基于模糊規(guī)則的電動汽車機電復(fù)合制動力分配策略

王 健，盤朝奉，陳 燎，李仲興，方 恩，林俊良

(1.江蘇大學(xué) 汽車工程研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.上海汽車集團股份有限公司， 上海 201804)

傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車排放帶來的環(huán)境問題日益嚴重，汽車工業(yè)由傳統(tǒng)車輛向新能源車輛轉(zhuǎn)型，綜合考慮國家要求、居民生活以及國內(nèi)外市場需求，發(fā)展新能源汽車是十分必要的。新能源汽車的主要發(fā)展方向就是電動汽車以及混合動力汽車，故對相應(yīng)的適配技術(shù)提出了更高的要求。據(jù)相關(guān)研究表明：車輛在制動過程中，在典型城市工況下由傳統(tǒng)制動系統(tǒng)帶來的能量損失占工況總需求能量的30%～50%，此部分能量大多轉(zhuǎn)化為熱能消耗[1]。而電機參與驅(qū)動的新能源車輛可通過電機的反電動勢進行能量回收，同時提供部分電機制動力參與制動，以提高整車的能量利用率，延長車輛續(xù)駛里程[2]。電機參與驅(qū)動車輛的制動系統(tǒng)由兩部分組成：電機制動系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)(機械制動系統(tǒng))，通過二者動態(tài)調(diào)節(jié)完成整車的制動過程(機電復(fù)合制動過程)。

綜合國內(nèi)外圍繞復(fù)合制動系統(tǒng)的研究主要有3個方面：復(fù)合制動系統(tǒng)制動能量回收效率及儲能單元設(shè)計，基于復(fù)合制動系統(tǒng)下的車輛穩(wěn)定性問題，復(fù)合制動系統(tǒng)機電制動力分配策略及算法。為了進一步提高制動能量回收效率，機電制動力分配策略及算法是其核心問題，國內(nèi)外的汽車生產(chǎn)廠商以及高校對其相關(guān)問題進行了研究[3]。張京明等[4]針對某款混合動力汽車，提出了一種基于并行控制的機電復(fù)合制動控制策略，該策略不需要對傳統(tǒng)制動系統(tǒng)進行修改，通過改變液壓制動的介入方式和時間實現(xiàn)復(fù)合制動。Khaled等[5]依據(jù)ECE(economic commission of europe) 法規(guī)深入研究了電機復(fù)合制動過程，深入分析了前后軸制動力分配系數(shù)，使用滑?？刂七M行穩(wěn)定性調(diào)校。Zhao等[6]針對電控液壓制動、電動機械制動等制動系統(tǒng)，設(shè)計了以提高制動能量回收率為目標的制動分配策略，并在試驗樣車上進行試驗。為了優(yōu)化機電制動力動態(tài)耦合，各大汽車及零部件生產(chǎn)廠商提出了不同的電子液壓制動系統(tǒng)的解決方案，其目的為實現(xiàn)液壓制動系統(tǒng)的獨立控制。Toyota公司生產(chǎn)的Prius 所采用的第一、第二代電子液壓制動系統(tǒng)(EHB)以及Bosch公司的Ibooster和ESP-hev制動力控制系統(tǒng)實現(xiàn)了輪缸壓力與主缸壓力的解耦，可進行輪缸壓力的獨立調(diào)節(jié)。

將綜合考慮ECE法規(guī)要求以及理想制動力分配要求，依據(jù)模糊控制理論提出一種以能量回收效率最優(yōu)的制動力分配策略。以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)建立電子液壓制動系統(tǒng)模型以及電機制動系統(tǒng)模型對此分配策略進行仿真驗證。

1 機電復(fù)合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用的某小型前驅(qū)電動轎車的整車參數(shù)如表1所示。機電復(fù)合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由無源串聯(lián)再生制動系統(tǒng)及電子液壓制動系統(tǒng)組成，無源串聯(lián)再生制動系統(tǒng)在進行能量回收的同時產(chǎn)生電機制動力，此再生制動系統(tǒng)通過半控制整流橋控制回收過程中充電電流的大小實現(xiàn)電機制動力的控制[7]。

