王業(yè)琴，楊 艷

（淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

電動城市客車運行在低速、制動頻繁的城市工況，可回收的再生制動能量非?？捎^。在有關(guān)制動能量回收的研究中，制動力分配控制策略是研究的的熱點，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前常用的制動力分配策略主要集中在以下三方面：1）ADVISOR制動力分配策略[1]，該分配策略基本原理是根據(jù)車速和總制動力來確定前后輪的制動力，查表得到前輪電動機再生制動力分配系數(shù)和前輪摩擦制動分配系數(shù)，通過修改前輪制動力分配系數(shù)達(dá)到理想的分配方案，缺乏理論基礎(chǔ)。而且該方法沒有考慮隨著行駛工況變化，而導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)的改變，很難獲得滿意的再生制動性能。2）基于理想制動力分配曲線的制動力分配策略[2,3]，該分配策略原理是當(dāng)電機制動能夠提供理想制動力分配曲線上所需的制動力時，驅(qū)動軸的制動力全部由電機提供，否則由摩擦制動和電機再生制動共同承擔(dān)。該策略優(yōu)點是能充分利用地面附著條件，制動距離短，制動時汽車方向穩(wěn)定性最好，缺點是控制系統(tǒng)復(fù)雜，回收能量有限。3）最佳回饋能量制動力分配策略[4]，該分配策略是在滿足ECE制動法規(guī)前提下，前后軸制動力按回饋制動能量最多的原則進(jìn)行分配。該分配策略的優(yōu)點是回收制動能量最多，但沒有考慮車輛的制動效能，需要同時對電機制動力和摩擦制動力進(jìn)行精確控制，控制系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度很大，實用價值不大。

電動城市客車制動力的分配與車速、制動強度、制動踏板行程、電池SOC等因素有關(guān)。電動城市客車在制動過程中，除了要保證前后輪制動力的合理分配，也要保證電池的充電安全，蓄電池過充電嚴(yán)重影響循環(huán)壽命和安全性。電動城市客車制動力分配控制中，基于多變量很難用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來進(jìn)行計算，而模糊控制策略具有很強的魯棒性，能夠解決無法用精確參數(shù)表達(dá)的控制規(guī)則，本文提出電動城市客車制動力模糊控制分配策略，在安全制動范圍內(nèi)盡量提高再生制動力分配比例，最大限度回收再生制動能量，提高制動能量利用率，延長電動城市客車一次充電續(xù)駛里程。

1 再生制動原理

電動城市客車的再生制動，是利用三相異步電機的電氣制動產(chǎn)生反向力矩使車輛減速或停車，其原理是在制動時將汽車行駛的慣性能量傳遞給電機，電機以發(fā)電方式工作，回饋電能到動力電池，實現(xiàn)能量的再生利用。在制動過程中依靠制動踏板行程判斷制動強度，并將制動信號傳遞到整車控制器，整車控制器根據(jù)車輛行駛速度和電池SOC進(jìn)行綜合判斷，從而合理分配能量回饋制動力矩的大小。電機的制動力矩通過傳動系統(tǒng)對驅(qū)動輪施加制動力，實現(xiàn)車輛再生制動。

2 再生制動回收能量分析

根據(jù)汽車的驅(qū)動力平衡方程，電動城市客車在行駛過程中，牽引力Ft應(yīng)滿足：

式中：Ff—滾動阻力；Fw—空氣阻力；Fi—爬坡阻力；Fj—加速阻力。

在城市工況下，可以忽略爬坡阻力Fi，加速阻力Fj為制動力Fb。因此式（1）可簡化為：

機械傳動系統(tǒng)的制動瞬時功率P1為：

輸入發(fā)電機瞬時功率P2為：

式中：K1—傳動系效率；ω—電機角速度。輸入動力電池組的瞬時功率為P3：

式中：K2—電機發(fā)電效率。回收能量功率P4為：

式中：K3—能量存儲系統(tǒng)的充電效率。回收總能量E為：

由式（7）可知，回收總能量E與傳動系效率K1、電機發(fā)電效率K2、能量存儲系統(tǒng)的充電效率K3等有關(guān)，但由于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率大多在90%以上，提高空間不大[5]。因此，必須在兼顧城市客車制動安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上合理分配再生制動力，才能實現(xiàn)最大限度回收制動能量。

3 模糊控制制動力分配策略

制動力分配控制器必須以滿足車輛安全制動和駕駛平穩(wěn)為前提條件，使機械制動力和再生制動力達(dá)到最優(yōu)分配，以達(dá)到高效回收制動能量。針對電動城市客車再生制動力分配問題，以電動城市客車行駛速度、制動踏板行程、電池SOC做為輸入，再生制動比例系數(shù)作為輸出，采用“高”、“中”、“低”等模糊量代替精確量，進(jìn)行模糊控制規(guī)則設(shè)計，根據(jù)實際經(jīng)驗進(jìn)行輸入輸出隸屬度函數(shù)設(shè)計，便于根據(jù)路況、車況在運用過程中，根據(jù)控制規(guī)則，調(diào)整制動力分配比例[6]。

