馬文斌，陳慶樟

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

基于主成分分析的混合動(dòng)力汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)舒適性分析

馬文斌，陳慶樟

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

以混合動(dòng)力汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)（電機(jī)前軸制動(dòng)與液壓制動(dòng)）過(guò)程中駕乘人員舒適度定量評(píng)價(jià)為研究目標(biāo)，通過(guò)主成分分析、加權(quán)主成分和價(jià)值函數(shù)，建立了基于樣本的混合動(dòng)力汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)多元回歸方法建立了混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)舒適性與主成分間的回歸方程，可對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的復(fù)合制動(dòng)參數(shù)校調(diào)與整車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的舒適性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià).分析表明主成分分析方法可以用于混合動(dòng)力汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)的舒適性參數(shù)校調(diào).

混合動(dòng)力汽車(chē)；復(fù)合制動(dòng)；舒適性；回歸模型

如何有效的降低汽車(chē)對(duì)能源的消耗是世界各國(guó)面臨的主要問(wèn)題之一，混合動(dòng)力汽車(chē)由于自身優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)階段降低能耗合適的選擇.但無(wú)論是混合動(dòng)力汽車(chē)還是純電動(dòng)汽車(chē)在制動(dòng)能量回收方面仍然存在較大的提升空間.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在城市工況條件下，制動(dòng)能量約占驅(qū)動(dòng)總能量的50%左右[1].因此充分利用制動(dòng)能量作為汽車(chē)有效能源的前景非常廣闊.如何校調(diào)復(fù)合制動(dòng)相關(guān)參數(shù)使之既保證能量回收的最大化，又能夠獲取較好的舒適性是目前需要完成的優(yōu)化課題[2].

傳統(tǒng)舒適性判斷以實(shí)際駕乘人員的舒適感為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，主觀性很大，難以真實(shí)反應(yīng)混合動(dòng)力汽車(chē)能量再生制動(dòng)不同干預(yù)情況下的舒適性.混合動(dòng)力汽車(chē)部分采用超級(jí)電容作為能量存儲(chǔ)裝置[3]，而制動(dòng)中的瞬間電流較大，逆變器參數(shù)以及電容參數(shù)、液壓制動(dòng)介入的時(shí)間和程度等都對(duì)整車(chē)制動(dòng)舒適性產(chǎn)生了直接影響.本文采用主成分分析方法研究在整車(chē)復(fù)合制動(dòng)過(guò)程中對(duì)舒適性起關(guān)鍵作用的因子，建立復(fù)合制動(dòng)過(guò)程舒適性與主成分的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)有效性進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行回歸分析[4-7].

1 復(fù)合制動(dòng)舒適性產(chǎn)生機(jī)理分析

混合動(dòng)力汽車(chē)的復(fù)合制動(dòng)（電機(jī)前軸制動(dòng)與液壓制動(dòng)復(fù)合）過(guò)程可以用圖1描述.復(fù)合制動(dòng)過(guò)程中，駕駛員的制動(dòng)動(dòng)作通過(guò)制動(dòng)踏板傳遞到行車(chē)電腦，行車(chē)電腦根據(jù)目前車(chē)況判斷能量回饋制動(dòng)的介入時(shí)間以及機(jī)械制動(dòng)介入程度，由于能量回饋制動(dòng)的制動(dòng)特點(diǎn)與機(jī)械制動(dòng)不同，因此駕駛員和乘客在此過(guò)程中產(chǎn)生的舒適程度不同.能量回饋制動(dòng)的制動(dòng)原理如圖2所示.當(dāng)制動(dòng)動(dòng)作出現(xiàn)后，制動(dòng)盤(pán)帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)行能量回饋制動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)回饋電流，將回饋電流通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷魉腿氤?jí)電容器存儲(chǔ)，當(dāng)超級(jí)電容器存儲(chǔ)容量達(dá)到一定程度后，通過(guò)逆變器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電[7].

