馬秋香

摘 要：為了提升純電動(dòng)汽車(chē)起步過(guò)程的加速性能，提出了一種基于模糊控制的起步控制策略，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)起步加速過(guò)程進(jìn)行轉(zhuǎn)矩優(yōu)化。首先對(duì)駕駛員的起步意圖進(jìn)行模糊識(shí)別，通過(guò)將起步模式劃分為一般起步模式，快速起步模式和緊急起步模式來(lái)反映駕駛員的起步意圖。然后根據(jù)起步意圖的識(shí)別結(jié)果，在不同的起步模式下采用不同的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷曲線，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更符合駕駛員的起步要求。基于Matlab/simulink建立純電動(dòng)汽車(chē)仿真模型，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)加速過(guò)程的沖擊度、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和速度進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，所研究的控制策略在滿足駕駛員起步意圖和車(chē)輛起步平順性的基礎(chǔ)上提高了車(chē)輛的起步加速性能。

關(guān)鍵字：起步過(guò)程;模糊控制;轉(zhuǎn)矩優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U461? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：

Research on torque optimization of starting process of pure electric vehicle

Abstract： In order to improve the acceleration performance of the starting process of pure electric vehicles， a starting control strategy based on fuzzy control is proposed to optimize the torque of the starting acceleration process of pure electric vehicles. First， the driver's starting intention is fuzzy identified， and the starting mode is divided into a general starting mode， a fast starting mode and an emergency starting mode o reflect the starting intention of drivers. Then according to the recognition result of the starting intention， different motor torque load curves are used in different starting modes， so that the output torque of the motor is more consistent with the driver's starting requirements. Based on Matlab/simulink， a pure electric vehicle simulation model is established to analyze the impact degree， motor output torque and speed of the pure electric vehicle acceleration process. Simulation results show that the control strategy studied in this paper can improve the vehicle's starting acceleration performance on the basis of satisfying the driver's starting intention and the vehicle's starting smoothness.

Key words： starting process; fuzzy control; torque optimization

引言

隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，環(huán)保成為一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題，因此能夠減少尾氣排放和提高新能源效率的新能源汽車(chē)成為重點(diǎn)發(fā)展方向[1]。整車(chē)控制器是純電動(dòng)汽車(chē)研究的重點(diǎn)，控制純電動(dòng)汽車(chē)平穩(wěn)起步是整車(chē)控制器的重要功能之一，設(shè)計(jì)合理的起步控制策略對(duì)于整車(chē)控制器的完善和車(chē)輛的性能都具有重要意義。文獻(xiàn)[2]采用車(chē)速與電流雙閉環(huán)控制策略，建立了起步加速過(guò)程的純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，使純電動(dòng)汽車(chē)的行駛狀態(tài)更加符合駕駛員的駕駛習(xí)慣。文獻(xiàn)[3]將純電動(dòng)汽車(chē)的起步分為無(wú)油門(mén)起步和有油門(mén)起步2種模式，該控制策略滿足了純電動(dòng)汽車(chē)在起步時(shí)的平順性和安全性的要求。文獻(xiàn)[4-5]都采用了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和制動(dòng)器協(xié)調(diào)配合的自適應(yīng)起步控制方法，使車(chē)輛在不同坡度上起步?jīng)_擊度小、不溜車(chē)，具有較好的坡道自適應(yīng)能力。以上文獻(xiàn)所提出的純電動(dòng)汽車(chē)起步過(guò)程控制策略對(duì)駕駛員的起步意圖考慮較少，為充分考慮駕駛員的起步意圖，本文提出了基于起步意圖識(shí)別的純電動(dòng)汽車(chē)起步控制策略。

本文所提出的控制策略，通過(guò)將車(chē)輛的起步模式劃分為一般起步模式、快速起步模式和緊急起步模式來(lái)反映駕駛員的起步意圖。駕駛員起步意圖的識(shí)別采用模糊控制算法，建立以電池SOC和加速踏板開(kāi)度變化率為輸入變量，以起步模式為輸出的模糊控制器。設(shè)計(jì)出各起步模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)曲線，然后根據(jù)起步意圖識(shí)別的起步模式與加速踏板的開(kāi)度確定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。最終整車(chē)控制器將轉(zhuǎn)矩命令發(fā)送給電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳送給車(chē)輪，車(chē)輛完成起步。

1純電動(dòng)汽車(chē)起步過(guò)程轉(zhuǎn)矩分析

純電動(dòng)汽車(chē)在起步過(guò)程中，是通過(guò)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)獲得驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)克服作用于汽車(chē)的各種外力實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的起步[6-7]。純電動(dòng)汽車(chē)的行駛方程式為

