基于模糊規(guī)則的電動(dòng)汽車(chē)機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力分配策略

王 健，盤(pán)朝奉，陳 燎，李仲興，方 恩，林俊良

(1.江蘇大學(xué) 汽車(chē)工程研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司， 上海 201804)

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，汽車(chē)工業(yè)由傳統(tǒng)車(chē)輛向新能源車(chē)輛轉(zhuǎn)型，綜合考慮國(guó)家要求、居民生活以及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，發(fā)展新能源汽車(chē)是十分必要的。新能源汽車(chē)的主要發(fā)展方向就是電動(dòng)汽車(chē)以及混合動(dòng)力汽車(chē)，故對(duì)相應(yīng)的適配技術(shù)提出了更高的要求。據(jù)相關(guān)研究表明：車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中，在典型城市工況下由傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的能量損失占工況總需求能量的30%～50%，此部分能量大多轉(zhuǎn)化為熱能消耗[1]。而電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)的新能源車(chē)輛可通過(guò)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行能量回收，同時(shí)提供部分電機(jī)制動(dòng)力參與制動(dòng)，以提高整車(chē)的能量利用率，延長(zhǎng)車(chē)輛續(xù)駛里程[2]。電機(jī)參與驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)由兩部分組成：電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)(機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng))，通過(guò)二者動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)完成整車(chē)的制動(dòng)過(guò)程(機(jī)電復(fù)合制動(dòng)過(guò)程)。

綜合國(guó)內(nèi)外圍繞復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究主要有3個(gè)方面：復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)能量回收效率及儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)，基于復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)下的車(chē)輛穩(wěn)定性問(wèn)題，復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電制動(dòng)力分配策略及算法。為了進(jìn)一步提高制動(dòng)能量回收效率，機(jī)電制動(dòng)力分配策略及算法是其核心問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)生產(chǎn)廠商以及高校對(duì)其相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究[3]。張京明等[4]針對(duì)某款混合動(dòng)力汽車(chē)，提出了一種基于并行控制的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制策略，該策略不需要對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行修改，通過(guò)改變液壓制動(dòng)的介入方式和時(shí)間實(shí)現(xiàn)復(fù)合制動(dòng)。Khaled等[5]依據(jù)ECE(economic commission of europe) 法規(guī)深入研究了電機(jī)復(fù)合制動(dòng)過(guò)程，深入分析了前后軸制動(dòng)力分配系數(shù)，使用滑模控制進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)校。Zhao等[6]針對(duì)電控液壓制動(dòng)、電動(dòng)機(jī)械制動(dòng)等制動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以提高制動(dòng)能量回收率為目標(biāo)的制動(dòng)分配策略，并在試驗(yàn)樣車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)。為了優(yōu)化機(jī)電制動(dòng)力動(dòng)態(tài)耦合，各大汽車(chē)及零部件生產(chǎn)廠商提出了不同的電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的解決方案，其目的為實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的獨(dú)立控制。Toyota公司生產(chǎn)的Prius 所采用的第一、第二代電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(EHB)以及Bosch公司的Ibooster和ESP-hev制動(dòng)力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輪缸壓力與主缸壓力的解耦，可進(jìn)行輪缸壓力的獨(dú)立調(diào)節(jié)。

將綜合考慮ECE法規(guī)要求以及理想制動(dòng)力分配要求，依據(jù)模糊控制理論提出一種以能量回收效率最優(yōu)的制動(dòng)力分配策略。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)建立電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型以及電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)模型對(duì)此分配策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用的某小型前驅(qū)電動(dòng)轎車(chē)的整車(chē)參數(shù)如表1所示。機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由無(wú)源串聯(lián)再生制動(dòng)系統(tǒng)及電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)組成，無(wú)源串聯(lián)再生制動(dòng)系統(tǒng)在進(jìn)行能量回收的同時(shí)產(chǎn)生電機(jī)制動(dòng)力，此再生制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)半控制整流橋控制回收過(guò)程中充電電流的大小實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)力的控制[7]。

表1 電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數(shù)

圖1 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)主缸與輪缸的解耦，獨(dú)立控制輪缸壓力。在制動(dòng)過(guò)程中，為了提高制動(dòng)能量的回收效率，優(yōu)先采用電機(jī)制動(dòng)原則，電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行跟隨補(bǔ)償，以滿(mǎn)足整車(chē)需求制動(dòng)力。