表1 電動汽車整車參數(shù)

圖1 機電復(fù)合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子液壓制動系統(tǒng)可實現(xiàn)主缸與輪缸的解耦，獨立控制輪缸壓力。在制動過程中，為了提高制動能量的回收效率，優(yōu)先采用電機制動原則，電子液壓制動系統(tǒng)進行跟隨補償，以滿足整車需求制動力。

2 機電復(fù)合制動系統(tǒng)建模

2.1 電機制動系統(tǒng)建模

此電機制動系統(tǒng)采用無源串聯(lián)再生制動系統(tǒng)，由電機、電機控制器、半控整流橋、動力電池及超級電容(UC)組成。制動能量回收過程通過半控整流橋與超級電容實現(xiàn)，通過控制半控整流橋來控制電機再生電流的大小，即實現(xiàn)制動力的控制。驅(qū)動時有2種操作模式：動力電池單獨驅(qū)動及動力電池與超級電容串聯(lián)驅(qū)動[8]。電機制動系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 無源串聯(lián)再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相永磁無刷直流電機定子電壓平衡方程為：

(1)

式中：ui為三相繞組電壓；ei為三相繞組的反電動勢；ii為通過三相繞組的電流；Li為三相定子繞組自感；Lij為三相定子繞組之間的互感；Ri為三相定子繞組的相電阻；p為微分算子;此處i=a，b，c;j=a，b，c。

無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程和運動方程可分別表示為：

(2)

(3)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；ω為無刷直流電機的角速度；Bw為阻尼系數(shù)；J為電機的轉(zhuǎn)動慣量；TL為負載轉(zhuǎn)矩。

電機轉(zhuǎn)速與電機角速度的關(guān)系以及電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時繞組上產(chǎn)生的反電動勢幅值如式(4)(5)：

(4)

Ep=Ken

(5)

式中：n為電機轉(zhuǎn)速；Ke為電機反電動勢系數(shù)；Ep為反電動勢幅值。

2.2 電子液壓制動系統(tǒng)模型

所要求電子液壓制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與常用底盤液壓控制單元相同，為了在進行獨立增壓控制時，模擬制動踏板感覺，在主缸與液壓控制單元之間增加了踏板模擬單元，此不是研究核心，故不贅述[9-10]。液壓控制單元的物理結(jié)構(gòu)如圖3所示，實現(xiàn)機電制動力合理分配的主要元件為主動增壓單元，通過電流信號對增壓閥與減壓閥進行控制，實現(xiàn)制動過程中輪缸的增減壓。基于PID控制方法對目標壓力與實際輪缸壓力進行偏差控制，控制邏輯如圖4所示。

圖3 電子液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖

圖4 壓力控制邏輯

圖中：pref為輪缸參考壓力；preal為輪缸實際壓力；e(t)為壓力偏差；PWMmot為電機促動信號；PWMinc為增壓閥控制信號；PWMrel為減壓閥控制信號；Q為流量。

3 制動力分配策略分析

3.1 前后軸制動力分配要求

前后軸制動力分配不僅影響車輛的制動穩(wěn)定性，還將影響機電制動力的分配，進而影響再生制動過程中的能量回收效率。所以對前后軸制動力分配的限制條件進行分析，是研究分配策略的基礎(chǔ)。

在滿足制動安全的前提下，前后軸制動力分配的上限為理想制動力分配曲線，即I曲線，按照I曲線進行分配時，前后軸制動力關(guān)系如下式：

(6)

式中：Fr為后軸制動力；Ff為前軸制動力；G為車身重量；hg為車輛質(zhì)心高度；b為質(zhì)心到后軸的距離；L為軸距。

除上述要求外，ECE制動法規(guī)對雙軸轎車的前后制動力也提出了要求，當制動強度z=0.2～0.8時，前軸的利用附著系數(shù)曲線應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線之上，使前軸先抱死，保證汽車制動時的方向穩(wěn)定性；利用附著系數(shù)滿足φ≤(z+0.07/0.85)，并接近理想的φ=z曲線，以保證較高的附著利用率。對于前驅(qū)車輛ECE下邊界為：

