摘要：汽車的底盤性能對(duì)新能源汽車的節(jié)能性、安全性、舒適性和操穩(wěn)性有著重要影響。以模糊制動(dòng)控制策略、遺傳算法分別對(duì)新能源汽車制動(dòng)子系統(tǒng)、新能源汽車轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)進(jìn)行分析并提出優(yōu)化方式，結(jié)果表明優(yōu)化電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)可提升2.5%的能量回收，GA-PID控制器取代傳統(tǒng)的PID控制器的方法能降低新能源汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作能耗，以此達(dá)到優(yōu)化目的。研究結(jié)論為新能源汽車底盤性能控制的實(shí)際應(yīng)用提供節(jié)能性、安全性、操穩(wěn)性的參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；底盤性能；控制；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469.7 收稿日期：2024-01-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.005

1 前言

汽車的底盤性能對(duì)新能源汽車的重要性能如節(jié)能性、安全性、舒適性和操穩(wěn)性等有著重要影響。隨著科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車不斷向新能源汽車迭代，新能源汽車逐步占據(jù)行業(yè)主流位置，隨之而來的是新能源汽車的使用對(duì)節(jié)能性、安全性、舒適性和操穩(wěn)性提出了更高的要求[1]。本文以制動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別提出了模糊制動(dòng)控制策略、遺傳算法兩種方法，并給出優(yōu)化建議，為之后新能源汽車的實(shí)際優(yōu)化提供思路。

2 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）

2.1 模糊控制策略

作為目前制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的最終產(chǎn)品，現(xiàn)階段的大多數(shù)新能源汽車基本上都是采用的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)更簡單，制動(dòng)效果更好，并且具有區(qū)別于傳統(tǒng)油車的制動(dòng)力，即再生制動(dòng)力[2]。

為了提高新能源汽車制動(dòng)時(shí)回收的能量，相關(guān)的再生制動(dòng)策略也在不斷的發(fā)展，但多數(shù)采用的仍是固定比例分配策略。經(jīng)研究分析，在電子機(jī)械制動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用模糊控制的分配策略可以使新能源汽車在制動(dòng)時(shí)完成最大化的回收能量。

2.2 模糊控制的原理

制動(dòng)控制流程如圖1所示。當(dāng)駕駛員踩下新能源汽車的制動(dòng)踏板后，計(jì)算出總制動(dòng)力，根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)時(shí)車速和電池的SOC值來判斷車輛是否需要進(jìn)行再生制動(dòng)，若不需要，則使電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)來進(jìn)行純機(jī)械制動(dòng)，若需要，則把制動(dòng)力輸入進(jìn)模糊控制器里，得到再生制動(dòng)力，同時(shí)再與輪廓電機(jī)的最大制動(dòng)力進(jìn)行比較，若小于最大制動(dòng)力，則再由電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充制動(dòng)[3]。

2.3 模糊控制的約束條件

a.電機(jī)轉(zhuǎn)矩限制。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)值時(shí)，它將保持恒定的轉(zhuǎn)矩，而EMB的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩則由Tmax來決定，因此，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過預(yù)設(shè)值時(shí)，它將保持恒定的功率。

b.電池SOC的限制。

為了保護(hù)新能源汽車的動(dòng)力電池，防止動(dòng)力電池過充，當(dāng)SOC[>]85%時(shí)，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)就退出再生制動(dòng)模式，轉(zhuǎn)為純機(jī)械制動(dòng)。

c.新能源汽車車速的限制。

當(dāng)車輛速度較低時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)得很緩慢，所引起的充電電流也極小，因此為使車輛迅速停下，在速度逐漸降低后使之退出再生制動(dòng)系統(tǒng)，并改為純機(jī)械剎車。本文設(shè)置限制車速為5 km/h，當(dāng)車速低于該值，便退出再生制動(dòng)。同時(shí)為了使再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的交替平緩進(jìn)行，設(shè)置一個(gè)速度影響因子[Kw]，電機(jī)再生制動(dòng)力占比系數(shù)為K×[Kw]。電機(jī)的再生制動(dòng)能力，相當(dāng)于分配在每個(gè)軸上的最大需求制動(dòng)能乘上約束后的占比系數(shù)K×[Kw]。通過前后軸制動(dòng)力分配可以得出對(duì)前后軸的需求制動(dòng)能力，進(jìn)而測試對(duì)每個(gè)軸承的再生制動(dòng)能力是否可以達(dá)到要求，如若沒有，則使用機(jī)械制動(dòng)能作為補(bǔ)償。速度影響因子表達(dá)式如下：

