王程玉，林慕義，2，吳柯桐，陳 勇，2

（1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100192；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100192）

1 引言

隨著物流業(yè)的迅速發(fā)展，城市中貨車的數(shù)量逐漸增多，新能源貨車的研究開發(fā)工作變得尤為重要。純電動(dòng)貨車作為新能源貨車中發(fā)展最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種，具有良好的市場(chǎng)基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制策略的研究有很多，通常以整車驅(qū)動(dòng)的工作模式為基礎(chǔ)[1]、針對(duì)純電動(dòng)汽車加速和起步工況[2，4，7]，建立純電動(dòng)汽車的扭矩補(bǔ)償算法，使純電動(dòng)汽車不同工況及模式下電機(jī)輸出的扭矩得到調(diào)節(jié)和補(bǔ)償，最后達(dá)成提升整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并保證整車加速性能的效果；不過常規(guī)的驅(qū)動(dòng)控制策略往往針對(duì)部分工況及參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并不能滿足純電動(dòng)貨車負(fù)載變化較大的情況。

針對(duì)常規(guī)控制策略中忽視的問題，依據(jù)純電動(dòng)貨車負(fù)載大幅變化對(duì)電機(jī)輸出扭矩的影響和加速踏板行程及其變化率所反映的駕駛意圖，制定純電動(dòng)貨車的驅(qū)動(dòng)控制策略；將在實(shí)車中采集的數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)CRUISE中搭建的整車模型進(jìn)行驗(yàn)證；并在不同負(fù)載情況下，利用MATLAB和Cruise平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合仿真。

2 前、后制動(dòng)力分配

2.1 理想的制動(dòng)力分配曲線（I曲線）

在任何附著系數(shù)的路面上，滿足I曲線的雙軸車輛均可實(shí)現(xiàn)前、后車輪同時(shí)抱死。前、后輪同時(shí)抱死除了使附著條件得到較大程度的利用，對(duì)制動(dòng)時(shí)汽車的穩(wěn)定性也有一定的提高[2]。

這里中雙軸輕型純電動(dòng)貨車的I曲線分配關(guān)系為：

式中：Fm1，F(xiàn)m2—前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力（N）；hg—貨車質(zhì)心高度（m）；

b—貨車質(zhì)心至后軸的距離（m）；L—貨車軸距（m）。

2.2 ECE法規(guī)

根據(jù)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)對(duì)N1類車輛做出相應(yīng)規(guī)定，對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)貨車，ECE法規(guī)邊界線為：

式中：Z—制動(dòng)強(qiáng)度；G—貨車重力（N）。

2.3 前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配

這里所討論貨車為后輪驅(qū)動(dòng)，前輪制動(dòng)力全部由液壓機(jī)械制動(dòng)力提供，基于I曲線和ECE法規(guī)制定前、后輪制動(dòng)力分配策略具體如下：

（1）當(dāng)Z＜0.2時(shí)，ECE法規(guī)沒有對(duì)制動(dòng)力分配做出限制，由于此時(shí)制動(dòng)力所需較小，為提高制動(dòng)能量回收效率，該制動(dòng)強(qiáng)度下，制動(dòng)力均由再生制動(dòng)提供。

（2）當(dāng)0.2＞Z時(shí)，為提高再生制動(dòng)比例，即提高后輪制動(dòng)力所占比例，該制動(dòng)強(qiáng)度下，前、后輪制動(dòng)力按理想I曲線分配，分配曲線為：

2.4 電機(jī)制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力分配

考慮到制動(dòng)過程中再生制動(dòng)比例系數(shù)k的影響因素：電池荷電狀態(tài)SOC、車輛速度V，制動(dòng)強(qiáng)度Z等參數(shù)，對(duì)后輪電制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力進(jìn)行分配，如圖1所示。

圖1 后輪再生制動(dòng)力分配Fig.1 The Regenerative Braking Force Distribution of Rear Wheel

