng)力中所占比例γ，即最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)為模糊識(shí)別器的輸出參數(shù)，

(14)

式中：Fzs為再生制動(dòng)力矩，F(xiàn)xq為總的需求制動(dòng)力。

2.2 輸入、輸出參數(shù)的隸屬度函數(shù)

考慮到計(jì)算的簡(jiǎn)潔性和較好的適應(yīng)性，選取三角形—梯形型隸屬度函數(shù)[17]設(shè)計(jì)踏板開度、踏板開度變化率、車速、電池SOC四個(gè)參數(shù)的隸屬度函數(shù)。

通過(guò)分析大量的實(shí)車工況數(shù)據(jù)，找到踏板開度、踏板開度變化率的范圍，繪制出隸屬度函數(shù)曲線。制動(dòng)踏板開度的論域?yàn)閇0,1]，對(duì)應(yīng)的模糊子集為E(a)=[VS,S,M,L]，其中VS代表“很小”，S為“小”，M為“中”，L為“大”。制動(dòng)踏板開度變化率的論域?yàn)閇0,190]，對(duì)應(yīng)的模糊子集為E(da/dt)=[S,M,L]，對(duì)應(yīng)字母的含義如前所述。本文選取車速的論域?yàn)閇0，120]，其對(duì)應(yīng)的模糊子集為E(V)=[VS,S,M,H]，“H”表示“高”，隸屬度函數(shù)曲線如圖7所示。選取電池SOC的論域?yàn)閇0,1]，對(duì)應(yīng)的模糊子集為E(S)=[S,M,L]。輸入?yún)?shù)的隸屬度函數(shù)曲線如圖6所示。

模糊控制輸出參數(shù)最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)γ的論域?yàn)閇0,1]對(duì)應(yīng)于模糊子集E(γ)=[R0，R1，R2，R3，R4，R5，R6,R7，R8，R9，R10]，其隸屬度函數(shù)曲線如圖7所示。

2.3 模糊推理規(guī)則

模糊推理規(guī)則是模糊邏輯控制的核心。本文采用的模糊控制結(jié)構(gòu)由4個(gè)輸入量和1個(gè)輸出量組成，模糊推理規(guī)則采用Mandani法，推理規(guī)則遵循：IfAandBandCandDthenE。結(jié)合實(shí)際情況，逐一改變輸入?yún)?shù)的值，從而依次制定出模糊推理規(guī)則。根據(jù)隸屬度函數(shù)可知，共有144條模糊推理規(guī)則，其部分推理規(guī)則如表3。模糊推理規(guī)則遵循以下規(guī)律：

(1)踏板開度越大，所需制動(dòng)力越大，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)越大。

(2)踏板開度變化率增大，表明駕駛員制動(dòng)意圖越來(lái)越強(qiáng)烈，所需制動(dòng)力越大，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)也越大。當(dāng)踏板開度變化率達(dá)到緊急制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，為了保證制動(dòng)安全性，進(jìn)入緊急制動(dòng)模式，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)為0。

(3)當(dāng)車速很低時(shí)，無(wú)法啟動(dòng)再生制動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)再生制動(dòng)力為零，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)為0；當(dāng)車速低時(shí)，為了確保制動(dòng)安全性和滿足相關(guān)法規(guī)規(guī)定，再生制動(dòng)力在總制動(dòng)力中所占比例較小，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)較??；當(dāng)為中擋車速時(shí)，在滿足電機(jī)性能要求下，再生制動(dòng)力越大越好，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)增大，但受到電機(jī)性能的限制，再生制動(dòng)力不能無(wú)限增大，最大值為電機(jī)能產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)為1。當(dāng)車速高時(shí)，保證制動(dòng)安全性，不進(jìn)行再生制動(dòng)，最大再生制動(dòng)分配系數(shù)為0。

(4)當(dāng)電池SOC<0.1時(shí)，電池的內(nèi)阻很大，此時(shí)電池并不適合工作在充電狀態(tài)，因此此時(shí)再生制動(dòng)力占總制動(dòng)的比例很小，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)很?。划?dāng)電池SOC值在0.1～0.9時(shí)，電機(jī)反拖產(chǎn)生大電流對(duì)電池進(jìn)行充電，此時(shí)再生制動(dòng)力所占比例相應(yīng)的增加，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)也相應(yīng)增大；當(dāng)電池SOC>0.9時(shí)，為保護(hù)電池，充電電流將減小，此時(shí)再生制動(dòng)力為零，最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)為0。

