馬曉楠，吉春宇，韋尚軍，覃記榮，鄭偉光,

純電動汽車加速過程的轉(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）

針對純電動汽車在加速過程中電機輸出轉(zhuǎn)矩不能準確表達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。為了準確識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，對駕駛員的加速意圖進行識別，并將汽車的加速模式設(shè)計為動力模式、一般模式和經(jīng)濟模式3種模式。動力模式采用硬踏板曲線控制，同時為提高車輛在低速和急加速時的加速性能，增加了基于模糊控制的補償轉(zhuǎn)矩；一般模式采用線性踏板曲線控制，作為動力模式與經(jīng)濟模式切換的過渡；經(jīng)濟模式采用軟踏板曲線控制，提高車輛加速時的經(jīng)濟性。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)化控制策略能夠準確識別駕駛員的駕駛意圖，汽車的動力性和經(jīng)濟性都得到了改善。

純電動汽車；駕駛意圖；模糊控制；轉(zhuǎn)矩優(yōu)化；補償轉(zhuǎn)矩

1 前言

純電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車有噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單、無污染等優(yōu)點，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[1]。純電動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，造成純電動汽車的制造成本一直高居不下，對純電動汽車的推廣產(chǎn)生了一定阻礙[2]。傳統(tǒng)的純電動汽車的驅(qū)動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較差，整車的動力性和經(jīng)濟性都不突出。文獻[3]中汽車的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制策略采用的線性踏板控制策略，策略較簡單，整車的動力性和經(jīng)濟性都不突出。文獻[4]通過改變加速踏板行程所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩負荷系數(shù)來確定電機的輸出轉(zhuǎn)矩，汽車的動力性得到改善。文獻[5]提出了三種驅(qū)動模式供駕駛員手動選擇，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[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)濟性較差。

針對上述問題，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)計為動力模式、一般模式和經(jīng)濟模式。然后根據(jù)模糊控制器的輸出結(jié)果完成對加速模式的選擇。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駕駛意圖進行識別，汽車的動力性和經(jīng)濟性得到體現(xiàn)。

2 轉(zhuǎn)矩控制策略

轉(zhuǎn)矩控制策略的目的是對電機輸出轉(zhuǎn)矩進行合理的優(yōu)化，使得電機輸出轉(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，進而計算出電機輸出轉(zhuǎn)矩值，并將輸出轉(zhuǎn)矩指令傳送給電機，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，汽車所能夠到達穩(wěn)定工況時的車速。此時汽車的運動方程式為：

式中：v為駕駛員的期望車速。

由文獻[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)，并且是一一對應(yīng)的關(guān)系。

定義車速偏差為駕駛員期望車速與實際車速的差值：

式中：v為實際車速。

2.1.2加速模式模糊識別

在駕駛員的加速過程中，駕駛員的一系列操作會因環(huán)境變化而改變，整個過程也會變得復(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)計中，加速踏板開度變化率的論域為[0,100]，車速偏差的論域為[0,90]，兩者語言變量模糊子集均分為5級：極小（VS）、?。⊿）、中（M）、大（B）、極大（VB）；駕駛意圖系數(shù)的論域為[1,4]，語言變量模糊子集分為4級：極?。╖）、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：當駕駛意圖系數(shù)在[1,2]內(nèi)斯，加速模式為經(jīng)濟模式；當駕駛意圖系數(shù)在[1,3]內(nèi)時，加速模式為一般模式；當駕駛意圖系數(shù)在[3,4]內(nèi)時，加速模式為動力模式。

2.2 動力模式轉(zhuǎn)矩控制

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

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

動力模式下，加速踏板開度與轉(zhuǎn)矩負荷系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系采用硬踏板曲線。對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

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

圖4 轉(zhuǎn)矩控制流程圖

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

補償轉(zhuǎn)矩的設(shè)計應(yīng)使車輛的平順性不會受到很大的影響，因此在確定補償轉(zhuǎn)矩最大值時應(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準為≤10/3，以電機的理論響應(yīng)時間為20ms計算，電機在響應(yīng)時間內(nèi)轉(zhuǎn)矩的最大變化值為80N·m，所以電機的補償轉(zhuǎn)矩最大值為80N·m。

