基于模糊控制的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究

丁宇珊　宋百玲

摘 要：科學(xué)分析了ECE制動(dòng)政策法規(guī)，為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的合理分配，設(shè)計(jì)模糊控制器，該控制器的輸入?yún)?shù)包括制動(dòng)強(qiáng)度z、電池荷電狀態(tài)SOC和車速v，而輸出參數(shù)則是制動(dòng)能量回收比例系數(shù)K。建立了基于模糊控制的制動(dòng)能量回收控制策略的仿真模型并仿真，結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的控制策略可以確保車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性，并使車輛在制動(dòng)過程中回收較多能量。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 再生制動(dòng) ADVISOR 制動(dòng)力分配 模糊控制

0 前言

再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)⑵囎陨淼尿?qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為其他形式能量存儲，降低成本[1]，合理的控制策略能有效提高能量回收利用率。韓國Sunkyunkwan大學(xué)的Yeo等人[2]在混合動(dòng)力汽車智能算法中應(yīng)用模糊算法，設(shè)計(jì)調(diào)整方案，并建立了硬件實(shí)體模型。文獻(xiàn)[3]提出的制動(dòng)策略是在滿足ECE法規(guī)要求的基礎(chǔ)上以制動(dòng)強(qiáng)度作為制動(dòng)力分配的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建仿真模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將仿真結(jié)果與ADVISOR策略對比，在高速公路工況下，回收效率相仿。本文在進(jìn)行了相關(guān)法規(guī)的研究和制動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種模糊控制器，該控制器以充電電池SOC、制動(dòng)強(qiáng)度z和車輛時(shí)速v作為輸入，以制動(dòng)能量回收比例系數(shù)K作為輸出。利用電機(jī)的制動(dòng)反饋，調(diào)節(jié)摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)力的比例，不影響汽車制動(dòng)穩(wěn)定性并提高整車制動(dòng)能量回收利用效率。

1 制動(dòng)力分析

如圖1對制動(dòng)中的汽車進(jìn)行力學(xué)分析[7]時(shí)，忽略滾動(dòng)阻力和影響。車輛保持前后輪同時(shí)抱死，才能保證制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性[4]。

（1）

公式（1）即為理想制動(dòng)力分配邊界曲線[5]（I 曲線）（如圖2所示）的表達(dá)式。L為前、后車軸之間的距離；為汽車質(zhì)心高度，m為汽車總質(zhì)量；hg為重力系數(shù)；Fuf為前軸所需制動(dòng)力；Fur為后軸所需制動(dòng)力。

在實(shí)際行車制動(dòng)中通常會優(yōu)先施加較大的制動(dòng)力于前輪，以使前輪比后輪先抱死狀態(tài)。即：

（2）

聯(lián)合國組織歐洲委員會公布了ECE R13汽車安全性制動(dòng)政策法規(guī)[6]。主要規(guī)定內(nèi)容為：

（1）當(dāng)乘用車地面附著系數(shù)φ在0.2～0.8范疇內(nèi)的路面行駛時(shí)，制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.1+0.85（φ-0.2），即φ≤（z+0.07）/0.85時(shí)，前輪的地面附著系數(shù)曲線處在后輪以上的區(qū)域，避免后輪抱死產(chǎn)生側(cè)滑。

（2）當(dāng)0.3≤z≤0.4時(shí)，后輪利用附著系數(shù)曲線在直線φ=z+0.05下方的要求也必須滿足。

所以ECE制動(dòng)法規(guī)邊界曲線（M曲線）（圖2所示）表達(dá)式為：

（3）

圖2中兩條線分別為由式（1）所得的I曲線及由公式（3）所得的M曲線，在I曲線和M曲線之間區(qū)域內(nèi)可以確保安全制動(dòng)。

2 再生制動(dòng)控制策略

有效的制動(dòng)力分配范圍為圖2中的I曲線和M曲線之間[7]。理想制動(dòng)力分配控制策略能充分利用地面附著系數(shù)，提高汽車制動(dòng)安全性和穩(wěn)定性，在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)，具有較高的能量回收率，但協(xié)調(diào)系數(shù)難度較高；最大能量回收控制策略的能量回收率高，但制動(dòng)穩(wěn)定性差，控制系統(tǒng)復(fù)雜；并聯(lián)控制策略穩(wěn)定性較可靠，但回收率低[9]。綜上所述，本文選用理想制動(dòng)力分配控制策略。

理想制動(dòng)力分配[8]是按圖2中的I曲線進(jìn)行分配。圖3為該控制策略的分配曲線，主要分為OA（駕駛員需求制動(dòng)強(qiáng)度小于0.15）和BC（需求制動(dòng)強(qiáng)度大于0.15）兩段來表示制動(dòng)力的分配過程。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種模糊控制器來控制混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)能量回收利用[10]。輸入?yún)?shù)為制動(dòng)強(qiáng)度z、電池荷電狀態(tài)SOC和車速v，輸出參數(shù)則是電機(jī)制動(dòng)力與總制動(dòng)力的比例系數(shù)K。原理如圖4所示。

