郭志軍，岳東東，聶彥鑫，雷宇凝

（1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300；3.北京新東方揚(yáng)州外國語學(xué)院 國際中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225006）

1 引言

制動(dòng)能量回收是電動(dòng)汽車節(jié)能降耗的重要方式之一。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)被控作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行在第四象限內(nèi)，將整車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，最終儲(chǔ)存在動(dòng)力電池組或超級(jí)電容中，從而有效的提高整車的能量利用效率[1-2]。由于制動(dòng)安全性、可靠性、駕駛舒適性以及電機(jī)電池特性等都限制著再生制動(dòng)力的大小，因此整車制動(dòng)離不開傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)。為了在確保制動(dòng)安全性和舒適性的前提下，實(shí)現(xiàn)最大化回收制動(dòng)能量，必須制定合理的控制策略，以解決前后輪制動(dòng)力分配問題，協(xié)調(diào)好驅(qū)動(dòng)輪上再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)之間的關(guān)系[3-4]。針對(duì)某款前驅(qū)純電動(dòng)汽車，通過對(duì)制動(dòng)力安全分配區(qū)域的分析，提出一種基于ECE法規(guī)和模糊控制的再生制動(dòng)控制策略，并針對(duì)控制策略建立了simulink模型，最后嵌入AVL-CRUISE整車模型進(jìn)行了仿真分析。

2 制動(dòng)力分配系統(tǒng)

2.1 安全制動(dòng)力區(qū)域

汽車在制動(dòng)過程中，前、后車輪同時(shí)抱死時(shí)前、后輪制動(dòng)力的關(guān)系曲線—理想的前、后輪制動(dòng)力分配曲線，簡(jiǎn)稱I曲線[5]，如圖1所示，其曲線方程：

式中：G—汽車重力；hg—質(zhì)心高度；b—質(zhì)心至后軸的距離；L—汽車軸距；Ffb、Frb—前、后輪制動(dòng)力。

圖1中f線為某一附著條件下前輪抱死的曲線，其曲線方程：

式中：φ—路面附著系數(shù)（這里取0.7）。

M線是由依據(jù)ECE法規(guī)制定的，它限制了制動(dòng)時(shí)后輪最小的制動(dòng)力，其曲線方程：

圖1 制動(dòng)力分配區(qū)域Fig.1 The Distribution Area of Braking Force

由I線、f線、M線和橫坐標(biāo)軸共同圍成的范圍稱為安全區(qū)域[6]，前后輪制動(dòng)力分配不能超過此區(qū)域。

2.2 前、后制動(dòng)力分配

為了提高制動(dòng)能量回收率，在制動(dòng)力分配的安全區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡量增大前輪制動(dòng)力分配比例，前、后制動(dòng)力分配應(yīng)按M線進(jìn)行分配。為了簡(jiǎn)化和減少計(jì)算量，用其切線AB來代替，由于M線是二元二次方程，首先對(duì)M線在［1500，5152］進(jìn)行擬合，并求得了在此范圍內(nèi)切線與橫坐標(biāo)軸圍成三角形面積最小的切線方程[7]：

（1）當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1121時(shí)，0.1121是A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)強(qiáng)度，為了盡可能的增大再生制動(dòng)力，所需制動(dòng)力完全由前輪提供，后輪制動(dòng)力為 0，即：Ffb=Gz；Ffb=0

（2）隨著制動(dòng)強(qiáng)度增加，前后制動(dòng)力應(yīng)沿AB線分配，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)強(qiáng)度為0.4712，即前輪所能提供的最大再生制動(dòng)力對(duì)應(yīng)的制動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng)0.1121＜z≤0.4712 時(shí)：

（3）為提高制動(dòng)的穩(wěn)定性，B點(diǎn)以后的制動(dòng)力分配曲線應(yīng)按照B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的f1線進(jìn)行分配，因?yàn)榍拜喸偕苿?dòng)力受電機(jī)力學(xué)特性限制不能繼續(xù)增大[8]，C點(diǎn)為f1線與I線的交點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的制動(dòng)強(qiáng)度為 0.6227，當(dāng) 0.4712＜z≤0.6227 時(shí)：

（4）當(dāng)0.6227＜z≤0.9時(shí)，前后制動(dòng)力按CD線分配，D點(diǎn)為制動(dòng)強(qiáng)度0.9對(duì)應(yīng)的I線一點(diǎn)。則：

3 再生制動(dòng)模糊控制策略

模糊控制主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)制定模糊規(guī)則，在模仿人的推理和行為決策方面無疑是最成功的技術(shù)之一，它不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，易于對(duì)不確定系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，對(duì)于帶有不確定性的行駛工況具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力[9-10]。

3.1 控制策略的原理

所設(shè)計(jì)的基于ECE制動(dòng)法規(guī)和模糊控制的再生制動(dòng)控制策略原理，如圖2所示?；贓CE法規(guī)的制動(dòng)力分配模塊根據(jù)整車參數(shù)和制動(dòng)強(qiáng)度z進(jìn)行前、后輪制動(dòng)力分配，求出Ffb和Frb，其中Frb全部進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)。模糊控制器根據(jù)當(dāng)前的制動(dòng)強(qiáng)度、車速以及動(dòng)力電池的SOC計(jì)算出電機(jī)制動(dòng)力矩比例k，基于當(dāng)前車速下電機(jī)最大扭矩得到Ff，接著與Ffb取小運(yùn)算得到前輪再生制動(dòng)力Fre和前輪機(jī)械制動(dòng)力Fff。為了保證制動(dòng)安全性，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.7時(shí)，退出再生制動(dòng)，全部進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，可見實(shí)現(xiàn)控制策略的關(guān)鍵在于模糊控制器的設(shè)計(jì)。

