馬曉楠，吉春宇，韋尚軍，覃記榮，鄭偉光,

純電動(dòng)汽車加速過程的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略

馬曉楠1，吉春宇2，韋尚軍2，覃記榮2，鄭偉光1,2

（1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

針對(duì)純電動(dòng)汽車在加速過程中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不能準(zhǔn)確表達(dá)駕駛員駕駛意圖的問題，提出了基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略。為了準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員在加速過程中的駕駛意圖，建立了以車速偏差和加速踏板開度變化率為輸入變量，駕駛意圖系數(shù)為輸出變量的模糊控制器，對(duì)駕駛員的加速意圖進(jìn)行識(shí)別，并將汽車的加速模式設(shè)計(jì)為動(dòng)力模式、一般模式和經(jīng)濟(jì)模式3種模式。動(dòng)力模式采用硬踏板曲線控制，同時(shí)為提高車輛在低速和急加速時(shí)的加速性能，增加了基于模糊控制的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩；一般模式采用線性踏板曲線控制，作為動(dòng)力模式與經(jīng)濟(jì)模式切換的過渡；經(jīng)濟(jì)模式采用軟踏板曲線控制，提高車輛加速時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的線性控制策略相比，所研究的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略能夠準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員的駕駛意圖，汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都得到了改善。

純電動(dòng)汽車；駕駛意圖；模糊控制；轉(zhuǎn)矩優(yōu)化；補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩

1 前言

純電動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車有噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無污染等優(yōu)點(diǎn)，可以有效改善環(huán)境污染和資源短缺的問題，是未來汽車發(fā)展的趨勢(shì)[1]。純電動(dòng)汽車所需要的電能全部來源于電池，但是電池技術(shù)的發(fā)展一直受到材料等原因限制，造成純電動(dòng)汽車的制造成本一直高居不下，對(duì)純電動(dòng)汽車的推廣產(chǎn)生了一定阻礙[2]。傳統(tǒng)的純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制策略基本都是采用線性踏板控制策略或單一控制策略，導(dǎo)致駕駛員的駕駛體驗(yàn)較差，整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都不突出。文獻(xiàn)[3]中汽車的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制策略采用的線性踏板控制策略，策略較簡(jiǎn)單，整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都不突出。文獻(xiàn)[4]通過改變加速踏板行程所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)來確定電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，汽車的動(dòng)力性得到改善。文獻(xiàn)[5]提出了三種驅(qū)動(dòng)模式供駕駛員手動(dòng)選擇，駕駛員的駕駛意圖必須依靠正確的模式選擇才能夠體現(xiàn)出來，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[6]提出了基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)化策略，但是僅考慮了一般加速和急加速的工況，未考慮緩慢加速的工況，整車的經(jīng)濟(jì)性較差。

針對(duì)上述問題，本文提出了基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略，設(shè)計(jì)了以加速踏板開度變化率和車速偏差為輸入變量，以駕駛意圖系數(shù)為輸出變量的模糊控制器。根據(jù)汽車不同的加速工況，將汽車的加速模式設(shè)計(jì)為動(dòng)力模式、一般模式和經(jīng)濟(jì)模式。然后根據(jù)模糊控制器的輸出結(jié)果完成對(duì)加速模式的選擇。仿真結(jié)果表明，基于模糊控制的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略能夠有效地對(duì)駕駛意圖進(jìn)行識(shí)別，汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到體現(xiàn)。

2 轉(zhuǎn)矩控制策略

轉(zhuǎn)矩控制策略的目的是對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行合理的優(yōu)化，使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩符合駕駛員的駕駛意圖。根據(jù)模糊控制器輸出的駕駛意圖系數(shù)來確定加速模式，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值，并將輸出轉(zhuǎn)矩指令傳送給電機(jī)，控制策略流程如圖1所示。

圖1 控制策略流程圖

2.1 加速模式識(shí)別

2.1.1駕駛員的期望車速

定義駕駛員的期望車速為某一加速踏板開度下，在良好無風(fēng)平坦路面上，汽車所能夠到達(dá)穩(wěn)定工況時(shí)的車速。此時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)方程式為：

式中：v為駕駛員的期望車速。

由文獻(xiàn)[7]可以得到某一加速踏板開度（）下駕駛員的期望車速模型為：

由式（2）可以得出，駕駛員的期望車速v僅與加速踏板開度（）有關(guān)，并且是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

定義車速偏差為駕駛員期望車速與實(shí)際車速的差值：

式中：v為實(shí)際車速。

2.1.2加速模式模糊識(shí)別

在駕駛員的加速過程中，駕駛員的一系列操作會(huì)因環(huán)境變化而改變，整個(gè)過程也會(huì)變得復(fù)雜，模糊控制理論是一種不依賴數(shù)學(xué)模型且具有很強(qiáng)魯棒性的控制方法[8]，能夠有效解決車輛在復(fù)雜工況下的控制方法。

