喬維高，楊永強(qiáng)，代 真

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

制動(dòng)能量回收是一種能夠提升純電動(dòng)汽車能量利用率的重要技術(shù)，也是純電動(dòng)汽車的重要特征之一[1]。據(jù)相關(guān)研究表明，若采用合理的回收策略，其續(xù)駛里程甚至能夠增加10%～30%[2]。制動(dòng)能量回收是純電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量，提高續(xù)駛里程的重要手段之一。

筆者以前輪驅(qū)動(dòng)的某純電動(dòng)汽車為研究對象，使用模糊推理對駕駛員的制動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別與判斷，合理協(xié)調(diào)分配制動(dòng)力以達(dá)到提高制動(dòng)能量回收率。

1 制動(dòng)意圖識(shí)別模型

1.1 制動(dòng)意圖識(shí)別參數(shù)確定

筆者采用模糊推理的方法來對駕駛員的制動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別。正確選取模糊推理的輸入?yún)?shù)對駕駛員的制動(dòng)意圖識(shí)別十分重要。用于制動(dòng)意圖識(shí)別的參數(shù)有制動(dòng)踏板開度、制動(dòng)踏板開度變化率、制動(dòng)踏板力、加速踏板開度和車速等[3]。其中，車速可以反映車輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)。制動(dòng)踏板開度在一定程度上反映了制動(dòng)力大小需求，可以較全面地反映駕駛員的制動(dòng)意圖。制動(dòng)踏板開度變化率即制動(dòng)踏板速率反映了制動(dòng)的緊急程度[4]。因此，選取車速、制動(dòng)踏板開度及制動(dòng)踏板開度變化率為駕駛員制動(dòng)意圖識(shí)別的輸入?yún)?shù)，建立多輸入單輸出的模糊推理模型[5]。

1.2 制動(dòng)意圖識(shí)別參數(shù)模糊化

設(shè)P為制動(dòng)踏板開度，dP為制動(dòng)踏板開度變化率，V為車速。將制動(dòng)踏板開度、制動(dòng)踏板開度變化率和車速的變化范圍分為3個(gè)區(qū)間。即輸入變量的區(qū)間表示為：P[0，100]；dP[-20，150]；V[0，160]。具體分類如表1所示，其中S、M、H分別代表小、中、大3個(gè)區(qū)間[6]。

表1 參數(shù)模糊化

1.3 模糊推理規(guī)則的確定

(1)確定各參數(shù)的隸屬度函數(shù)。制動(dòng)踏板開度、制動(dòng)踏板開度變化率和車速的隸屬度函數(shù)如圖1～圖3所示。

圖1 制動(dòng)踏板開度隸屬度曲線

圖2 制動(dòng)踏板開度變化率隸屬度曲線

圖3 車速隸屬度曲線

(2)確定以制動(dòng)強(qiáng)度為模糊推理的輸出參數(shù)。將輸出制動(dòng)強(qiáng)度歸類為3種制動(dòng)模式：持續(xù)制動(dòng)模式、常規(guī)制動(dòng)模式和緊急制動(dòng)模式。這3種制動(dòng)模式對應(yīng)的制動(dòng)強(qiáng)度范圍分別為：持續(xù)制動(dòng)模式中制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.3；常規(guī)制動(dòng)模式中制動(dòng)強(qiáng)度0.3

1.4 制動(dòng)意圖識(shí)別模型的建立

在確定制動(dòng)意圖的模糊推理方法后，運(yùn)用Matlab/Simulink搭建制動(dòng)意圖識(shí)別模型，如圖4所示。首先根據(jù)制動(dòng)踏板和加速踏板的位移情況判斷車輛運(yùn)行模式，當(dāng)車輛處于制動(dòng)模式狀態(tài)時(shí)，運(yùn)用Matlab模糊控制工具箱進(jìn)行駕駛員制動(dòng)意圖識(shí)別[7]。只有當(dāng)加速踏板位移為0且制動(dòng)踏板位移為正時(shí)，才會(huì)輸出有效的制動(dòng)強(qiáng)度z，否則制動(dòng)強(qiáng)度為0，后續(xù)的制動(dòng)力分配將會(huì)根據(jù)輸出的制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行。當(dāng)加速踏板位移與制動(dòng)踏板同時(shí)為0時(shí)，輸出制動(dòng)強(qiáng)度為0，同時(shí)輸出邏輯值1，表示進(jìn)入滑行模式，電機(jī)可以進(jìn)行滑行回饋制動(dòng)。當(dāng)加速踏板為正時(shí)，輸出制動(dòng)強(qiáng)度與判斷是否滑行的邏輯值均為0，即無制動(dòng)且不回收。