表3 推理規(guī)則表

3 雙電機(jī)再生制動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

本文所提雙電機(jī)再生制動(dòng)控制策略由再生制動(dòng)模式選擇模塊和制動(dòng)力分配模塊組成。首先根據(jù)當(dāng)前制動(dòng)工況信息，采用模糊控制原理輸出再生制動(dòng)模式。此時(shí)，存在模式切換的情況，為保證模式切換時(shí)整車的平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)再生制動(dòng)控制策略時(shí)考慮整車沖擊度，對(duì)是否進(jìn)行制動(dòng)模式切換進(jìn)行判斷。為保證制動(dòng)的安全性，采用理想制動(dòng)分配曲線I曲線分配前后軸制動(dòng)力[18]。

3.1 再生制動(dòng)模式選擇模塊

根據(jù)車輛制動(dòng)性能要求，制動(dòng)踏板開度α與制動(dòng)減速度a呈線性關(guān)系，因此可根據(jù)制動(dòng)踏板開度α得到與之對(duì)應(yīng)的制動(dòng)減速度值a，從而由式(15)計(jì)算出需求制動(dòng)力Fxq的大小。借助MATLAB/SIMULINK平臺(tái)，設(shè)計(jì)了模糊識(shí)別器，通過(guò)模糊處理可獲得最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)γ，從而通過(guò)式(16)計(jì)算得到再生制動(dòng)力的大小，即電機(jī)在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的制動(dòng)力。再根據(jù)式(17)計(jì)算出此時(shí)的再生制動(dòng)力矩的大小。

Fxq=ma，

(15)

Fzs=γFxq，

(16)

(17)

式中：m為整車質(zhì)量，F(xiàn)zs為再生制動(dòng)力，Tzs為再生制動(dòng)力矩，rw為車輪半徑，ik表示第k種制動(dòng)模式下的傳動(dòng)比，ηT為傳動(dòng)系效率。

如果再生制動(dòng)力矩Tzs大于電機(jī)所能提供的最大制動(dòng)力矩Tmax，此時(shí)的再生制動(dòng)力矩等于Tmax，剩下的制動(dòng)力則由液壓制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償。電機(jī)能提供的最大制動(dòng)力矩：

(18)

式中：Uchg為充電過(guò)程中電池端電壓，Ichgmax為最大充電電流，ωn為電機(jī)角速度，ηm為電機(jī)發(fā)電效率。

將雙電機(jī)動(dòng)力耦合系統(tǒng)再生制動(dòng)模式劃分的規(guī)則(如圖5和表2)儲(chǔ)存在電動(dòng)汽車整車控制器中，基于再生制動(dòng)模式劃分的表格，根據(jù)模糊識(shí)別得到的再生制動(dòng)力和此時(shí)的車速，通過(guò)查表的方式匹配到合適的再生制動(dòng)模式。該再生制動(dòng)模式下的速比可以保證電機(jī)工作在高效的發(fā)電區(qū)域，從而提高電動(dòng)汽車再生制動(dòng)的能量回收率。

3.2 制動(dòng)力分配模塊

研究對(duì)象為前驅(qū)式電動(dòng)汽車，因此在前輪進(jìn)行再生制動(dòng)，前輪的制動(dòng)力由電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力和電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供的液壓制動(dòng)力共同組成，后輪只有液壓制動(dòng)力作用。在保證電動(dòng)汽車制動(dòng)安全性的前提下，制動(dòng)力分配模塊的主要作用是合理分配3種制動(dòng)力的大小。

當(dāng)電動(dòng)汽車前后軸制動(dòng)力分配符合理想制動(dòng)力分配曲線(Ⅰ曲線)時(shí)，地面附著力可以被電動(dòng)汽車充分利用，從而保證汽車制動(dòng)的穩(wěn)定性。因此，采用理想的前后輪地面制動(dòng)力分配Ⅰ曲線對(duì)前后輪制動(dòng)力進(jìn)行分配。前輪地面總的制動(dòng)力