主成分分析通過(guò)合適的降維方法對(duì)多變量復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理.通過(guò)構(gòu)造系統(tǒng)的價(jià)值函數(shù)將原先的多維轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S系統(tǒng).復(fù)合制動(dòng)在制動(dòng)過(guò)程中對(duì)舒適性的影響因素很多，各種參數(shù)間的強(qiáng)耦合作用使得一般性分析方法難以達(dá)到目的.利用主成分分析方法與加權(quán)主成分和價(jià)值函數(shù)模型可以建立制動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)模型以及該模型的有效性檢測(cè).主成分分析模型的建立步驟是[8]：

（1）設(shè)有n個(gè)汽車(chē)待檢測(cè)樣品，每個(gè)樣品觀測(cè)p項(xiàng)指標(biāo)（變量）：X1,X2,…，得到原始數(shù)據(jù)資料矩陣

圖2 能量回饋制動(dòng)原理圖

圖2 能量回饋制動(dòng)原理圖

（2）通過(guò)樣本矩陣標(biāo)準(zhǔn)化變換

得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

（3）計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣

（4）評(píng)價(jià)樣本特征提取，求解數(shù)據(jù)特征

（5）提取主成分.主成分與各成分之間呈線性關(guān)系，得到主成分決策矩陣

其中，ui為第i部汽車(chē)的主成分向量.

（6）建立整車(chē)復(fù)合制動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)模型.用加權(quán)主成分和價(jià)值函數(shù)模型進(jìn)一步把多維系統(tǒng)降為一維系統(tǒng)，建立評(píng)價(jià)模型[5].

2 主成分分析模型的建立

2.1 混合動(dòng)力汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)特征

混合動(dòng)力汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中按照制動(dòng)情況可以分為緊急制動(dòng)、重度制動(dòng)、中度制動(dòng)和輕度制動(dòng).為了在保證制動(dòng)安全性和可靠性的前提下先滿足制動(dòng)能量回收最大化，需要在不同情況下考慮電磁制動(dòng)與液壓制動(dòng)的制動(dòng)特征，選擇適當(dāng)?shù)膹?fù)合制動(dòng)參數(shù)組成制動(dòng)過(guò)程舒適性評(píng)價(jià)的樣本矩陣.

2.2 復(fù)合制動(dòng)特征參數(shù)的選擇

以給定輪速為前提條件，按照駕乘人員的制動(dòng)力大小作為制動(dòng)意向的判斷，在上述四種制動(dòng)狀態(tài)下，為了滿足能量回收的最大化，使得電磁制動(dòng)始終參與制動(dòng)過(guò)程，可選擇制動(dòng)過(guò)程中電磁制動(dòng)產(chǎn)生的充電電流作為一個(gè)特征參數(shù)；檢測(cè)不同制動(dòng)情況下的制動(dòng)液壓缸缸壓，作為機(jī)械制動(dòng)的特征參數(shù)；不同制動(dòng)情況下對(duì)整車(chē)會(huì)產(chǎn)生不同的減速度，取制動(dòng)減速度為一個(gè)特征參數(shù).實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部分主要元件為：德?tīng)柛Ｐ铍姵?2V60AH；A型超級(jí)電容放電容量是55F；逆變電源為BNC72.3100直流逆變電源；車(chē)輪輪速直接采用原車(chē)輛輪速傳感器四輪平均值；制動(dòng)踏板力采用基于JNBP-1型壓力檢測(cè)模塊的制動(dòng)踏板測(cè)力儀；電流檢測(cè)采用HZIE-41霍爾電流傳感器安裝在儲(chǔ)能系統(tǒng)母線上獲取充電電流大小值；輪缸壓力值為左前輪壓力值，采用FOSN的壓力檢測(cè)模塊串聯(lián)在ABS模塊的HCU至前輪缸的出口處；加速度采用KRG系列加速度檢測(cè)器；原始樣本數(shù)據(jù)均值如表1所示.

表1 復(fù)合制動(dòng)特征參數(shù)數(shù)據(jù)

利用公式（1）～（3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z.

根據(jù)公式（4）計(jì)算，可以得到相關(guān)系數(shù)矩陣R.

按照相關(guān)系數(shù)矩陣求出樣本的特征方程和特征值以及特征值的貢獻(xiàn)率如表2所示.

從表2的樣本特征值可以看到樣本1、樣本2的貢獻(xiàn)率之和已經(jīng)超過(guò)0.85，因此有效信息集中在前兩個(gè)主成分中，利用前兩個(gè)主成分對(duì)復(fù)合制動(dòng)舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)能夠保留大量的可靠信息.對(duì)樣本特征值計(jì)算主成分分量，得到主成分決策矩陣如表3所示.