圖4 制動(dòng)意圖識(shí)別模型

2 制動(dòng)力分配策略

制動(dòng)力分配策略首先需要考慮2個(gè)要點(diǎn)：①制動(dòng)時(shí)方向穩(wěn)定性：需要準(zhǔn)確地響應(yīng)駕駛員的制動(dòng)需求，在提供車輛所需的總制動(dòng)力的前提下，合理地分配前后軸制動(dòng)力，避免車輛制動(dòng)時(shí)發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力等情況，保證車輛制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性；②能量回收率：以車輛安全制動(dòng)為前提，在滿足ECE(economic commission of Europe)制動(dòng)法規(guī)的條件下，盡量將制動(dòng)力分配給電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)，盡可能多地回收制動(dòng)能量，延長車輛的續(xù)駛里程[8]。

具體制動(dòng)力分配策略如圖5所示。圖5中I曲線為理想前后制動(dòng)器制動(dòng)曲線；Z1為僅前軸制動(dòng)的臨界制動(dòng)強(qiáng)度；Z2為純機(jī)械制動(dòng)的臨界制動(dòng)強(qiáng)度；Fm為電機(jī)可提供的最大制動(dòng)力。

圖5 制動(dòng)力分配策略

首先獲得制動(dòng)強(qiáng)度z值，同時(shí)獲得電機(jī)可提供的最大力矩，計(jì)算電機(jī)可提供的最大制動(dòng)力Fm。

當(dāng)z1f1，令后軸制動(dòng)力為f2，前軸采用全電機(jī)制動(dòng)，力為f1。

當(dāng)zc1，前軸制動(dòng)力全為電機(jī)制動(dòng)力；②Fm

當(dāng)z>z2時(shí)，不回收制動(dòng)能量，為純機(jī)械制動(dòng)[9]。

3 純制動(dòng)能量回收策略模型的建立

在AVL Cruise軟件中建立純電動(dòng)汽車整車底盤模型。并在Simulink軟件中根據(jù)純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收策略，搭建制動(dòng)能量回收控制模型。

車輛模型中需要設(shè)置名義尺寸、整備、阻力特性等基本參數(shù)，它是整個(gè)模型最基礎(chǔ)的部分。某前軸驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車的整車參數(shù)如表2所示。

表2 整車參數(shù)表

4 制動(dòng)能量回收策略仿真及結(jié)果分析

選取新歐洲行駛工況NEDC(new European driving cycle)循環(huán)工況和美國城市工況FTP75循環(huán)工況來模擬車輛的實(shí)際行駛情況，進(jìn)行仿真研究[10]。將動(dòng)力電池初始SOC值設(shè)置為0.90，在FTP75循環(huán)工況下分別對模糊控制策略和Cruise自帶策略進(jìn)行仿真，以電池的SOC值為監(jiān)測目標(biāo)，以車輛消耗的總能量、制動(dòng)消耗的能量以及電機(jī)回收的能量為評(píng)價(jià)指標(biāo)。NEDC和FTP75循環(huán)工況下電池SOC變化結(jié)果如圖6和圖7所示，兩者工況能量分析如表3和表4所示。

圖6 NEDC循環(huán)工況電池SOC變化曲線

圖7 FTP75循環(huán)工況電池SOC變化曲線

表3 NEDC循環(huán)工況能量分析

表4 FTP75循環(huán)工況能量分析

從圖6和表3可知，在NEDC循環(huán)下，采用模糊控制策略比采用Cruise自帶策略，SOC整體下降的更為緩慢，車輛的制動(dòng)能量回收率提高了4.27%，總能量回收率提高了1.97%。

從圖7和表4可知，在FTP75循環(huán)下，采用模糊控制策略比采用Cruise自帶策略，SOC整體下降更為緩慢，車輛的制動(dòng)能量回收率提高了6.73%，總能量回收率提高了3.08%。

5 結(jié)論

(1)在傳統(tǒng)制動(dòng)能量回收控制策略的基礎(chǔ)上添加了駕駛員制動(dòng)意圖識(shí)別的過程，使用模糊推理對駕駛員的制動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別與判斷，確定了前后軸制動(dòng)力的分配比例，提出了一種用于前輪驅(qū)動(dòng)的基于制動(dòng)意圖識(shí)別的純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制策略，以提高制動(dòng)能量回收率。經(jīng)聯(lián)合仿真分析得出相比Cruise的自帶策略，該策略對純電動(dòng)汽車進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，能量回收率更高，效果更好，是一種具有一定優(yōu)勢的純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制策略。

(2)在AVL Cruise軟件中建立了純電動(dòng)汽車的整車底盤模型，在Matlab/Simulink軟件中建立了制動(dòng)能量回收策略模型。根據(jù)仿真結(jié)果，車輛在FTP75城市循環(huán)下的制動(dòng)能量回收率比在NEDC綜合循環(huán)下的回收率高，即城市工況更有利于制動(dòng)能量回收。