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1、纯电动大客车制动能量回馈控制策略研究俞林炯，高松（山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049）摘要：为提高电动汽车再生制动能量回收率，针对后轮驱动的纯电动大客车提出了一种基于模糊逻辑的制动力分配及制动能量回馈控制策略，并结合实际工况利用Matlab/Simulink软件对控制策略进行了建模与仿真，仿真结果证明了该策略的有效性。关键词：纯电动大客车；制动力分配；能量回收；控制策略；模糊逻辑中图分类号：U469.13+2 文献标识码： AResearch on Energy Recovery Control Strategy for Pure Electric BusYU Lin-
2、jiong, GAO Song（School of Transportation and vehicle Engineering ,Shan Dong University of Technology, Shandong Zibo 255049）Abstract: In order to enhance the efficiency of regenerative braking energy for pure electric bus, a control strategy about braking force distribution and braking energy recover
3、y based on fuzzy logic is proposed against the rear-wheel driven pure electric bus. The simulation of the fuzzy control strategy for braking force distribution is carried out in typical operating condition by the software Matlab/Simulink .the simulation results testify the effectiveness of the strat
4、egyKey Words: pure electric bus；braking force distribution；energy recovery; control strategy; fuzzy logic电动汽车作为一种新型交通工具，具有清洁无污染、能量利用率高、驱动能源多样化等优点，因此成为了汽车发展的趋势1。但由于电池技术的限制，其续驶里程不足已经成为了阻碍电动汽车发展的主要障碍。再生制动是电动汽车特有的技术，可以在制动时利用电机发电来回收部分能量，从而延长车辆的续驶里程2，因此，再生制动对提高电动汽车经济性具有重大作用。电动汽车制动系统由机械制动和电机制动共同组成，因此在设计时就需
5、要考虑如何在机械制动和电机制动之间分配总的需求制动力。本文从制动力分配的角度，以后轮驱动纯电动大客车为例，制定了控制策略，并综合考虑车速、制动强度和电池SOC值的影响，应用模糊逻辑对制动力进行制动力分配，并制定了再生制动的控制策略，用于提高能量利用率，延长续驶里程。1.制动力分配策略在电动汽车中，制动力由电机和传统机械制动系统共同提供，仅有电机制动力是不够的，必须将电机制动力和机械制动力结合起来，并根据车辆的运行情况对需求制动力进行合理分配，才能在保证安全性的前提下提高车辆的经济性。现有的制动力分配策略主要可以分为三种：最佳制动效能控制策略、最佳经济性控制策略和并行控制策略。最佳制动效能控制策
6、略的目标是在尽量保证汽车制动效能的情况下尽量回收再生制动能量；最佳经济性控制策略的目标是最大程度的回收制动能量；并行控制策略是以上两种策略的结合，其目标是既保证车辆的制动稳定性，又尽可能的经济性 3。以上三种控制策略是制动力分配的三个方法，具体的控制策略制定和参数选择需要根据实际车辆的情况来定。在确定控制策略后，制动力的分配由查表完成。整车控制器收集车速、制动踏板等信号查表得出电机制动力和机械制动力的分配比例，然后分别发送给电机管理系统和制动管理系统，再由电机和机械制动系统完成制动过程。如图1是Advisor的制动力分配方案4：图1 Advisor制动力分配方案Advisor提供了一种简单的制