式中，為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，為主減速器傳動(dòng)比，為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率，為車(chē)輪半徑，為車(chē)輛總重力，為滾動(dòng)阻力系數(shù)，為坡度角，為空氣阻力系數(shù)，為迎風(fēng)面積，為車(chē)輛速度，為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，為車(chē)輛總質(zhì)量，為車(chē)輛行駛加速度。

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力全部由電機(jī)提供，因此控制電機(jī)輸出合理的轉(zhuǎn)矩是實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車(chē)平穩(wěn)起步、加速性能良好的關(guān)鍵。本文所研究的純電動(dòng)汽車(chē)的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2純電動(dòng)汽車(chē)起步過(guò)程轉(zhuǎn)矩優(yōu)化策略

傳統(tǒng)的純電動(dòng)汽車(chē)起步控制策略僅考慮了加速踏板行程的變化，控制策略采用線性轉(zhuǎn)矩輸出，駕駛員的起步意圖得不到體現(xiàn)。

為解決上述問(wèn)題，本文將純電動(dòng)汽車(chē)的起步模式設(shè)置為一般起步模式、快速起步模式和緊急起步模式，各起步模式對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)曲線。轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)是加速踏板開(kāi)度的函數(shù)，其表達(dá)式如下：

不同的起步模式可以使駕駛員的起步意圖得到更好的體現(xiàn)。通過(guò)模糊控制算法來(lái)確定起步模式，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，然后將轉(zhuǎn)矩命令發(fā)送給電機(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)作用到車(chē)輪上，完成車(chē)輛起步。其中電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)和電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大輸出轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，其表達(dá)式如下：

純電動(dòng)汽車(chē)起步過(guò)程轉(zhuǎn)矩優(yōu)化策略如圖1所示。

2.1 起步模式識(shí)別

駕駛員的駕駛意圖主要通過(guò)踩踏加速踏板來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是車(chē)輛本身的狀態(tài)也會(huì)影響車(chē)輛的性能，因此在起步意圖識(shí)別時(shí)主要考慮加速踏板和車(chē)輛的狀態(tài)。車(chē)輛加速踏板開(kāi)度和加速踏板開(kāi)度的變化率可以直觀的反映駕駛員的起步意圖，加速踏板開(kāi)度代表車(chē)輛起步之后駕駛員期望的穩(wěn)定車(chē)速，加速踏板開(kāi)度的變化率的大小在一定程度上反映了駕駛員對(duì)于起步要求的快慢。當(dāng)駕駛員踩踏加速踏板的速度比較快時(shí)，代表駕駛員想要快速起步，電機(jī)應(yīng)該輸出一個(gè)較大的轉(zhuǎn)矩;當(dāng)駕駛員踩踏加速踏板的速度較慢時(shí)，代表駕駛員想要平穩(wěn)起步，電機(jī)輸出一個(gè)合適的轉(zhuǎn)矩。駕駛員在通過(guò)一系列操作來(lái)表達(dá)駕駛意圖時(shí)，為了車(chē)輛能要一個(gè)更好的起步加速過(guò)程，車(chē)輛狀態(tài)的分析也至關(guān)重要。電池SOC較大時(shí)，電池的持續(xù)輸出性能較好，優(yōu)先考慮快速起步，使駕駛員的起步意圖得到體現(xiàn);在電池SOC較小時(shí)，優(yōu)先考慮平穩(wěn)起步，降低電池的能耗，延長(zhǎng)整車(chē)的續(xù)航。

在車(chē)輛起步的過(guò)程中，駕駛員對(duì)汽車(chē)的操作是一系列的感性集合，因此起步模式的識(shí)別難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)表述。引入具有較強(qiáng)魯棒性的模糊推理[8]，利用模糊控制來(lái)判斷駕駛員的起步意圖。

以加速踏板開(kāi)度的變化率和電池的為輸入變量，起步模式為輸出變量建立模糊控制器。車(chē)輛的起步過(guò)程是一個(gè)加速的過(guò)程，因此將加速踏板開(kāi)度變化率的模糊集論域定義為[0 100]，其語(yǔ)言變量設(shè)置為：{極小ZS，小S，中M，大B，極大ZB}。電池的過(guò)小時(shí)會(huì)使車(chē)輛進(jìn)入跛行模式，因此將電池的模糊集論域定義為[20 100]，其語(yǔ)言變量設(shè)置為{小S，中M，大B}。起步模式n的論域設(shè)置為[1，3]，其語(yǔ)言變量設(shè)置為{一般起步模式S，快速起步模式M，緊急起步模式B}。選擇三角函數(shù)作為輸入變量的隸屬度函數(shù)，如圖2所示。輸出變量的隸屬度函數(shù)采用固定值，S對(duì)應(yīng)1，M對(duì)應(yīng)2，B對(duì)應(yīng)3。