2.4 模糊控制策略的優(yōu)勢

采用模糊制動(dòng)控制策略，可以將實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成定性的模糊控制規(guī)則，從而提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性[4]。通過對(duì)新能源汽車再生制動(dòng)控制系統(tǒng)的建模，可以更加精確地捕捉到實(shí)際操作中無法準(zhǔn)確反映的規(guī)律，并且可以更加清楚地展示出影響再生制動(dòng)控制的各種因素。通過對(duì)能量回收問題的深入研究，提出一種新的基于改進(jìn)固定比例分配策略的能量管理方案，以期望最大限度地提升新能源汽車的再生制動(dòng)效率。通過建模預(yù)測制動(dòng)力分布，提出了基于邊界約束優(yōu)化的再生制動(dòng)控制策略。通過采用這種控制策略，可以確保制動(dòng)的安全性、穩(wěn)定性，制動(dòng)力分配得到調(diào)整，在頻繁制動(dòng)的情況下，制動(dòng)能量回收效果突出。

2.5 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化建議

現(xiàn)階段，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是最適合大眾的制動(dòng)系統(tǒng)，但是現(xiàn)在新能源汽車的發(fā)展理念不僅要節(jié)約能源，還要提高回收的能量，所以電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)還具有優(yōu)化的空間。

通過采用模糊控制策略，可以將傳統(tǒng)的固定分配比例策略進(jìn)行優(yōu)化，從而使新能源汽車在制動(dòng)時(shí)能夠更有效地回收制動(dòng)能量，因此最大限度地減少能源的浪費(fèi)。經(jīng)研究，這種優(yōu)化方式可以使新能源汽車的續(xù)航里程提高10%以上。

通過圖2和圖3對(duì)NEDC和CLTC-P工況下SOC變化的對(duì)比，可以清晰地看到，基于電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)采用模糊控制策略，可以相對(duì)于傳統(tǒng)的固定分配比例策略多回收能量2.5%左右，且經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該優(yōu)化建議完全可行。

3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）

3.1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)勢

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化相對(duì)于前面的系統(tǒng)要求較低，但轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向是逐漸輕便化[5]，這對(duì)駕駛者的駕駛體驗(yàn)以及路感是很重要的。而對(duì)于現(xiàn)階段的新能源汽車來說，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可滿足這些要求。該系統(tǒng)跟上一代的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，取消了液壓線路，取而代之的是線控技術(shù)，這使得助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全由ECU決定，也就是電信號(hào)，這樣對(duì)于駕駛者來說有著更好的駕駛體驗(yàn)。比如以前在轉(zhuǎn)向的時(shí)候用一只手，甚至是兩只手，而在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，只用一根手指也同樣能完成汽車的轉(zhuǎn)向，符合新能源汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輕便化的發(fā)展方向。

3.2 GA-PID控制器

經(jīng)上文研究可知，現(xiàn)階段新能源汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本上都是采用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)不僅是使車輛的駕駛越來越輕便化，更主要的還是可以減少能源的消耗，這是新能源汽車底盤性能發(fā)展最重要的理念[6]。而要最大化地實(shí)現(xiàn)這種理念，就要采用遺傳算法對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中傳統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行優(yōu)化。

GA-PID就是利用遺傳算法優(yōu)化的PID控制器。它與傳統(tǒng)的PID方法相比，具有更快的速度，操作更加方便，且能避免復(fù)雜的運(yùn)算規(guī)則。