7、动力分配方案。该方案简单明了，但同时也存在着很多不足。电动汽车的制动是个十分复杂的过程，制动力的分配不仅要考虑车速的影响，更重要的是制动强度和电池SOC的影响。因此这种方案下的制动力分配显得较为单调和固定，和实际情况存在一定的差距。而参考文献8是根据制动减速度查表得到制动力分配比例来制动力的分配，同样是没有考虑车速、电池状态等，因此都具有一定的局限性。2 再生制动控制策略2.1 能量回收的约束条件在制动能量回馈的过程中主要约束条件为：（1）车速：当车速较低时，能量回馈容易造成车身剧烈的抖动，影响汽车的平顺性；（2）蓄电池的状态：当SOC值较高时，为保护电池应当停止能量回馈；（3）制动强度：当强
8、度较大时，说明驾驶员希望紧急停车，因此需要由机械制动来完成，而当制动强度很小时，可以完全由电机制动来完成；（4）电机的发电能力：电机的发电功率不能超过蓄电池可以接受的最大功率5； 2.2 再生制动控制策略 本课题研究的是纯电动大客车，针对其行驶工况特点制定了再生制动控制策略：（1）当松开加速踏板时，协调匹配控制器接受加速踏板信号，进入能量回馈判断程序，判断此时汽车的车速、电池SOC值、电机状态、逆变器和制动系统状态。满足各项条件时，才能进行能量回收。（2）当制动踏板没有踩下时，进行纯电机制动。为保证制动时车辆行驶的舒适性和安全性，控制电机输出恒定转矩给驱动轮，因为只有驱动轮施加电机制动力，为保
9、证汽车制动时的稳定性，应尽量维持汽车前后轴制动力分配曲线处于理想值，并控制电机的制动强度处于较低值。（3）制动强度小于某阈值时后轴由电机单独制动，前轴不提供制动力；当制动强度大于某阈值时，为保证制动安全性，采用纯机械制动。（4）当SOC0.9时，为保护电池，停止反馈制动。（5）当变速器挂空挡时，车轮与电机无连接，能量无法回收，此时取消电机制动，前后制动按照理想制动力分配曲线分配，保证最佳制动稳定性。 考虑到车载的变化，可以在制动系统中装感载比例阀来防止空载时发生后轮抱死的情况。对于极少出现的在冰雪路面上制动的情况，可采用另一套反馈制动所占比例较小的控制策略来解决，或者直接关闭电机制动。同时调整
10、制动系统和控制系统，依然可以保证制动性能和制动的稳定性6。2.3 基于模糊逻辑的制动力分配在已知确定趋势但未能用精确数学表达式表达的情况下，模糊逻辑具有无可比拟的优势，在测量不精确或部件特性有变化的时候具有很强的鲁棒性。在电动客车电制动比例分配的控制中，很难用精确的数学表达式来计算分配比例，而用模糊控制就可以凭借实验经验，方便的处理如“车速很高，制动强度一般，SOC较小时，电机制动比例较高”等控制规则。2.3.1 模糊控制策略结构 纯电动客车再生制动力分配结构如图2所示，其主要由两个模块组成。第1个模块为3输入1输出的模糊控制器，其中3个输入分别为车速、制动强度和电池SOC值，输出为电机制动比
11、例；第二个模块为制动力分配模块，此模块根据总制动力的需求和制动力分配比例将总的制动力进行分配。 图2 制动力分配结构图2.3.2 模糊控制器的设计此模糊控制器的输入为车速、制动强度和电池SOC，推理其隶属度函数分别如图3所示：图3（a) 车速隶属度函数示意图 图3（b）制动强度隶属度函数示意图图3（c）SOC隶属度函数示意图图3（d）再生制动比例隶属度函数示意图其中车速的范围为0,100，制动强度的范围为0,0.1，SOC的范围为0,1，电机制动比例的范围为0,1。2.3.3 模糊规则表1 模糊推理规则表iuzSOCkiuzSOCk1lowlowhighsmaller15highmidmidm
12、iddle2midlowhighsmaller16lowhighmidmiddle3highlowhighsmaller17midhighmidbig4lowmidhighsmall18highhighmidbigger5midmidhighsmaller19lowlowlowsmaller6highmidhighsmaller20midlowlowsmaller7lowhighhighsmaller21highlowlowsmaller8midhighhighsmaller22lowmidlowsmall9highhighhighsmaller23midmidlowmiddle10lowlo