2 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)建模

2.1 電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)建模

此電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)采用無(wú)源串聯(lián)再生制動(dòng)系統(tǒng)，由電機(jī)、電機(jī)控制器、半控整流橋、動(dòng)力電池及超級(jí)電容(UC)組成。制動(dòng)能量回收過(guò)程通過(guò)半控整流橋與超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制半控整流橋來(lái)控制電機(jī)再生電流的大小，即實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的控制。驅(qū)動(dòng)時(shí)有2種操作模式：動(dòng)力電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力電池與超級(jí)電容串聯(lián)驅(qū)動(dòng)[8]。電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 無(wú)源串聯(lián)再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)定子電壓平衡方程為：

(1)

式中：ui為三相繞組電壓；ei為三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)；ii為通過(guò)三相繞組的電流；Li為三相定子繞組自感；Lij為三相定子繞組之間的互感；Ri為三相定子繞組的相電阻；p為微分算子;此處i=a，b，c;j=a，b，c。

無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程可分別表示為：

(2)

(3)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；ω為無(wú)刷直流電機(jī)的角速度；Bw為阻尼系數(shù)；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)角速度的關(guān)系以及電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞組上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)幅值如式(4)(5)：

(4)

Ep=Ken

(5)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Ke為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Ep為反電動(dòng)勢(shì)幅值。

2.2 電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型

所要求電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與常用底盤(pán)液壓控制單元相同，為了在進(jìn)行獨(dú)立增壓控制時(shí)，模擬制動(dòng)踏板感覺(jué)，在主缸與液壓控制單元之間增加了踏板模擬單元，此不是研究核心，故不贅述[9-10]。液壓控制單元的物理結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)現(xiàn)機(jī)電制動(dòng)力合理分配的主要元件為主動(dòng)增壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)電流信號(hào)對(duì)增壓閥與減壓閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過(guò)程中輪缸的增減壓。基于PID控制方法對(duì)目標(biāo)壓力與實(shí)際輪缸壓力進(jìn)行偏差控制，控制邏輯如圖4所示。

圖3 電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖

圖4 壓力控制邏輯

圖中：pref為輪缸參考?jí)毫Γ籶real為輪缸實(shí)際壓力；e(t)為壓力偏差；PWMmot為電機(jī)促動(dòng)信號(hào)；PWMinc為增壓閥控制信號(hào)；PWMrel為減壓閥控制信號(hào)；Q為流量。

3 制動(dòng)力分配策略分析

3.1 前后軸制動(dòng)力分配要求

前后軸制動(dòng)力分配不僅影響車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性，還將影響機(jī)電制動(dòng)力的分配，進(jìn)而影響再生制動(dòng)過(guò)程中的能量回收效率。所以對(duì)前后軸制動(dòng)力分配的限制條件進(jìn)行分析，是研究分配策略的基礎(chǔ)。

在滿(mǎn)足制動(dòng)安全的前提下，前后軸制動(dòng)力分配的上限為理想制動(dòng)力分配曲線，即I曲線，按照I曲線進(jìn)行分配時(shí)，前后軸制動(dòng)力關(guān)系如下式：

(6)

式中：Fr為后軸制動(dòng)力；Ff為前軸制動(dòng)力；G為車(chē)身重量；hg為車(chē)輛質(zhì)心高度；b為質(zhì)心到后軸的距離；L為軸距。

除上述要求外，ECE制動(dòng)法規(guī)對(duì)雙軸轎車(chē)的前后制動(dòng)力也提出了要求，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z=0.2～0.8時(shí)，前軸的利用附著系數(shù)曲線應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線之上，使前軸先抱死，保證汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性；利用附著系數(shù)滿(mǎn)足φ≤(z+0.07/0.85)，并接近理想的φ=z曲線，以保證較高的附著利用率。對(duì)于前驅(qū)車(chē)輛ECE下邊界為：

(7)

3.2 前軸機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力分析

車(chē)輛前軸的制動(dòng)力由2個(gè)部分組成：前軸液壓制動(dòng)力Ff_hyd與電機(jī)制動(dòng)力Ff_mot;在電機(jī)參與制動(dòng)時(shí)優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)力，液壓制動(dòng)力通過(guò)電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立控制輪缸壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到機(jī)電制動(dòng)動(dòng)態(tài)耦合的目的。具體表現(xiàn)形式如圖5所示。

圖5 前軸制動(dòng)力耦合分析

圖5表示在某一制動(dòng)過(guò)程中，前軸制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力與液壓制動(dòng)力之間的關(guān)系，明顯看出，要想實(shí)現(xiàn)機(jī)電制動(dòng)力的動(dòng)態(tài)耦合，需要液壓?jiǎn)卧哂歇?dú)立增壓的功能。