Fq=zmg(b+zhg)/L。

(19)

式中：b為汽車質(zhì)心至后軸距離，hg為汽車質(zhì)心高度，L為汽車軸距。

因?yàn)檠芯繉?duì)象為前驅(qū)電動(dòng)汽車的雙電機(jī)系統(tǒng)，所以再生制動(dòng)力全部作用于電動(dòng)汽車的前輪，同時(shí)前輪制動(dòng)力由再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力共同組成，因此前輪液壓制動(dòng)力

Fq1=Fq-Fzs。

(20)

根據(jù)Ⅰ曲線，對(duì)前后輪制動(dòng)力進(jìn)行分配，得到后輪的制動(dòng)力

(21)

3.3 考慮模式切換平穩(wěn)性的再生制動(dòng)控制策略

再生制動(dòng)控制策略包含僅有再生制動(dòng)力作用、僅有液壓制動(dòng)力作用、再生制動(dòng)力與液壓制動(dòng)力共同作用3種制動(dòng)方式。汽車制動(dòng)時(shí)的減速度與重力加速度的比值稱為制動(dòng)強(qiáng)度z，其反映了駕駛員制動(dòng)的制動(dòng)意圖，則根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度z對(duì)制動(dòng)方式進(jìn)行劃分，如表4所示。

表4 雙電機(jī)電動(dòng)汽車制動(dòng)方式劃分

當(dāng)再生制動(dòng)開啟后，進(jìn)入再生制動(dòng)模式選擇模塊，根據(jù)當(dāng)前制動(dòng)工況，采用模糊控制原理輸出最大再生制動(dòng)力分配系數(shù)，根據(jù)該系數(shù)和車速匹配到電機(jī)發(fā)電效率最高的再生制動(dòng)模式。此時(shí)可能存在再生制動(dòng)模式切換的情況，模式切換前后的速度差會(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，影響整車制動(dòng)的穩(wěn)定性[19]。本文采用沖擊度J來(lái)表示模式切換時(shí)的整車的平穩(wěn)性，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求沖擊度小于10 m/s3，國(guó)標(biāo)沖擊度推薦值為小于17.64 m/s3。

為保證制動(dòng)模式切換時(shí)的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)再生制動(dòng)控制策略時(shí)，首先根據(jù)式(22)計(jì)算沖擊度J的大??；然后根據(jù)制動(dòng)模式切換時(shí)的沖擊度對(duì)是否進(jìn)行模式切換進(jìn)行判斷，若沖擊度值小于德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求的10 m/s3，則進(jìn)行模式切換，否則按原有雙電機(jī)工作模式進(jìn)行制動(dòng)。

(22)

在再生制動(dòng)控制策略的作用下3種再生制動(dòng)方式切換使用，根據(jù)模式切換時(shí)的沖擊度值對(duì)是否進(jìn)行模式切換進(jìn)行判斷。從而在保證模式切換穩(wěn)定性和制動(dòng)安全性的前提下提高再生制動(dòng)能量回收率，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(如圖8)：

(1)輸入踏板開度、踏板開度變化率、車速、電池SOC。

(2)車速過(guò)低，可用于回收的制動(dòng)能量較少，為了保護(hù)電動(dòng)汽車制動(dòng)的穩(wěn)定性不進(jìn)行再生制動(dòng)。因此，當(dāng)車速小于5 km/h，不開啟再生制動(dòng)模式，制動(dòng)過(guò)程中只有液壓制動(dòng)力起作用；車速大于5 km/h，開啟再生制動(dòng)模式。

(3)判斷電池SOC值，為了保護(hù)電池，當(dāng)SOC>0.9時(shí)不進(jìn)行再生制動(dòng)，制動(dòng)力全部由液壓制動(dòng)力提供；當(dāng)SOC<0.9時(shí)開啟再生制動(dòng)模式。

(4)當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度大于0.65時(shí)，制動(dòng)力全部都由液壓制動(dòng)力提供；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度小于0.65時(shí)，開啟再生制動(dòng)模式。