基于上述分析設(shè)計以車速和車速偏差為輸入變量、以補償轉(zhuǎn)矩為輸出變量的模糊控制器，其中車速的論域為[0,90]，車速偏差的論域為[0,90]，補償轉(zhuǎn)矩的論域為[0,80]，語言變量模糊子集均分為5級：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

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

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

一般模式的電機轉(zhuǎn)矩負荷曲線如圖6所示。

圖6 一般模式的轉(zhuǎn)矩負荷曲線

2.4 經(jīng)濟模式轉(zhuǎn)矩控制

純電動汽車的經(jīng)濟模式旨在滿足駕駛員駕駛意圖的同時，提升汽車的經(jīng)濟性，延長汽車的續(xù)航里程。從電機的外特性出發(fā)，尋求電機的最佳工作曲線[9]，進而設(shè)計加速踏板開度與轉(zhuǎn)矩負荷系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖7所示。經(jīng)濟模式下的電機輸出轉(zhuǎn)矩為：

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

3 控制策略的仿真驗證

在Matlab/Simulink中建立純電動汽車整車仿真模型，通過設(shè)置不同的加速踏板開度來驗證轉(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。

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

表3 純電動汽車主要參數(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，當駕駛員猛踩加速踏板時，控制策略能夠準確識別出動力模式，在短時間內(nèi)提高轉(zhuǎn)矩輸出，加速性能顯著增強。當駕駛員緩慢踩踏加速踏板時，控制策略識別為經(jīng)濟模式，電機輸出轉(zhuǎn)矩減小，提升了整車的經(jīng)濟性。

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

表5 工況2單位里程能耗對比

從表4中可以看出，本文所研究的根據(jù)駕駛意圖對電機輸出轉(zhuǎn)矩進行優(yōu)化的策略，能夠使加速時間縮短；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)濟性。

4 結(jié)論

通過對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，能夠準確識別駕駛員的駕駛意圖，并且切換到合適的加速模式，提高了整車的動力性和經(jīng)濟性。當駕駛員對加速踏板快速踩踏時，轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略識別出較強的加速意圖，選擇動力模式提高電機輸出轉(zhuǎn)矩，來達到快速提升車速的目的；當駕駛員對加速踏板緩慢踩踏時，轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略識別出駕駛員的加速意圖較緩慢，選擇經(jīng)濟模式適當降低輸出轉(zhuǎn)矩，提升整車的經(jīng)濟性。

[1] 趙軒,肖廣朋,馬建,汪貴平.純電動汽車驅(qū)動控制器研究與開發(fā)[J]. 科技導(dǎo)報,2012,30(06):30-35.

[2] 徐飛,梁緣,李丹林,王玉姣,李康.基于模糊邏輯的電動汽車駕駛意圖設(shè)計及應(yīng)用[J].汽車科技,2017(02):18-22.

[3] 王立國.純電動客車動力總成控制策略研究[D].吉林大學(xué),2009.

[4] LIU H W,GUO W W,CHU L, et al.Transient optimization of drive control strategy for pure electric passenger car [C]//2011 Internati -onal Conference on Electric Mechanical Engineering and Informa -tion Technology.Piscataway,USA: IEEE,2011:1025-1028.

[5] 陳龍,程偉,徐興,孫曉東.基于模糊控制的純電動汽車加速輸出轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略[J].汽車技術(shù),2015(04):56-61.

[6] 徐凱,牛志剛.純電動汽車加速轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)化策略[J].機械設(shè)計與制造,2016(09):50-53.

[7] 鄧元望,鄭潮雄,曾俊,高洋.純電動汽車轉(zhuǎn)矩動力性能優(yōu)化控制研究[J].計算機仿真,2017,34(01):132-137.

[8] Lu D K, Li W M, Xu G Q, et al. Fuzzy logic control approach to the energy management of Parallel Hybrid Electric Vehicles.IEEE Con -ference on Information and Automation. 2012:592-596.

[9] 熊會元,何山,查鴻山,朱雄來.雙軸驅(qū)動純電動汽車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的分配控制策略[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,46(11):117- 124.

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

U469.72

A

1671-7988(2021)04-01-06

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)機電工程學(xué)院，主要研究方向：純電動汽車驅(qū)動控制研究。