基于模糊控制的电动城市客车制动力分配研究

王业琴，杨 艳

（淮阴工学院 电子与电气工程学院，淮安 223003）

0 引言

电动城市客车运行在低速、制动频繁的城市工况，可回收的再生制动能量非常可观。在有关制动能量回收的研究中，制动力分配控制策略是研究的的热点，引起了国内外学者的广泛关注。目前常用的制动力分配策略主要集中在以下三方面：1）ADVISOR制动力分配策略[1]，该分配策略基本原理是根据车速和总制动力来确定前后轮的制动力，查表得到前轮电动机再生制动力分配系数和前轮摩擦制动分配系数，通过修改前轮制动力分配系数达到理想的分配方案，缺乏理论基础。而且该方法没有考虑随着行驶工况变化，而导致相关参数的改变，很难获得满意的再生制动性能。2）基于理想制动力分配曲线的制动力分配策略[2,3]，该分配策略原理是当电机制动能够提供理想制动力分配曲线上所需的制动力时，驱动轴的制动力全部由电机提供，否则由摩擦制动和电机再生制动共同承担。该策略优点是能充分利用地面附着条件，制动距离短，制动时汽车方向稳定性最好，缺点是控制系统复杂，回收能量有限。3）最佳回馈能量制动力分配策略[4]，该分配策略是在满足ECE制动法规前提下，前后轴制动力按回馈制动能量最多的原则进行分配。该分配策略的优点是回收制动能量最多，但没有考虑车辆的制动效能，需要同时对电机制动力和摩擦制动力进行精确控制，控制系统复杂，技术难度很大，实用价值不大。

电动城市客车制动力的分配与车速、制动强度、制动踏板行程、电池SOC等因素有关。电动城市客车在制动过程中，除了要保证前后轮制动力的合理分配，也要保证电池的充电安全，蓄电池过充电严重影响循环寿命和安全性。电动城市客车制动力分配控制中，基于多变量很难用精确的数学表达式来进行计算，而模糊控制策略具有很强的鲁棒性，能够解决无法用精确参数表达的控制规则，本文提出电动城市客车制动力模糊控制分配策略，在安全制动范围内尽量提高再生制动力分配比例，最大限度回收再生制动能量，提高制动能量利用率，延长电动城市客车一次充电续驶里程。

1 再生制动原理

电动城市客车的再生制动，是利用三相异步电机的电气制动产生反向力矩使车辆减速或停车，其原理是在制动时将汽车行驶的惯性能量传递给电机，电机以发电方式工作，回馈电能到动力电池，实现能量的再生利用。在制动过程中依靠制动踏板行程判断制动强度，并将制动信号传递到整车控制器，整车控制器根据车辆行驶速度和电池SOC进行综合判断，从而合理分配能量回馈制动力矩的大小。电机的制动力矩通过传动系统对驱动轮施加制动力，实现车辆再生制动。

2 再生制动回收能量分析

根据汽车的驱动力平衡方程，电动城市客车在行驶过程中，牵引力Ft应满足：

式中：Ff—滚动阻力；Fw—空气阻力；Fi—爬坡阻力；Fj—加速阻力。

在城市工况下，可以忽略爬坡阻力Fi，加速阻力Fj为制动力Fb。因此式（1）可简化为：

机械传动系统的制动瞬时功率P1为：

输入发电机瞬时功率P2为：

式中：K1—传动系效率；ω—电机角速度。输入动力电池组的瞬时功率为P3：

式中：K2—电机发电效率。回收能量功率P4为：

式中：K3—能量存储系统的充电效率。回收总能量E为：

由式（7）可知，回收总能量E与传动系效率K1、电机发电效率K2、能量存储系统的充电效率K3等有关，但由于系统各环节效率大多在90%以上，提高空间不大[5]。因此，必须在兼顾城市客车制动安全性和稳定性的基础上合理分配再生制动力，才能实现最大限度回收制动能量。

3 模糊控制制动力分配策略

制动力分配控制器必须以满足车辆安全制动和驾驶平稳为前提条件，使机械制动力和再生制动力达到最优分配，以达到高效回收制动能量。针对电动城市客车再生制动力分配问题，以电动城市客车行驶速度、制动踏板行程、电池SOC做为输入，再生制动比例系数作为输出，采用“高”、“中”、“低”等模糊量代替精确量，进行模糊控制规则设计，根据实际经验进行输入输出隶属度函数设计，便于根据路况、车况在运用过程中，根据控制规则，调整制动力分配比例[6]。