圖2 控制策略原理圖Fig.2 The Principle Diagram of the Control Strategy

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

選取影響純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的3個(gè)主要因素制動(dòng)強(qiáng)度z、動(dòng)力電池SOC、車速V作為模糊控制器的輸入變量，選取電機(jī)制動(dòng)力矩比例k作為模糊控制器的輸出變量，并分別規(guī)定下列模糊子集：E（z）=｛L，M，H｝，E（SOC）=｛L，M，H｝，E（V）=｛L，M，H｝，E（k）=｛VS，S，M，B，VB｝，其中模糊子集 L、M、H 分別代表低、中、高，VS、S、M、B、VB分別代表極小、小、中、大、極大。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，分別設(shè)計(jì)了輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)，如圖3所示。

圖3 隸屬函數(shù)Fig.3 The Membership Function

在制定能量回收模糊規(guī)則時(shí)，應(yīng)盡量在保證整車制動(dòng)安全性和舒適性前提下，最大化回收制動(dòng)能量，基于仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析，總結(jié)出模糊控制規(guī)則庫，如表1所示。其中，第i條規(guī)則表述形式為：If（V is Vi and z is ziand SOC is SOCithen k is ki）

由于模糊控制器的輸出量是一個(gè)模糊量，考慮駕駛性能，采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊。

從而得到確切的電機(jī)制動(dòng)力矩比例。

表1 模控制規(guī)則庫Tab.1 Mode Control Rule Base

4 仿真結(jié)果與分析

針對(duì)上述制動(dòng)能量回收控制策略搭建simulink模型，并編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件（DLL），嵌入AVL-CRUISE整車模型中，模型中的車輛主要參數(shù)，如表2所示。

表2 仿真車輛主要參數(shù)Tab.2 Main Parameters of Simulation Vehicle

采用新歐洲行駛循環(huán)工況（NEDC）和初速度為60km/h的4中不同制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)控制策略進(jìn)行仿真分析（由于仿真車輛最高車速限制，NEDC循環(huán)工況最高車速設(shè)為100km/h）。仿真初始SOC為0.6，NEDC循環(huán)工況仿真結(jié)果，如圖4所示。仿真結(jié)果表明，在NEDC循環(huán)工況中，與基于最佳制動(dòng)效果的再生制動(dòng)模糊控制策略相比，該控制策略的電機(jī)制動(dòng)扭矩比較大，能夠回收更多的制動(dòng)能量，主要原因是前一種控制策略的前輪制動(dòng)力分配比例較小，限制了電機(jī)再生制動(dòng)力矩。

圖4 NEDC循環(huán)工況仿真Fig.4 The Cycle Simulation of NEDC

4種不同的制動(dòng)強(qiáng)度仿真設(shè)置踏板行程分別為10%、30%、50%和75%，以初速60km/h進(jìn)行制動(dòng)，各自代表微度、輕度、中度和重度制動(dòng)（緊急制動(dòng)），不同制動(dòng)力的仿真結(jié)果，如圖5所示。

從仿真結(jié)果中可以看出模糊控制器輸出的電機(jī)制動(dòng)力矩比例k隨著制動(dòng)強(qiáng)度、車速的不同有著相應(yīng)的變化，在滿足制動(dòng)安全性的前提下，能夠使機(jī)械制動(dòng)和再生制動(dòng)能夠進(jìn)行合理的分配。75%制動(dòng)踏板行程（緊急制動(dòng)）對(duì)應(yīng)制動(dòng)強(qiáng)度大于0.7g，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)力矩為0，這和所制定的控制策略一致。

圖5 不同制動(dòng)強(qiáng)度的仿真計(jì)算結(jié)果Fig.5 The Simulation Results of Different Braking Force

計(jì)算所得不同工況的制動(dòng)能量回收率，如表3所示。從表3可以看出，NEDC循環(huán)工況中制動(dòng)減速度相對(duì)較小，制動(dòng)力主要由電機(jī)提供，所以能量回收率高達(dá)65.98%。對(duì)于4種不同制動(dòng)強(qiáng)度的仿真，隨著制動(dòng)踏板開度的增加，機(jī)械制動(dòng)介入比例增大，制動(dòng)能量回收率有所降低。

表3 不同工況仿真能量回收率對(duì)比Tab.3 Comparison of Simulation Energy Feedback Rate under Different Operating Conditions

5 結(jié)論

（1）在遵循ECE法規(guī)的基礎(chǔ)上，提出了一種再生制動(dòng)模糊控制策略，并建立了整車模型，選用NEDC工況和4種不同制動(dòng)強(qiáng)度的工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，該控制策略在制動(dòng)安全性的前提下，有效的提高了制動(dòng)能量回收率，在NEDC工況循環(huán)中，制動(dòng)能量回饋率高達(dá)65.98%，具有一定的優(yōu)越性。

（2）設(shè)計(jì)了以制動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)力電池SOC和車速作為輸入變量，以電機(jī)制動(dòng)力矩比例作為輸出變量的模糊控制器，模糊控制器的輸出隨著車速、制動(dòng)強(qiáng)度變化有著相應(yīng)的改變，很好的實(shí)現(xiàn)了機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)的協(xié)同工作，具有較強(qiáng)的魯棒性。

（3）同時(shí)獲得了不同工況下的再生制動(dòng)能量回收率，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

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