在駕駛意圖模糊控制器設(shè)計(jì)中，加速踏板開度變化率的論域?yàn)閇0,100]，車速偏差的論域?yàn)閇0,90]，兩者語言變量模糊子集均分為5級(jí)：極?。╒S）、?。⊿）、中（M）、大（B）、極大（VB）；駕駛意圖系數(shù)的論域?yàn)閇1,4]，語言變量模糊子集分為4級(jí)：極小（Z）、小（S）、中（M）、大（B）。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形和梯形混合的隸屬度函數(shù)，如圖2所示。

圖2 駕駛意圖模糊控制器的隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則采用（）（）（）的形式，綜合考慮駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)和車輛行駛狀態(tài)，制定如表1所示25條模糊規(guī)則。模糊輸出量通過去模糊化處理得到精確的輸出量。

表1 模糊規(guī)則

2.1.3加速模式的確定

駕駛意圖系數(shù)的大小代表著駕駛員的加速需求，故作以下劃分將駕駛意圖系數(shù)轉(zhuǎn)換為確定的加速模式：當(dāng)駕駛意圖系數(shù)在[1,2]內(nèi)斯，加速模式為經(jīng)濟(jì)模式；當(dāng)駕駛意圖系數(shù)在[1,3]內(nèi)時(shí)，加速模式為一般模式；當(dāng)駕駛意圖系數(shù)在[3,4]內(nèi)時(shí)，加速模式為動(dòng)力模式。

2.2 動(dòng)力模式轉(zhuǎn)矩控制

動(dòng)力模式可以讓汽車有更好的動(dòng)力輸出，保證車輛能夠快速地達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。為使汽車在動(dòng)力模式下有更大的轉(zhuǎn)矩輸出，一方面電機(jī)采用硬踏板控制曲線，另一方面引入轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。動(dòng)力模式下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：

式中，ld為某加速踏板開度下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)；Tmax為電機(jī)某轉(zhuǎn)速下的最大輸出轉(zhuǎn)矩；△T為補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

動(dòng)力模式下，加速踏板開度與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系采用硬踏板曲線。對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

純電動(dòng)汽車在動(dòng)力模式下的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩是由加速踏板開度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速共同確定的。為提高動(dòng)力模式下車輛的起步加速和急加速性能，在基礎(chǔ)轉(zhuǎn)矩上添加補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，來提高輸出轉(zhuǎn)矩。動(dòng)力模式的轉(zhuǎn)矩控制流程圖4如下。

圖4 轉(zhuǎn)矩控制流程圖

補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩△主要由汽車實(shí)際車速和車速偏差來決定，車速偏差越大，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩也應(yīng)越大；反之補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩越小。汽車在低速時(shí)，對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩需求較大，應(yīng)設(shè)置較大的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩；在高速時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩主要維持車速，對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的需求不大，應(yīng)設(shè)置較小的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩。

補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)應(yīng)使車輛的平順性不會(huì)受到很大的影響，因此在確定補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩最大值時(shí)應(yīng)充分考慮沖擊度的限制，沖擊度為：

將式（9）變化可得：

德國的沖擊度限制標(biāo)準(zhǔn)為≤10/3，以電機(jī)的理論響應(yīng)時(shí)間為20ms計(jì)算，電機(jī)在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)矩的最大變化值為80N·m，所以電機(jī)的補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩最大值為80N·m。

基于上述分析設(shè)計(jì)以車速和車速偏差為輸入變量、以補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩為輸出變量的模糊控制器，其中車速的論域?yàn)閇0,90]，車速偏差的論域?yàn)閇0,90]，補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的論域?yàn)閇0,80]，語言變量模糊子集均分為5級(jí)：極?。╒S）、小（S）、中（M）、大（B）、極大（VB）。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形和梯形混合的隸屬度函數(shù)，如圖5所示，模糊規(guī)則如表2所示。

圖5 補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩模糊控制器的隸屬度函數(shù)

表2 模糊規(guī)則

2.3 一般模式轉(zhuǎn)矩控制

純電動(dòng)汽車在一般模式下加速踏板開度與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系采用線性曲線，兼顧汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。并且一般模式還是動(dòng)力模式與經(jīng)濟(jì)模式之間的過渡模式，提高了車輛行駛時(shí)的平順性。一般模式下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：

式中，為某加速踏板開度下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)；T為電機(jī)某轉(zhuǎn)速下的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