3.3 基于模糊規(guī)則的制動(dòng)力分配策略

通過(guò)分析，前后軸制動(dòng)力分配受I曲線與ECE法規(guī)邊界線限制，故前后軸制動(dòng)力分配曲線需在二者所圍區(qū)域內(nèi)。通過(guò)分析電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程可知，電機(jī)制動(dòng)力的大小受當(dāng)前車(chē)速影響較大；此外回收能量存儲(chǔ)單元的荷電狀態(tài)會(huì)影響能量回收過(guò)程中電機(jī)與超級(jí)電容之間的電流大小，進(jìn)而影響電機(jī)制動(dòng)力大小。綜合考慮前后軸制動(dòng)力分配規(guī)則以及電機(jī)制動(dòng)力的限制因素，前后軸制動(dòng)力分配為典型的非線性多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題，故選擇模糊控制規(guī)則對(duì)多變量問(wèn)題進(jìn)行非線性?xún)?yōu)化。前后軸制動(dòng)力分配關(guān)系如圖6所示，在制動(dòng)強(qiáng)度滿(mǎn)足z<0.2時(shí)，整車(chē)制動(dòng)力由前軸承擔(dān)；制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.2時(shí)，在模糊區(qū)域內(nèi)按照模糊規(guī)則進(jìn)行分配。進(jìn)行制動(dòng)力分配時(shí)，前后軸滿(mǎn)足以下條件：

Ff+Fr=zG

(8)

圖6中A(Ff_ECE，F(xiàn)r_ECE)點(diǎn)為在某制動(dòng)強(qiáng)度下ECE法規(guī)對(duì)應(yīng)的前后軸制動(dòng)力分配下限點(diǎn)。

圖6 前后軸制動(dòng)力分配策略

B(Ff_I，F(xiàn)r_I)點(diǎn)為I曲線對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力分配點(diǎn)，兩點(diǎn)都滿(mǎn)足式(8)，則確定實(shí)際制動(dòng)力分配原則為：

Ff_fuzz=Ff_ECE-qΔFf

(9)

ΔFf=Ff_ECE-Ff_I

(10)

Fr_fuzz=zG-Ff_fuzz

(11)

式中：Ff_fuzz與Fr_fuzz為模糊規(guī)則下的前后軸制動(dòng)力; ΔFf為前軸制動(dòng)力差;q為模糊系數(shù)。

模糊控制器的設(shè)置為3個(gè)輸入：當(dāng)前車(chē)速vreal、超級(jí)電容UC及制動(dòng)強(qiáng)度z；1個(gè)輸出：模糊因數(shù)Q。模糊因子將直接決定前后軸制動(dòng)力分配點(diǎn)的位置。

當(dāng)前車(chē)速的論域設(shè)置為[0，60]；并劃分成3個(gè)模糊子集{低，中，高}，分別用字母{L，M，H}表示；超級(jí)電容UC的論域設(shè)置為[0，1]，并劃分成3個(gè)模糊子集{低，中，高}，分別用字母{P1，P2，P3}表示；制動(dòng)強(qiáng)度z的模糊子集被劃分成3個(gè)等級(jí)，具體表示為{小，中，大}，分別用字母表示為{S1，S2，S3}；模糊系數(shù)q劃分成3個(gè)模糊子集，分別用字母{Q1，Q2，Q3}表示，模糊規(guī)則如表2所示，隸屬度函數(shù)如圖7所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

圖7 隸屬度參數(shù)示意圖

4 分配策略驗(yàn)證

4.1 制動(dòng)力實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

利用實(shí)際部件實(shí)驗(yàn)測(cè)得的制動(dòng)力或制動(dòng)力矩曲線對(duì)模型進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。電機(jī)的制動(dòng)力標(biāo)定方法為：利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得電機(jī)制動(dòng)力map圖，對(duì)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模過(guò)程的參數(shù)標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)所得電機(jī)制動(dòng)map圖如圖8所示。

圖8 電機(jī)制動(dòng)map圖

由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際增壓過(guò)程受液壓控制單元物理結(jié)構(gòu)的影響，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)較難測(cè)得，故通過(guò)液壓控制單元增壓實(shí)驗(yàn)測(cè)得增壓過(guò)程曲線對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 2.5 MPa增壓標(biāo)定結(jié)果

圖10 10 MPa增壓標(biāo)定結(jié)果

4.2 前后軸制動(dòng)力分配驗(yàn)證

通過(guò)仿真驗(yàn)證機(jī)電復(fù)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)耦合的有效性，將通過(guò)對(duì)低速小減速度、高速小減速度及高速大減速度3個(gè)工況進(jìn)行驗(yàn)證，如圖11、12、13所示。