經(jīng)過研究可知，如果采用GA-PID控制器，那么新能源汽車的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將會(huì)比傳統(tǒng)的PID控制器更能減少能源消耗。

3.3 遺傳算法（GA）優(yōu)化PID控制器

a.確定約束條件。

PID控制器有三個(gè)Kp（比例系數(shù)）、Ki（積分系數(shù)）和Kd（微分系數(shù)），而這三個(gè)系數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)有著決定性的作用，所以可以根據(jù)這三個(gè)系數(shù)確定取值范圍。

b.建立優(yōu)化模型。

通過采取一系列的措施，包括調(diào)整誤差的絕對(duì)值，使其達(dá)到一個(gè)更小的目標(biāo)函數(shù)，以及確保目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確度，從而達(dá)到更好的效果，最終選用以下公式[7]作為參數(shù)選擇的最優(yōu)指標(biāo)：

d.確定編碼和解碼方法。

遺傳算法可以通過二進(jìn)制和實(shí)數(shù)編碼來實(shí)現(xiàn)，其中，實(shí)數(shù)編碼雖然不需要解碼，但是在遺傳操作中卻不太方便，而二進(jìn)制編碼則更加簡單，只需要進(jìn)行解碼處理，就能夠獲得最佳的結(jié)果。

e.確定遺傳算法（GA）的運(yùn)行參數(shù)。

通過實(shí)際情況去確定種群的大小等一系列參數(shù)，然后進(jìn)行遺傳算法的編寫，最后得到優(yōu)化后的PID參數(shù)。

3.4 GA-PID控制器的優(yōu)勢

a.自適應(yīng)搜索。

GA-PID對(duì)于信息能夠模仿生物遺傳的機(jī)理，使遺傳算法對(duì)信息能夠自動(dòng)整合、調(diào)整，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力和智能化。

b.優(yōu)化解的全局性。

遺傳算法具有全局搜索的能力，因?yàn)樗捎秒S機(jī)策略來搜索最優(yōu)解，是一種模糊思維，可以同時(shí)搜索多個(gè)最優(yōu)解，使搜索期望值得以實(shí)現(xiàn)，從而找到全局最優(yōu)解。

3.5 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化建議

新能源汽車在使用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)依靠的是其內(nèi)部的PID控制器來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，但僅依靠傳統(tǒng)的PID控制器來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，將會(huì)導(dǎo)致低效，所以針對(duì)這個(gè)問題提出的優(yōu)化建議是采用GA-PID控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器。

而在采用PID控制器時(shí)，Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制效果有著決定性的作用。

如表1所示，GA-PID控制器相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制器有著更好的控制性能，這也就表示經(jīng)過優(yōu)化后的PID控制器可以讓電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在進(jìn)行工作時(shí)的能耗更低，能夠最大限度地減少電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在工作時(shí)的能量損耗。另外，優(yōu)化電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的成本不高，將它用于實(shí)踐中將有利于新能源汽車行業(yè)的再一次發(fā)展。

4 結(jié)語

本文主要以模糊制動(dòng)控制策略、遺傳算法分別對(duì)新能源汽車制動(dòng)子系統(tǒng)、新能源汽車轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

a.經(jīng)優(yōu)化的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)能量回收率提升約2.5%，續(xù)航里程提升約10%。

b.GA-PID控制器相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制器有著更好的控制性能。

通過分析以上結(jié)論，給出如下優(yōu)化建議：

a.采用模糊控制策略優(yōu)化電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，可確保制動(dòng)的安全性、穩(wěn)定性，制動(dòng)力分配得到調(diào)整，頻繁制動(dòng)的情況下，制動(dòng)能量回收效果突出。

b.使用GA-PID控制取代傳統(tǒng)的PID控制器。GA-PID控制可以將電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作能耗降到最低。

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作者簡介：

周新智，男，2003年生，本科生在讀，研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>

朱元潤（通訊作者），女，2001年生，本科生在讀，研究方向?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車。