在所選輸入變量的基礎(chǔ)上，總結(jié)駕駛員在純電動(dòng)汽車(chē)起步時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，模糊控制規(guī)則采用的形式，制定如表2所示的15條模糊規(guī)則。輸入變量首先經(jīng)過(guò)模糊化處理，然后再經(jīng)過(guò)模糊規(guī)則的模糊推理，最終通過(guò)解模糊得到精確的輸出變量。

2.2各起步模式設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)矩分配

2.2.1 緊急起步模式設(shè)計(jì)

在緊急起步模式下，為了滿足急加速起步的要求，整車(chē)的動(dòng)力響應(yīng)要迅速，加速踏板開(kāi)度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)是硬踏板控制方式[9]。

純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性主要體現(xiàn)在爬坡性能上面。擬定緊急起步模式下純電動(dòng)汽車(chē)以30 km·h-1車(chē)速爬坡，最大爬坡度是30%，可以得到不同爬坡度所需的電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩[10]，如表3所示。

定義車(chē)輛的加速踏板開(kāi)度與車(chē)輛爬坡度的關(guān)系如表4所示。

利用公式（3），可以求出不同爬坡度下電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)，綜合表3和表4可以得出加速踏板開(kāi)度與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)的關(guān)系，如表5所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，可以得到加速踏板開(kāi)度與轉(zhuǎn)負(fù)荷系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖3中緊急起步模式的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)曲線。

2.2.2 快速起步模式設(shè)計(jì)

在快速起步模式下，整車(chē)的動(dòng)力性相比緊急起步模式要差一些，減小整車(chē)的沖擊度，但是比一般起步模式下的動(dòng)力性能要好。擬定快速起步模式下純電動(dòng)汽車(chē)以30 km·h-1的車(chē)速爬坡，設(shè)定最大爬坡度為20%，可以得到不同爬坡度所需的電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩如表6所示。

定義車(chē)輛的加速踏板開(kāi)度與車(chē)輛爬坡度的關(guān)系如表7所示。

利用公式（3），可以求出不同爬坡度下電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)，綜合表6和表7可以得出加速踏板開(kāi)度與轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)的關(guān)系，如表8所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，可以得到加速踏板開(kāi)度與轉(zhuǎn)負(fù)荷系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖3中快速起步模式的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)曲線。

2.2.1 一般起步模式設(shè)計(jì)

在一般起步模式下，采用傳統(tǒng)的線性策略，如圖3中一般起步模式的轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)曲線。

3 控制策略仿真驗(yàn)證

在Matlab/simulink軟件中搭建整車(chē)仿真模型，該模型包括加速踏板模型、整車(chē)控制器模型、電機(jī)模型、電池模型、傳動(dòng)系模型和整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)控制策略進(jìn)行仿真。

將電池的SOC設(shè)置為80%，然后設(shè)置不同的加速踏板來(lái)對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)仿真結(jié)果中的車(chē)速、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和沖擊度進(jìn)行分析判斷控制策略的可行性。加速踏板的設(shè)置如圖4所示，三種情況分別是5-6s、5-7s、5-8s內(nèi)加速踏板開(kāi)度從0增至40%。仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）（b）可以看出，緊急起步模式和快速起步模式轉(zhuǎn)矩的輸出相比一般起步模式更大，更大的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)滿足駕駛員的快速起步要求;在車(chē)速方面，緊急起步模式和快速起步模式都能在較短的時(shí)間里完成起步并提速。由圖5（c）可以看出，三種起步模式都滿足沖擊度的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究運(yùn)用模式控制算法對(duì)駕駛員的起步意圖進(jìn)行識(shí)別，依據(jù)駕駛員的起步意圖確定電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)，最終確定電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。仿真結(jié)果表明，控制策略能夠較好的識(shí)別駕駛員的起步意圖，優(yōu)化了起步時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出，使汽車(chē)的起步加速性能大幅改善，并且能夠滿足汽車(chē)的平順性要求。為車(chē)輛的起步控制策略提供了一種有效的方法，對(duì)將來(lái)車(chē)輛的開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。

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