(5)開啟再生制動(dòng)模式后，進(jìn)入再生制動(dòng)模式模糊識(shí)別模塊，從而獲得再生制動(dòng)力的值。利用再生制動(dòng)力的大小和當(dāng)前車速匹配到再生制動(dòng)模式。

(6)計(jì)算模式切換時(shí)的沖擊度，如果沖擊度值大于10 m/s3，不進(jìn)行模式切換；若小于10 m/s3則進(jìn)行模式切換。

(7)對(duì)制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行再次判別，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度小于0.1時(shí)，制動(dòng)力全部由電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度大于0.1時(shí)，隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增大，電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力隨之增大。由于電機(jī)性能會(huì)限制再生制動(dòng)力的大小，當(dāng)前輪所需制動(dòng)力大于電機(jī)所能提供的最大制動(dòng)力矩時(shí)，再生制動(dòng)力取電機(jī)所能提供的最大再生制動(dòng)力，同時(shí)剩下的制動(dòng)力由液壓制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償。

(8)進(jìn)入制動(dòng)力分配模塊，利用理想I曲線分配前后輪制動(dòng)力，最后得到再生制動(dòng)力、前輪液壓制動(dòng)力、后輪制動(dòng)力的值。

4 仿真分析

4.1 控制策略整車仿真分析

利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的基于模式模糊識(shí)別的雙電機(jī)再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行整車仿真分析，整車參數(shù)如表5所示。在仿真模型中，前輪的制動(dòng)力由再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力共同組成，而后輪只有液壓制動(dòng)力作用，且只有前輪的制動(dòng)能量可以被回收。

表5 整車參數(shù)

搭建仿真平臺(tái)時(shí)，電池的充電效率包括電池充電電能效率和電池庫(kù)倫效率的乘積[20]：

(23)

式中：E為電池電動(dòng)勢(shì)；I為電池電流；R為電池內(nèi)阻；Idis、Ichg分別為電池的放、充電電流；tdis、tchg為電池放、充電時(shí)間。

在新歐洲行駛循環(huán)工況(New European Driving Cycle，NEDC)下進(jìn)行了仿真分析，設(shè)置初始電池SOC的值為0.8。NEDC工況下車速的變化如圖9所示，電池SOC的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖9和圖10可知，在一個(gè)完整的NEDC循環(huán)工況下，當(dāng)車速增加時(shí)，電動(dòng)汽車的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，輸出能量從而使電動(dòng)汽車車速增大，電池放電消耗能量，因此圖中SOC值降低。當(dāng)車輛處于制動(dòng)狀態(tài)，再生制動(dòng)模式開啟，此時(shí)兩個(gè)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，把車輛的剎車能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中，則電池SOC值增大。該仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

為了驗(yàn)證該再生制動(dòng)控制策略的有效性，在NEDC工況下對(duì)整車的再生制動(dòng)模式選擇情況和兩個(gè)電機(jī)效率點(diǎn)的分布情況進(jìn)行了仿真。由圖11可知，當(dāng)車速較低時(shí)，開啟再生制動(dòng)模式1，電機(jī)M1單獨(dú)工作，且90%的情況下電機(jī)M1電機(jī)效率在85%以上，效率較高；當(dāng)車速較高時(shí)，開啟再生制動(dòng)模式2或3，電機(jī)M2單獨(dú)工作或電機(jī)M1和M2轉(zhuǎn)矩耦合，電機(jī)M1和電機(jī)M2的平均效率為87%；當(dāng)車速增大至高于70 km/h時(shí)，開啟再生制動(dòng)模式4，電機(jī)M1和M2轉(zhuǎn)速耦合工作，效率點(diǎn)大多分布在高效區(qū)間。由圖9可知，NEDC工況下處于較高車速的時(shí)間不長(zhǎng)，因此選擇再生制動(dòng)模式4的情況較少，符合實(shí)際情況。通過(guò)以上分析可知，再生制動(dòng)模式仿真結(jié)果與理論模式分析結(jié)果一致，基于模式選擇的再生制動(dòng)控制策略符合實(shí)際要求。