3.1 隶属度函数的设计

再生制动能量回馈模糊控制器中输入量(车速、制动踏板行程、电池SOC)模糊子集：E(Vi)={low，middle，high}， E(Posi)= {low，middle，high}，E(SOCi)= {low，middle，high}，输出量的模糊子集E(fi)= {smaller，small，middle，high，bigger}，根据大量实车数据和仿真实验，设计车速、电池SOC、制动踏板行程和再生制动比例系数的隶属度函数如图1所示。

图1 模糊控制输入、输出量的隶属度函数

表1 模糊控制规则表

3.2 模糊规则设计

制定制动力分配模糊规则以整车制动安全性和舒适性为前提，尽可能多的回收再生制动能量。根据实车运行数据和仿真实验总结模糊控制规则表如表1所示，共27条规则[8]。

4 仿真实验分析

本文选择中国典型城市公交循环工况进行仿真实验，循环时间为1314s，行驶距离为5.8km，最高车速为60km/h，停靠次数为14次。车辆参数及性能指标如下：

1）电池参数。选择576V，300Ah磷酸铁锂电池组作为能量源为电动城市客车供电，电池组具体按照6块50Ah单体电池并联容量为300Ah的电池模块，180个电池模块串联构成576V电压方式连接。

2）车辆参数。满载重量，18000kg；整备重量，13200kg；迎风面积，6.66m2；传动系统效率，0.9；主减速比，4.875；前轴载荷，4100kg；后轴载荷，9100kg；车轮滚动半径，0.515m；变速箱速比，1.31；轮胎的滚动摩擦系数，0.01。

根据电动城市客车制动能量回收的影响因素，设计模糊控制再生制动力分配控制器，包括一个模糊控制器模块和制动转矩修正模块。模糊控制器模块以电动城市客车行驶速度、制动踏板行程、电池SOC做为输入，由于制动转矩在电机再生制动和摩擦制动器之间分配，因此，选择再生制动比例系数为输出，另一个摩擦制动系数也就同时确定了。制动转矩修正模块将模糊控制器输出的再生制动比例系数和制动踏板行程作为输入，最终确定机械制动转矩和电机制动转矩的大小。利用MATLAB搭建仿真模型编译动态连接库文件与电动汽车仿真软件进行联合仿真。

一个中国典型城市公交循环，传统控制再生制动电池回收总能量为2883.27kJ，再生制动能量回馈效率为9.99%。模糊控制再生制动电池回收总能量为4983.59kJ，再生制动能量回馈效率为17.37%。图2为电池SOC变化曲线，传统控制再生制动SOC值减少了4.006%，模糊控制再生制动SOC值减小了3.63%。电动城市客车电池组DOD90%放电，中国典型城市公交循环工况，模糊控制再生制动控制行驶里程为140.7km，传统再生制动行驶总里程为130.5km，续驶里程提高7.8%。

图2 电池SOC

5 结论

1）模糊控制再生制动力分配无需建立再生制动力分配数学模型，系统鲁棒性好。

2）考虑电池SOC、电机转速、制动踏板行程等多因素影响，能有有效抑制电池过充电。

3）中国典型城市公交循环工况电池组90%DOD放电，模糊控制再生制动电池组能量回收效率提高7.38%，然而目前国内的公交路况的制动频率远远高于典型循环工况，例如杭州市区大概17km的公交线路，包括红绿灯、减速带、让行人等情况大概需要一百多次制动，如果模糊控制再生制动方法得以应用，能量回收效率有望达到50%以上。

[1] 王军,熊冉,杨振迁.纯电动大客车制动能量回收系统控制策略研究[J].汽车工程.2009,31(10):932-937.

[2] 何仁,陈庆樟.汽车制动能量再生系统制动力分配研究.兵工学报[J].2009,30(2):205-209.

[3] 查鸿山,宗志坚,刘忠途.电动汽车能量回馈制动仿真研究[J].机械科学与术.2012,31(4):572-577.

[4] 王猛,孙泽昌,卓桂荣,程鹏.电动汽车制动能量回收系统研究[J].农业机械学报.2012，43(2):6-10.

[5] 王震坡，孙逢春. 电动汽车能耗分配及影响因素分析[J].北京理工大学学报,2004,24(4):306-310

[6] Hao Zhang, Guoqing Xu. Fuzzy Logic Control in Regenerative Braking System for Electric Vehicle.Proceeding of the IEEE International Conference on Information and Automation Shenyang, China, June 2012,588-591.

[8] 徐国凯,赵秀春,苏航.电动汽车驱动与控制[M].电子工业出版社,2010,6,246-251.