基于模糊控制的電動城市客車制動力分配研究

王業琴，楊 艷

（淮陰工學院 電子與電氣工程學院，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，引起了國內外學者的廣泛關注。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和前輪摩擦制動分配系數，通過修改前輪制動力分配系數達到理想的分配方案，缺乏理論基礎。而且該方法沒有考慮隨著行駛工況變化，而導致相關參數的改變，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。該策略優點是能充分利用地面附著條件，制動距離短，制動時汽車方向穩定性最好，缺點是控制系統復雜，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制動法規前提下，前后軸制動力按回饋制動能量最多的原則進行分配。該分配策略的優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行精確控制，控制系統復雜，技術難度很大，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。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，蓄電池過充電嚴重影響循環壽命和安全性。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學表達式來進行計算，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表達的控制規則，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，電機以發電方式工作，回饋電能到動力電池，實現能量的再生利用。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，整車控制器根據車輛行駛速度和電池SOC進行綜合判斷，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對驅動輪施加制動力，實現車輛再生制動。

2 再生制動回收能量分析

根據汽車的驅動力平衡方程，電動城市客車在行駛過程中，牽引力Ft應滿足：

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：

機械傳動系統的制動瞬時功率P1為：

輸入發電機瞬時功率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—電機發電效率?；厥漳芰抗β蔖4為：

式中：K3—能量存儲系統的充電效率。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、電機發電效率K2、能量存儲系統的充電效率K3等有關，但由于系統各環節效率大多在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定性的基礎上合理分配再生制動力，才能實現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為前提條件，使機械制動力和再生制動力達到最優分配，以達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，再生制動比例系數作為輸出，采用“高”、“中”、“低”等模糊量代替精確量，進行模糊控制規則設計，根據實際經驗進行輸入輸出隸屬度函數設計，便于根據路況、車況在運用過程中，根據控制規則，調整制動力分配比例[6]。

3.1 隸屬度函數的設計

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}，根據大量實車數據和仿真實驗，設計車速、電池SOC、制動踏板行程和再生制動比例系數的隸屬度函數如圖1所示。

圖1 模糊控制輸入、輸出量的隸屬度函數

表1 模糊控制規則表

3.2 模糊規則設計

制定制動力分配模糊規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。根據實車運行數據和仿真實驗總結模糊控制規則表如表1所示，共27條規則[8]。

4 仿真實驗分析

本文選擇中國典型城市公交循環工況進行仿真實驗，循環時間為1314s，行駛距離為5.8km，最高車速為60km/h，停靠次數為14次。車輛參數及性能指標如下：

1）電池參數。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單體電池并聯容量為300Ah的電池模塊，180個電池模塊串聯構成576V電壓方式連接。

2）車輛參數。滿載重量，18000kg；整備重量，13200kg；迎風面積，6.66m2；傳動系統效率，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，0.01。

根據電動城市客車制動能量回收的影響因素，設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為輸出，另一個摩擦制動系數也就同時確定了。制動轉矩修正模塊將模糊控制器輸出的再生制動比例系數和制動踏板行程作為輸入，最終確定機械制動轉矩和電機制動轉矩的大小。利用MATLAB搭建仿真模型編譯動態連接庫文件與電動汽車仿真軟件進行聯合仿真。

一個中國典型城市公交循環，傳統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工況，模糊控制再生制動控制行駛里程為140.7km，傳統再生制動行駛總里程為130.5km，續駛里程提高7.8%。

圖2 電池SOC

5 結論

1）模糊控制再生制動力分配無需建立再生制動力分配數學模型，系統魯棒性好。

2）考慮電池SOC、電機轉速、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%，然而目前國內的公交路況的制動頻率遠遠高于典型循環工況，例如杭州市區大概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用，能量回收效率有望達到50%以上。

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