3.1 隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

制動(dòng)強(qiáng)度z，電池SOC數(shù)值，車速v，模糊語言皆為低、中、高，模糊子集皆為[L，M，N]，論域分別為[0，0.9]，[0，1]，[0，120]，其中L、N為高斯型函數(shù)，M為鐘型函數(shù)[11]。

電機(jī)制動(dòng)比例K的論域?yàn)閇0，1]，模糊子集為[VL、L、M、N、VN]，VL表示摩擦制動(dòng)供給所有制動(dòng)力，電機(jī)不參與；L表示電機(jī)供給較少制動(dòng)力；M表示電機(jī)制動(dòng)是中等水平；N表示主要由電機(jī)供給；VN表明幾乎所有的制動(dòng)力由電機(jī)供給。

結(jié)合模糊控制器結(jié)構(gòu)原理，制定模糊規(guī)則如表1所示。

根據(jù)模糊規(guī)則，四者關(guān)系如圖5所示。

4 制動(dòng)能量回收建模與仿真

4.1 制動(dòng)力分配規(guī)則

再生制動(dòng)時(shí)按照整車實(shí)況車速查表[12]及計(jì)算總制動(dòng)力所需，根據(jù)實(shí)況車速分配制動(dòng)力[13]，圖6為制定的制動(dòng)力分配規(guī)則。

根據(jù)再生控制策略的制動(dòng)力分配參數(shù)，得出各制動(dòng)力分配系數(shù)與車速之間的變化。如圖7。

4.2 再生制動(dòng)模糊控制策略模型

圖8所示為理想制動(dòng)力分配策略和模糊控制策略優(yōu)化的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)原理框圖。

（1）理想制動(dòng)力分配策略模型

圖4中的OA段，BC段分配制動(dòng)力，仿真模型如圖9，10。

（2）再生制動(dòng)模糊控制策略模型

確定前，后向路徑制動(dòng)強(qiáng)度，依據(jù)實(shí)際行車狀態(tài)，構(gòu)建前，后向再生制動(dòng)模糊控制策略模型如圖11，12所示。

4.3 再生制動(dòng)控制策略仿真分析

4.3.1 仿真工況

選擇NEDC循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析。NEDC屬于城市工況，汽車啟停頻次多，制動(dòng)次數(shù)也相對較多，整車車速變化較大[14]。如圖13所示為NEDC工況中車速隨時(shí)間的變化

4.3.2 仿真分析

（1）制動(dòng)穩(wěn)定性分析

圖14所示為在CYC_ NEDC工況下仿真時(shí)車速隨時(shí)間變化曲線與工況車速要求對比圖。

由圖14可以看出，車輛能夠完全按照仿真工況實(shí)時(shí)車速要求完成整個(gè)仿真過程，說明所設(shè)計(jì)的控制策略能優(yōu)化再生制動(dòng)力比例并保證車輛制動(dòng)的安全性和穩(wěn)定性。

（2）再生制動(dòng)力分配分析

所設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制策略制動(dòng)與原車再生制動(dòng)控制策略電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對比如圖14所示。

圖15中，轉(zhuǎn)矩為正，負(fù)時(shí)分別表示汽車運(yùn)行在驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)狀態(tài)。車輛再生制動(dòng)時(shí)，所設(shè)計(jì)的模糊控制策略下電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值高于軟件自帶的控制策略，分配到了更多的再生制動(dòng)力，提高了再生制動(dòng)力的分配比例，有利于制動(dòng)能量回收，與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

（3）制動(dòng)能量回收效果分析

圖16為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在CYC_? NEDC工況下分別在兩種控制策略下仿真的SOS變化曲線對比。由圖16可知，所設(shè)計(jì)的控制策略在仿真過程中SOC值一直要略高于軟件自帶控制策略模型下的SOC值，有利于提升混合動(dòng)力汽車的能量利用率，增加續(xù)駛里程，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

整車消耗總能量、制動(dòng)消耗總能量、制動(dòng)回收能量數(shù)據(jù)如表2所示。所設(shè)計(jì)控制策略不僅整車消耗能量略低于軟件自帶控制策略，同時(shí)在制動(dòng)回收能量方面也略高。在制動(dòng)能量回收效率上提高了4.3%。

5 結(jié)論

（1）對混合動(dòng)力汽車制動(dòng)狀況進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)合ECE制動(dòng)法規(guī)的要求，明確汽車安全制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力范圍在I曲線下方且在M曲線上方的區(qū)域內(nèi)。

（2）設(shè)計(jì)了輸入?yún)?shù)為制動(dòng)強(qiáng)度z、電池荷電狀態(tài)SOC和車速v，制動(dòng)能量回收比例系數(shù)K為輸出的模糊控制器，并根據(jù)27個(gè)模糊規(guī)則來進(jìn)行制動(dòng)力分配。

（3）建立模糊控制仿真模型和整車模型，在選定的CYC-NEDC循環(huán)工況下對制動(dòng)穩(wěn)定性、再生制動(dòng)力分配狀況、制動(dòng)能量回收效果進(jìn)行仿真，結(jié)果表明基于模糊控制的控制策略能提高制動(dòng)能量回收的效率，有助于混合動(dòng)力汽車的續(xù)駛里程的提升。有一定的實(shí)用性，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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