圖11 低速小減速度制動(dòng)情況驗(yàn)證

圖12 高速小減速度制動(dòng)情況驗(yàn)證

圖13 高速大減速度制動(dòng)情況驗(yàn)證

通過(guò)綜合分析以上3種復(fù)合制動(dòng)情況，車(chē)速是電機(jī)制動(dòng)力的一個(gè)主要影響因素，當(dāng)最高車(chē)速為15 km/h，減速度為0.83 m/s2時(shí)，在制動(dòng)起始階段電機(jī)就無(wú)法提供整車(chē)需求的減速度，需要液壓制動(dòng)參與；而當(dāng)最高車(chē)速為48 km/h，減速度為0.83 m/s2時(shí)，制動(dòng)起始階段制動(dòng)力完全由電機(jī)制動(dòng)力提供；當(dāng)最高車(chē)速為48 km/h，減速度為2.72 m/s2時(shí)，此時(shí)由于需求制動(dòng)減速度較大，電機(jī)制動(dòng)力無(wú)法滿(mǎn)足制動(dòng)要求，故起始制動(dòng)需要液壓參與。第1種與第3種情況電機(jī)充分發(fā)揮了其制動(dòng)能力，本著電機(jī)制動(dòng)力優(yōu)先原則，前后軸制動(dòng)力分配中前軸制動(dòng)力的分配要求不會(huì)影響電機(jī)制動(dòng)力的大小，反之參考第3種情況，由于其在制動(dòng)階段存在電機(jī)單獨(dú)制動(dòng)階段，此時(shí)制動(dòng)力分配將影響電機(jī)的制動(dòng)力大小。通過(guò)分析，在制動(dòng)減速度一定時(shí)，模糊規(guī)則分配下所得前軸制動(dòng)力大于定比所得前軸制動(dòng)力，且隨車(chē)速的降低前軸制動(dòng)力有下降趨勢(shì)。圖14通過(guò)對(duì)比分析前后軸制動(dòng)力定比分配與模糊分配規(guī)則，驗(yàn)證提高能量回收效率的有效性。為進(jìn)一步說(shuō)明基于模糊規(guī)則制動(dòng)力分配策略的優(yōu)越性，在ECE工況下進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖15和表3所示。

圖14 定比分配與模糊分配能量回收對(duì)比

圖15 ECE工況下定比分配與模糊分配能量回收對(duì)比

以再生制動(dòng)能量回收效率作為純電動(dòng)車(chē)制動(dòng)力分配的評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體計(jì)算如下：

式中：Ereg為回收能量；Ebrak為制動(dòng)消耗能量；ηmec為傳動(dòng)效率；ηmot為電機(jī)發(fā)電效率；ηUC為超級(jí)電容充電效率。

表3 定比分配與模糊分配能量回收效率

通過(guò)圖15可知，在ECE工況下基于模糊規(guī)則的制動(dòng)力分配策略回收的能量要多于基于定比分配策略，且在較高車(chē)速情況下模糊策略的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)更明顯；這是因?yàn)樵诙ū确峙洳呗韵碌那拜S液壓制動(dòng)力無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變，不能更大程度地發(fā)揮電機(jī)制動(dòng)的潛能，即限制了電機(jī)的能量回收，反之模糊分配的優(yōu)勢(shì)在于前軸液壓制動(dòng)力動(dòng)態(tài)增壓，充分發(fā)揮電機(jī)制動(dòng)能力，通過(guò)表3可明顯看到，在ECE工況下模糊分配比定比分配的回收效率提高了7.48%。

5 結(jié)論

針對(duì)某小型純電動(dòng)轎車(chē)進(jìn)行了制動(dòng)力分配研究，以?xún)?yōu)化制動(dòng)能量回收效率為目標(biāo)，通過(guò)將模糊控制規(guī)則應(yīng)用在前后軸制動(dòng)力分配過(guò)程中，在不同的車(chē)輛及儲(chǔ)能單元狀態(tài)下動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)前后軸制動(dòng)分配系數(shù)，達(dá)到提高制動(dòng)能量回收效率的目的。

在研究過(guò)程中以電機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果以及某液壓控制單元增壓實(shí)驗(yàn)為數(shù)據(jù)支持，建立整車(chē)復(fù)合制動(dòng)力系統(tǒng)模型，對(duì)不同的工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：前后軸制動(dòng)力分配在存在電機(jī)獨(dú)立制動(dòng)過(guò)程的復(fù)合制動(dòng)力階段，通過(guò)模糊規(guī)則對(duì)前后軸制動(dòng)力分配，制動(dòng)力能量的回收效率可提高7.48%。以此作為推廣可知，在存在電機(jī)獨(dú)立制動(dòng)的過(guò)程中，車(chē)速越高，模糊規(guī)則制動(dòng)力分配越能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，充分利用電機(jī)的發(fā)電潛能。