(7)

3.2 前軸機電復(fù)合制動力分析

車輛前軸的制動力由2個部分組成：前軸液壓制動力Ff_hyd與電機制動力Ff_mot;在電機參與制動時優(yōu)先使用電機制動力，液壓制動力通過電子液壓制動系統(tǒng)獨立控制輪缸壓力來實現(xiàn)，以達到機電制動動態(tài)耦合的目的。具體表現(xiàn)形式如圖5所示。

圖5 前軸制動力耦合分析

圖5表示在某一制動過程中，前軸制動力與電機制動力與液壓制動力之間的關(guān)系，明顯看出，要想實現(xiàn)機電制動力的動態(tài)耦合，需要液壓單元具有獨立增壓的功能。

3.3 基于模糊規(guī)則的制動力分配策略

通過分析，前后軸制動力分配受I曲線與ECE法規(guī)邊界線限制，故前后軸制動力分配曲線需在二者所圍區(qū)域內(nèi)。通過分析電機電磁轉(zhuǎn)矩方程可知，電機制動力的大小受當前車速影響較大；此外回收能量存儲單元的荷電狀態(tài)會影響能量回收過程中電機與超級電容之間的電流大小，進而影響電機制動力大小。綜合考慮前后軸制動力分配規(guī)則以及電機制動力的限制因素，前后軸制動力分配為典型的非線性多變量優(yōu)化問題，故選擇模糊控制規(guī)則對多變量問題進行非線性優(yōu)化。前后軸制動力分配關(guān)系如圖6所示，在制動強度滿足z<0.2時，整車制動力由前軸承擔；制動強度z≥0.2時，在模糊區(qū)域內(nèi)按照模糊規(guī)則進行分配。進行制動力分配時，前后軸滿足以下條件：

Ff+Fr=zG

(8)

圖6中A(Ff_ECE，F(xiàn)r_ECE)點為在某制動強度下ECE法規(guī)對應(yīng)的前后軸制動力分配下限點。

圖6 前后軸制動力分配策略

B(Ff_I，F(xiàn)r_I)點為I曲線對應(yīng)的制動力分配點，兩點都滿足式(8)，則確定實際制動力分配原則為：

Ff_fuzz=Ff_ECE-qΔFf

(9)

ΔFf=Ff_ECE-Ff_I

(10)

Fr_fuzz=zG-Ff_fuzz

(11)

式中：Ff_fuzz與Fr_fuzz為模糊規(guī)則下的前后軸制動力; ΔFf為前軸制動力差;q為模糊系數(shù)。

模糊控制器的設(shè)置為3個輸入：當前車速vreal、超級電容UC及制動強度z；1個輸出：模糊因數(shù)Q。模糊因子將直接決定前后軸制動力分配點的位置。

當前車速的論域設(shè)置為[0，60]；并劃分成3個模糊子集{低，中，高}，分別用字母{L，M，H}表示；超級電容UC的論域設(shè)置為[0，1]，并劃分成3個模糊子集{低，中，高}，分別用字母{P1，P2，P3}表示；制動強度z的模糊子集被劃分成3個等級，具體表示為{小，中，大}，分別用字母表示為{S1，S2，S3}；模糊系數(shù)q劃分成3個模糊子集，分別用字母{Q1，Q2，Q3}表示，模糊規(guī)則如表2所示，隸屬度函數(shù)如圖7所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

圖7 隸屬度參數(shù)示意圖

4 分配策略驗證

4.1 制動力實驗標定

利用實際部件實驗測得的制動力或制動力矩曲線對模型進行系統(tǒng)標定。電機的制動力標定方法為：利用實驗測得電機制動力map圖，對電機制動系統(tǒng)進行建模過程的參數(shù)標定，實驗所得電機制動map圖如圖8所示。