（1）當(dāng)SOC＞0.8 或SOC＜0.2、車速V＜10km/h、Z＞0.7 時(shí)，制動(dòng)回收比例為0，制動(dòng)力全部由機(jī)械制動(dòng)提供，因?yàn)镾OC過高和過低時(shí)電池會(huì)過充過放，車速較低時(shí)回收效率較差，制動(dòng)強(qiáng)度過高時(shí)為緊急制動(dòng)狀態(tài)，為保證制動(dòng)安全性也不進(jìn)行制動(dòng)回收。

（2）當(dāng)Z較低時(shí)，若車速偏低或適中，后輪制動(dòng)力全部由再生制動(dòng)力提供，若車速較高，根據(jù)SOC判斷采取機(jī)械制動(dòng)或聯(lián)合制動(dòng)。

（3）當(dāng)Z適中時(shí)，若車速偏低，后輪制動(dòng)力由再生制動(dòng)力提供，若車速適中，根據(jù)SOC情況調(diào)節(jié)聯(lián)合制動(dòng)比例，若車速較高，根據(jù)SOC情況判斷采取機(jī)械制動(dòng)或聯(lián)合制動(dòng)。

3 再生制動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

3.1 再生制動(dòng)控制策略模型

根據(jù)上述提出的再生制動(dòng)控制策略，利用Simulink 軟件搭建控制策略模型，如圖2所示。該模型輸入為電池SOC、車速V、瞬時(shí)減速度du/dt、電機(jī)轉(zhuǎn)速和制動(dòng)壓力信號(hào)，輸出為再生制動(dòng)比例K和電機(jī)和機(jī)械制動(dòng)力。

圖2 再生制動(dòng)控制策略Fig.2 Regenerative Rraking Control Strategy

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器選取對(duì)再生制動(dòng)影響較大的三個(gè)因素：純電動(dòng)輕型貨車動(dòng)力電池SOC、車速V、制動(dòng)強(qiáng)度Z作為輸入，選取電制動(dòng)占后輪制動(dòng)力的比例K為輸出。輸入、輸出的模糊子集和論域定義如下：動(dòng)力電池SOC模糊子集為{VL，L，M，H}，論域?yàn)閇0，1]；車速V的模糊子集為{L，M，H}，論域?yàn)閇0，100]；制動(dòng)強(qiáng)度Z的模糊子集為{L，M，H}，論域?yàn)閇0，1]；比例K的模糊子集為{VS，S，M，B，VB}，論域?yàn)閇0，1]。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和理論分析，輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)設(shè)置，如圖3所示。

圖3 模糊控制輸入、輸出的隸屬度函數(shù)Fig.3 Input and Output Membership Functions of Fuzzy Control

根據(jù)前文電機(jī)制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力分配策略，結(jié)合前期研究和仿真試驗(yàn)，在保證車輛安全性的前提下，為了盡可能多的回收制動(dòng)能量，設(shè)計(jì)如下模糊控制規(guī)則，模糊規(guī)則語(yǔ)句為：IF（SOCisVL）and（VisL）and（ZisL）then（kisVS），模糊規(guī)則，如表1所示。完成以上設(shè)置以后，采用加權(quán)平均法對(duì)輸出量k進(jìn)行解模糊，進(jìn)而得到k的具體數(shù)值。

表1 模糊規(guī)則Tab.1 Fuzzy Rule

4 模糊控制器隸屬度函數(shù)的優(yōu)化

4.1 模糊控制的局限性

模糊控制器因其具有良好的適應(yīng)性和較強(qiáng)的魯棒性被廣泛用于控制策略之中，但其隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則在設(shè)計(jì)過程中具有較強(qiáng)的主觀性，使得控制策略很難達(dá)到最優(yōu)的控制結(jié)果。因此有必要采用優(yōu)化算法對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使控制策略在滿足制動(dòng)穩(wěn)定性和安全性的前提下，能夠最大限度的提高再生制動(dòng)能量回收效率。

4.2 適應(yīng)度函數(shù)選擇

由于隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)的主觀性較強(qiáng)，選擇模糊控制器的輸入和輸出的隸屬度函數(shù)作為優(yōu)化對(duì)象。設(shè)計(jì)模糊控制器的初衷是為了提高目標(biāo)車輛的制動(dòng)能量回收率，即增大電機(jī)制動(dòng)在車輛需求制動(dòng)中的占比，故選取模糊控制器k值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.3 遺傳優(yōu)化算法流程