13、wmidsmaller24highmidlowmiddle11midlowmidsmaller25lowhighlowmiddle12highlowmidsmaller26midhighlowbig13lowmidmidsmall27highhighlowbigger14midmidmidmiddle由此可以得到电机制动比例随着任意两个输入量的变化而变化的曲面图，如图4所示：图4（a）电机制动比例随SOC和制动强度的变化图4（b）电机制动比例随SOC和车速的变化图4（c）电机制动比例随制动强度和车速的变化从中可以看出，当电池SOC一定时（小于0.8），随着车速的升高，再生制动的比例增大，由于电
14、机的功率有限，为了保证电机在额定功率内工作，当车速增加到一定值时，再生制动比例不再增大，维持在一个最大值，所以当电池SOC大于0.8时，即使车速较大，为了保护电池，应降低再生制动比例。这些设定都是符合实际工况下的要求的。2.3.4 输出量的趋模糊化由于输出的控制量是一个模糊量，而实际的控制量是确切量，应该用合适的判决方法将模糊控制量转变成确切量，考虑到整车驾驶的性能，采用加权平均法求得对应的电机再生制动所占的比例7 其中为表中每一个规则对应输入量隶属函数值的最小值。ki为每个规则下对应输出量的隶属函数值。按照上面的公式便可利用Matlab软件来求解对应的再生制动比例。3 仿真结果与分析根据汽车
15、理论知识，可建立整车模型，结合蓄电池模型，在Matlab/Simulink里面对再生制动策略进行仿真。制动力分配及能量回馈模型如图5所示： 图5 再生制动力分配及能量回馈模型电动大客车的行驶工况为城市工况，因此采用ECE工况对制动策略进行仿真，得到仿真结果如下： 图6(a)循环工况 图6(b)制动强度变化曲线图6(c)再生制动分配比 图6(d)制动力分配 由仿真结果可知，在ECE工况的四个制动模式中，制动强度分别为0.0528、0.051、0.033、0.0515；对应的四个电机制动比例分别为0.236、0.245、0.26、0.246。由整车模型可得整车需求制动力，根据制动力分配比例可以得到
16、电机制动力和机械制动力，如图6（d）所示，在不同的运行状况下两个力大小不同，但两者之和始终等于需求制动力。经过一个循环工况后，整车的SOC变化如图7所示：图7(a)SOC变化情况 图7(b)SOC变化比较由上图可知，有制动能量回馈的情况下，SOC的值有明显的回升。前23秒内车辆处于放电状态，两种情况的SOC下降是一致的，曲线完全重合；从24秒开始车辆开始制动，进行能量回馈。在没有能量回馈的情况下，一个循环工况SOC下降了0.0044；而有制动能量回馈的情况下SOC下降了0.0037，由此可知，这个控制纯电动大客车制动能量回馈的策略是有效的。4.结语本文综合考虑了车速、制动强度和电池SOC等因素
17、的影响，提出了基于模糊逻辑的制动力分配和制动能量回收控制策略，并用Matlab/Simulink进行了仿真，仿真结果表明了该控制策略具有较好的制动能量回率。参考文献：1陈清泉，孙逢春，祝嘉光现代电动汽车技术Ml北京:北京理工大学出版社，20022Gao Yimin,Chen Liping,Ehaani Mehrdad. Investigation of the Effectiveness of Regenerative Braking for EV and HevJ SAE,1999,29(10):2628.3赵会强，刘怀智，陈安红.电动汽车的再生制动研究J.城市车辆技术与研究，2006（4）
18、：34364徐国凯，张涛，赵秀春.基于模糊逻辑的电动汽车制动力分配及能量回收控制策略研究J.大连民族学院学报，2010，12（3）:2122165冯能莲，么居标，俞黎明等.电动汽车再生制动控制策略J.北京工业大学学报，2008（12）：1332-13376 王立国.纯电动客车动力总成控制策略D.吉林：吉林大学，2009 7张健，王耀南，曹松波.基于模糊逻辑的电动汽车制动能量回馈控制策略J.工业控制计算机，200518（7）：59618S.R.Cikanek,K.E.Bailey.Regenerative Braking System For A Hybrid Electric VehicleJ
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