圖8 電機制動map圖

由于液壓制動系統(tǒng)的實際增壓過程受液壓控制單元物理結(jié)構(gòu)的影響，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)較難測得，故通過液壓控制單元增壓實驗測得增壓過程曲線對模型進行標定，結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 2.5 MPa增壓標定結(jié)果

圖10 10 MPa增壓標定結(jié)果

4.2 前后軸制動力分配驗證

通過仿真驗證機電復(fù)合制動動態(tài)耦合的有效性，將通過對低速小減速度、高速小減速度及高速大減速度3個工況進行驗證，如圖11、12、13所示。

圖11 低速小減速度制動情況驗證

圖12 高速小減速度制動情況驗證

圖13 高速大減速度制動情況驗證

通過綜合分析以上3種復(fù)合制動情況，車速是電機制動力的一個主要影響因素，當最高車速為15 km/h，減速度為0.83 m/s2時，在制動起始階段電機就無法提供整車需求的減速度，需要液壓制動參與；而當最高車速為48 km/h，減速度為0.83 m/s2時，制動起始階段制動力完全由電機制動力提供；當最高車速為48 km/h，減速度為2.72 m/s2時，此時由于需求制動減速度較大，電機制動力無法滿足制動要求，故起始制動需要液壓參與。第1種與第3種情況電機充分發(fā)揮了其制動能力，本著電機制動力優(yōu)先原則，前后軸制動力分配中前軸制動力的分配要求不會影響電機制動力的大小，反之參考第3種情況，由于其在制動階段存在電機單獨制動階段，此時制動力分配將影響電機的制動力大小。通過分析，在制動減速度一定時，模糊規(guī)則分配下所得前軸制動力大于定比所得前軸制動力，且隨車速的降低前軸制動力有下降趨勢。圖14通過對比分析前后軸制動力定比分配與模糊分配規(guī)則，驗證提高能量回收效率的有效性。為進一步說明基于模糊規(guī)則制動力分配策略的優(yōu)越性，在ECE工況下進行了驗證，如圖15和表3所示。

圖14 定比分配與模糊分配能量回收對比

圖15 ECE工況下定比分配與模糊分配能量回收對比

以再生制動能量回收效率作為純電動車制動力分配的評價指標，具體計算如下：

式中：Ereg為回收能量；Ebrak為制動消耗能量；ηmec為傳動效率；ηmot為電機發(fā)電效率；ηUC為超級電容充電效率。

表3 定比分配與模糊分配能量回收效率

通過圖15可知，在ECE工況下基于模糊規(guī)則的制動力分配策略回收的能量要多于基于定比分配策略，且在較高車速情況下模糊策略的優(yōu)勢體現(xiàn)更明顯；這是因為在定比分配策略下的前軸液壓制動力無法進行動態(tài)改變，不能更大程度地發(fā)揮電機制動的潛能，即限制了電機的能量回收，反之模糊分配的優(yōu)勢在于前軸液壓制動力動態(tài)增壓，充分發(fā)揮電機制動能力，通過表3可明顯看到，在ECE工況下模糊分配比定比分配的回收效率提高了7.48%。

5 結(jié)論

針對某小型純電動轎車進行了制動力分配研究，以優(yōu)化制動能量回收效率為目標，通過將模糊控制規(guī)則應(yīng)用在前后軸制動力分配過程中，在不同的車輛及儲能單元狀態(tài)下動態(tài)調(diào)節(jié)前后軸制動分配系數(shù)，達到提高制動能量回收效率的目的。

在研究過程中以電機性能試驗結(jié)果以及某液壓控制單元增壓實驗為數(shù)據(jù)支持，建立整車復(fù)合制動力系統(tǒng)模型，對不同的工況進行了仿真驗證。結(jié)果表明：前后軸制動力分配在存在電機獨立制動過程的復(fù)合制動力階段，通過模糊規(guī)則對前后軸制動力分配，制動力能量的回收效率可提高7.48%。以此作為推廣可知，在存在電機獨立制動的過程中，車速越高，模糊規(guī)則制動力分配越能發(fā)揮其優(yōu)勢，充分利用電機的發(fā)電潛能。