NEDC工況下模式切換過(guò)程沖擊度變化如下圖所示，由圖(12)可知，沖擊度值均小于10 m/s3，驗(yàn)證了本文所制定的再生制動(dòng)控制策略在制動(dòng)模式切換時(shí)的平穩(wěn)性。

4.2 對(duì)比分析

為了更好地驗(yàn)證該再生制動(dòng)控制策略在能量回收方面的優(yōu)勢(shì)，在NEDC工況下，將本文所提雙電機(jī)再生制動(dòng)控制策略與只利用功率較小的輔電機(jī)M2發(fā)電進(jìn)行再生制動(dòng)的控制策略進(jìn)行仿真對(duì)比分析，能量回收情況如圖13所示。

由圖13可知，在一次NEDC循環(huán)工況下，雙電機(jī)動(dòng)力耦合電動(dòng)汽車完成一次循環(huán)工況總共消耗的能量約為5.383×106J。本文將通過(guò)再生制動(dòng)回收的能量與總的消耗能量的比值稱為再生制動(dòng)能量回收率。采用本文所提再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行循環(huán)工況整車仿真時(shí)，結(jié)果表明通過(guò)再生制動(dòng)回收的能量約為1.501×106J，能量回收率為27.9%。采用對(duì)比再生制動(dòng)控制策略時(shí)，回收的能量約為1.315×106J，能量回收率為24.4%。雙電機(jī)電動(dòng)汽車采用基于模式模糊識(shí)別的再生制動(dòng)控制策略回收的能量比只采用輔電機(jī)發(fā)電的再生制動(dòng)策略回收的能量多14.3%，具有良好的能量回收效果。

綜上所述，基于模式模糊識(shí)別的再生制動(dòng)控制策略可以滿足駕駛員的制動(dòng)意圖要求，同時(shí)在保證模式切換平穩(wěn)性的前提下，可以提高電動(dòng)汽車的能量回收率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于模式模糊識(shí)別的再生制動(dòng)控制策略,以保證兩個(gè)電機(jī)工作在發(fā)電高效區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，分析得到了4種再生制動(dòng)模式。在不同制動(dòng)工況下，4種制動(dòng)模式相互切換使用，提高各個(gè)電機(jī)的發(fā)電效率，從而充分回收制動(dòng)能量，提高再生制動(dòng)的能量回收率。利用模糊控制原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊識(shí)別器用于再生制動(dòng)模式的選擇。該模糊識(shí)別器以制動(dòng)踏板開度、制動(dòng)踏板開度變化率、車速、電池SOC為輸入，再生制動(dòng)力系數(shù)為輸出。再根據(jù)輸出的再生制動(dòng)力系數(shù)和車速，匹配到了合適的再生制動(dòng)模式。為保證制動(dòng)模式切換的穩(wěn)定性，根據(jù)沖擊度對(duì)制動(dòng)模式切換進(jìn)行判斷。

仿真結(jié)果表明，在NEDC循環(huán)工況下，雙電機(jī)電動(dòng)汽車采用文中所提出的再生制動(dòng)控制策略，再生制動(dòng)能量回收率為27.9%，與只采用輔電機(jī)發(fā)電的再生制動(dòng)控制策略相比，能量回收率提高14.3%，具有明顯的節(jié)能效果。同時(shí)，在本文再生制動(dòng)控制策略下，制動(dòng)模式切換的沖擊度值滿足德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，保證了再生制動(dòng)模式切換的穩(wěn)定性。

本文主要研究了電動(dòng)汽車雙電機(jī)系統(tǒng)的再生制動(dòng)控制問(wèn)題，然而雙電機(jī)動(dòng)力耦合裝置在模式切換的過(guò)程中具有動(dòng)力耦合變化與遲滯等特性，所以模式切換過(guò)程中的再生制動(dòng)力變化同樣會(huì)對(duì)再生制動(dòng)回收的能量與車輛沖擊度產(chǎn)生影響。因此，探究雙電機(jī)系統(tǒng)模式切換過(guò)程中再生制動(dòng)力變化和再生制動(dòng)回收的能量、車輛沖擊度的關(guān)聯(lián)關(guān)系將是下一步的研究重點(diǎn)。