（1）對(duì)模糊控制器輸入和輸出的論域進(jìn)行二進(jìn)制編碼，編碼位數(shù)選擇為20。（2）將模糊控制器輸入和輸出的隸屬度函數(shù)按照二進(jìn)制數(shù)字串的形式進(jìn)行重新劃分，組成初始種群，初代個(gè)體數(shù)量為100。（3）將適應(yīng)度函數(shù)和約束函數(shù)編寫成m文件，通過句柄形式導(dǎo)入工具箱中，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，利用MATLAB優(yōu)化工具箱進(jìn)行求解。（4）將遺傳算法最優(yōu)解帶入模糊控制器隸屬度函數(shù)，進(jìn)行重新設(shè)置。（5）經(jīng)過反復(fù)比較與驗(yàn)證，選擇的終止條件為繁衍50代，優(yōu)化結(jié)果，如圖4所示。

圖4 遺傳算法解和種群均值變化Fig.4 Genetic Algorithm Solution and Population Mean Change

5 聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

5.1 搭建整車模型

采用AVL cruise軟件對(duì)整車模型進(jìn)行搭建，然后跟MATLAB中搭建的控制策略模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，截取NEDC循環(huán)工控下一定時(shí)間內(nèi)的輸出參數(shù)，對(duì)優(yōu)化前后再生制動(dòng)占比系數(shù)、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、動(dòng)力電池SOC和再生制動(dòng)回收能量進(jìn)行比較，驗(yàn)證遺傳算法對(duì)控制策略的優(yōu)化效果，純電動(dòng)貨車整車模型及參數(shù)，如圖5所示。

圖5 純電動(dòng)貨車整車模型Fig.5 Complete Vehicle Model of Pure Electric Truck

表2 主要總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main Assembly Structure and Technical Parameters

5.2 優(yōu)化前后再生制動(dòng)系數(shù)對(duì)比

車輛在行駛過程中模糊控制器輸出的再生制動(dòng)占比系數(shù)K前后比較，如圖6所示。優(yōu)化后再生制動(dòng)占比系數(shù)K明顯增大。

圖6 優(yōu)化前后再生制動(dòng)比例系數(shù)KFig.6 The Proportional Coefficient K of Regenerative Braking Before and After Optimization

5.3 優(yōu)化前后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比

優(yōu)化后的電機(jī)輸出的負(fù)反饋轉(zhuǎn)矩相比優(yōu)化前所占電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的比例明顯增多，而且輸出值更大，驗(yàn)證了優(yōu)化的有效性，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Fig.7 The Output Torque of the Motor Before and After Optimization

5.4 優(yōu)化前后動(dòng)力電池SOC比較

將循環(huán)工況設(shè)置SOC值從80%至20%不斷循環(huán)，并截取2h到3h之間SOC值的變化情況，結(jié)果顯示優(yōu)化前后動(dòng)力電池SOC的消耗曲線變化明顯，相同工況下，優(yōu)化后的SOC值下降的更緩慢，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后電池SOC變化Fig.8 Battery SOC Changes Before and After Optimization

5.5 優(yōu)化前后NEDC循環(huán)工況回收能量對(duì)比

優(yōu)化后再生制動(dòng)回收能量比優(yōu)化前增大了，電池輸出能量比優(yōu)化前減少了，如表3所示。綜上，通過優(yōu)化前后的對(duì)比分析驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。

表3 優(yōu)化前后再生制動(dòng)能量對(duì)比Tab.3 Comparison of Regenerative Braking Energy Before and After Optimization

6 結(jié)論

針對(duì)純電動(dòng)貨車能量回收中存在的問題，提出了一種再生制動(dòng)控制策略；利用遺傳算法對(duì)控制策略的隸屬度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明：該控制策略在保證制動(dòng)安全性的前提下，相比優(yōu)化前制動(dòng)回收效率提升了32.57%，電池輸出能量節(jié)省了11.99%；所提出的模糊控制策略和仿真驗(yàn)證對(duì)純電動(dòng)貨車再生制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。