3.1 隸屬度函數(shù)的設(shè)計

再生制動能量回饋模糊控制器中輸入量(車速、制動踏板行程、電池SOC)模糊子集：E(Vi)={low，middle，high}， E(Posi)= {low，middle，high}，E(SOCi)= {low，middle，high}，輸出量的模糊子集E(fi)= {smaller，small，middle，high，bigger}，根據(jù)大量實車數(shù)據(jù)和仿真實驗，設(shè)計車速、電池SOC、制動踏板行程和再生制動比例系數(shù)的隸屬度函數(shù)如圖1所示。

圖1 模糊控制輸入、輸出量的隸屬度函數(shù)

表1 模糊控制規(guī)則表

3.2 模糊規(guī)則設(shè)計

制定制動力分配模糊規(guī)則以整車制動安全性和舒適性為前提，盡可能多的回收再生制動能量。根據(jù)實車運行數(shù)據(jù)和仿真實驗總結(jié)模糊控制規(guī)則表如表1所示，共27條規(guī)則[8]。

4 仿真實驗分析

本文選擇中國典型城市公交循環(huán)工況進(jìn)行仿真實驗，循環(huán)時間為1314s，行駛距離為5.8km，最高車速為60km/h，?？看螖?shù)為14次。車輛參數(shù)及性能指標(biāo)如下：

1）電池參數(shù)。選擇576V，300Ah磷酸鐵鋰電池組作為能量源為電動城市客車供電，電池組具體按照6塊50Ah單體電池并聯(lián)容量為300Ah的電池模塊，180個電池模塊串聯(lián)構(gòu)成576V電壓方式連接。

2）車輛參數(shù)。滿載重量，18000kg；整備重量，13200kg；迎風(fēng)面積，6.66m2；傳動系統(tǒng)效率，0.9；主減速比，4.875；前軸載荷，4100kg；后軸載荷，9100kg；車輪滾動半徑，0.515m；變速箱速比，1.31；輪胎的滾動摩擦系數(shù)，0.01。

根據(jù)電動城市客車制動能量回收的影響因素，設(shè)計模糊控制再生制動力分配控制器，包括一個模糊控制器模塊和制動轉(zhuǎn)矩修正模塊。模糊控制器模塊以電動城市客車行駛速度、制動踏板行程、電池SOC做為輸入，由于制動轉(zhuǎn)矩在電機再生制動和摩擦制動器之間分配，因此，選擇再生制動比例系數(shù)為輸出，另一個摩擦制動系數(shù)也就同時確定了。制動轉(zhuǎn)矩修正模塊將模糊控制器輸出的再生制動比例系數(shù)和制動踏板行程作為輸入，最終確定機械制動轉(zhuǎn)矩和電機制動轉(zhuǎn)矩的大小。利用MATLAB搭建仿真模型編譯動態(tài)連接庫文件與電動汽車仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。

一個中國典型城市公交循環(huán)，傳統(tǒng)控制再生制動電池回收總能量為2883.27kJ，再生制動能量回饋效率為9.99%。模糊控制再生制動電池回收總能量為4983.59kJ，再生制動能量回饋效率為17.37%。圖2為電池SOC變化曲線，傳統(tǒng)控制再生制動SOC值減少了4.006%，模糊控制再生制動SOC值減小了3.63%。電動城市客車電池組DOD90%放電，中國典型城市公交循環(huán)工況，模糊控制再生制動控制行駛里程為140.7km，傳統(tǒng)再生制動行駛總里程為130.5km，續(xù)駛里程提高7.8%。

圖2 電池SOC

5 結(jié)論

1）模糊控制再生制動力分配無需建立再生制動力分配數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)魯棒性好。

2）考慮電池SOC、電機轉(zhuǎn)速、制動踏板行程等多因素影響，能有有效抑制電池過充電。

3）中國典型城市公交循環(huán)工況電池組90%DOD放電，模糊控制再生制動電池組能量回收效率提高7.38%，然而目前國內(nèi)的公交路況的制動頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于典型循環(huán)工況，例如杭州市區(qū)大概17km的公交線路，包括紅綠燈、減速帶、讓行人等情況大概需要一百多次制動，如果模糊控制再生制動方法得以應(yīng)用，能量回收效率有望達(dá)到50%以上。

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[8] 徐國凱,趙秀春,蘇航.電動汽車驅(qū)動與控制[M].電子工業(yè)出版社,2010,6,246-251.