一般模式的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷曲線如圖6所示。

圖6 一般模式的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷曲線

2.4 經(jīng)濟(jì)模式轉(zhuǎn)矩控制

純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)模式旨在滿足駕駛員駕駛意圖的同時(shí)，提升汽車的經(jīng)濟(jì)性，延長(zhǎng)汽車的續(xù)航里程。從電機(jī)的外特性出發(fā)，尋求電機(jī)的最佳工作曲線[9]，進(jìn)而設(shè)計(jì)加速踏板開度與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖7所示。經(jīng)濟(jì)模式下的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：

式中，ls為某加速踏板開度下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)；Tmax為電機(jī)某轉(zhuǎn)速下的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

3 控制策略的仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink中建立純電動(dòng)汽車整車仿真模型，通過設(shè)置不同的加速踏板開度來驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略在汽車加速過程中的正確性和合理性。

該純電動(dòng)汽車的整車參數(shù)及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 純電動(dòng)汽車主要參數(shù)

仿真設(shè)置了2種不同的加速踏板開度工況（工況1和工況2）。純電動(dòng)汽車在2種工況下的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)駕駛員猛踩加速踏板時(shí)，控制策略能夠準(zhǔn)確識(shí)別出動(dòng)力模式，在短時(shí)間內(nèi)提高轉(zhuǎn)矩輸出，加速性能顯著增強(qiáng)。當(dāng)駕駛員緩慢踩踏加速踏板時(shí)，控制策略識(shí)別為經(jīng)濟(jì)模式，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，提升了整車的經(jīng)濟(jì)性。

通過對(duì)傳統(tǒng)線性控制策略與本文控制策略仿真結(jié)果的對(duì)比分析，得到不同工況下的加速時(shí)間和單位里程能耗。工況1為（0~40）km/h加速時(shí)間對(duì)比如表4所示，工況2為（0~40）km/h單位里程能耗如表5所示。

表4 工況1加速時(shí)間對(duì)比

表5 工況2單位里程能耗對(duì)比

從表4中可以看出，本文所研究的根據(jù)駕駛意圖對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化的策略，能夠使加速時(shí)間縮短；從表5中可以看出，同樣加速到40km/h的車速，通過轉(zhuǎn)矩優(yōu)化可以大幅度降低能耗，提升整車的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

通過對(duì)2種加速踏板開度工況的仿真分析，所研究的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略，能夠準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員的駕駛意圖，并且切換到合適的加速模式，提高了整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)駕駛員對(duì)加速踏板快速踩踏時(shí)，轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略識(shí)別出較強(qiáng)的加速意圖，選擇動(dòng)力模式提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，來達(dá)到快速提升車速的目的；當(dāng)駕駛員對(duì)加速踏板緩慢踩踏時(shí)，轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略識(shí)別出駕駛員的加速意圖較緩慢，選擇經(jīng)濟(jì)模式適當(dāng)降低輸出轉(zhuǎn)矩，提升整車的經(jīng)濟(jì)性。

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Torque Optimization Control Strategy for Acceleration Process of Pure Electric Vehicle

Ma Xiaonan1, Ji Chunyu2, Wei Shangjun2, Qin Jirong2, Zheng Weiguang1,2

( 1.School of mechanical and electrical engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guangxi Guilin 541004;2.Dongfeng Liuzhou Motor Co., Ltd, Guangxi Liuzhou 545005 )

Aiming at the problem that the motor output torque of pure electric vehicle cannot accurately express the driver's driving intention during acceleration, a torque optimization control strategy based on fuzzy control is proposed. In order to accurately identify the driver's driving intention in the process of acceleration, a fuzzy controller with the vehicle speed deviation and the change rate of accelerator pedal opening as the input variable and the driving intention coefficient as the output variable is established to identify the driver's acceleration intention, and the acceleration mode of the car is designed as three modes: power mode, general mode and economic mode. The power mode adopts hard pedal curve control, and in order to improve the acceleration performance of the vehicle at low speed and rapid acceleration, the compensation torque based on fuzzy control is increased; the general mode adopts linear pedal curve control as the transition between power mode and economic mode; the economic mode adopts soft pedal curve control to improve the economy of the vehicle during acceleration. The simulation results show that, compared with the traditional linear control strategy, the torque optimization control strategy can accurately identify the driver's driving intention, and the vehicle's power and economy are improved.

Pure electric vehicle; Driving intention; Fuzzy control; Torque optimization; Compensation torque

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.001

U469.72

A

1671-7988(2021)04-01-06

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馬曉楠（1996-），山東臨沂人，在讀碩士研究生，就讀于桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，主要研究方向：純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制研究。