通過(guò)計(jì)算得到的主成分分量

表2 樣本特征值與貢獻(xiàn)率

2.3 復(fù)合制動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)模型與驗(yàn)證

從表3中計(jì)算出的樣本數(shù)據(jù)舒適度評(píng)價(jià)值可以看出，前兩個(gè)主成分的舒適性評(píng)價(jià)值較高，而從第三個(gè)主成分開(kāi)始的評(píng)價(jià)值均為負(fù)值，第五個(gè)主成分評(píng)價(jià)值較低，這與表2得到的信息相似，用前兩種主成分可以較好的反映出復(fù)合制動(dòng)狀態(tài)下的舒適性.

為了驗(yàn)證模型的可靠性，選擇5名駕齡在3年以上的實(shí)驗(yàn)人員對(duì)樣本中給定輪速和制動(dòng)力情況下的制動(dòng)舒適性按照舒適度好、中等、差進(jìn)行實(shí)際檢測(cè).檢測(cè)情況如表4.

從表4的實(shí)驗(yàn)人員舒適性體驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)樣本1給予好評(píng)的有3人，中評(píng)的有2人；對(duì)樣本2給予好評(píng)的有1人，中評(píng)的有4人，樣本3和樣本5評(píng)價(jià)情況相同，樣本4的舒適性評(píng)價(jià)較低.基本與模型得到的結(jié)論一致.

2.4 復(fù)合制動(dòng)舒適度與主成分分析

以樣本1和樣本2的原始數(shù)據(jù)得到主成分矩陣，取主成分矩陣對(duì)應(yīng)行向量，u1和u2作為舒適性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，以舒適度s向量作為另一評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，判斷三者之間的相關(guān)性，得到相關(guān)系數(shù)如表5所示.

可以看出，舒適度s與主成分u1和u2的正相關(guān)，而且相關(guān)性較大；用汽車(chē)的復(fù)合制動(dòng)舒適度s作為多元線性回歸分析因變量，以主成分u1和u2作為自變量，得到回歸方程：

主成分u1的回歸系數(shù)為0.5788，u2的回歸系數(shù)為0.4163，從這一點(diǎn)也可以看出，2個(gè)主成分對(duì)復(fù)合制動(dòng)過(guò)程中舒適性的影響，u1較大，u2較小.

表3 主成分舒適性評(píng)價(jià)值

表4 實(shí)驗(yàn)人員舒適性體驗(yàn)結(jié)果

表5 主成分與舒適度相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

（1）利用主成分分析的方法對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)在不同制動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行了特征數(shù)據(jù)采樣，基于樣本建立了復(fù)合制動(dòng)的舒適性評(píng)價(jià)模型.通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員體驗(yàn)，證明這種評(píng)價(jià)模型方法與主觀評(píng)價(jià)具有一致性，即：利用主成分分析方法能夠?qū)χ苿?dòng)過(guò)程舒適性的參數(shù)校調(diào).

（2）利用舒適度評(píng)價(jià)值與主成分進(jìn)行了相關(guān)性分析，通過(guò)多元回歸，建立了制動(dòng)過(guò)程中的舒適度與主成分之間的回歸方程.并且可以將該方法應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)的復(fù)合制動(dòng)參數(shù)校調(diào)中，對(duì)不同制動(dòng)參數(shù)引起的舒適性具有預(yù)測(cè)性作用.

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A Comfort Analysis of the Composite Brake of a Hybrid Electric Vehicle Based on Principal Component

MAWen-bin,CHEN Qing-zhang
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Aimed at the com fort of hybrid electric vehicle motor brake and hydraulic brake process quantitative evaluation,using principal component analysis of algorithm and value function,an evaluation model of the com?posite brake of a hybrid electric vehicle is established.And by means ofmultiple regression algorithm,a new re?gression equation is found,which can predict and evaluate the result of hybrid electric vehicle composite brake parameters thatwill be optimized.

hybrid electric vehicle;composite brake;com fort;multiple regression

TH22

B

1008-2794（2012）08-0080-05

2012-07-06

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“汽車(chē)再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)的混雜動(dòng)態(tài)集成控制研究”（BK2011367）；江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目“汽車(chē)再生制動(dòng)與液壓防抱死制動(dòng)匹配研究”（SZ2010002）；江蘇省汽車(chē)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“電動(dòng)汽車(chē)超級(jí)電容-鉛酸蓄電池復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化研究”（QC201006）

馬文斌（1979—），男，甘肅天水人，講師，碩士，研究方向：人工智能在機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用.