基于模糊控制的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)

1、第37卷 第4期吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版Vol.37 No.42007年7月Journal o f Jilin U niv ersity (Engineering and T echnolo gy EditionJuly 2007收稿日期:2006 07 25.基金項(xiàng)目: 863 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2001A A 501200,2003A A501200,2005AA 501200.作者簡(jiǎn)介:彭?xiàng)?1975 ,男,博士.研究方向:汽車(chē)操縱穩(wěn)定性,汽車(chē)動(dòng)態(tài)仿真及汽車(chē)電子控制.E mail:dong.peng 基于模糊控制的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)彭 棟,殷承良,張建武(上海交通大學(xué)機(jī)

2、械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200030摘 要:在分析和比較混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(H EV不同制動(dòng)控制策略的基礎(chǔ)上,提出了一種新的制動(dòng)控制策略。在M AT LAB/Simulink 環(huán)境下搭建了制動(dòng)系統(tǒng)控制模型?？紤]到能量回收制動(dòng)力矩和總制動(dòng)力矩的連續(xù)變化,采用模糊控制策略對(duì)液壓制動(dòng)力矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。能量回收制動(dòng)力矩和液壓制動(dòng)力矩在該控制策略下能夠協(xié)同工作。仿真結(jié)果證明該控制策略有效,魯棒性好。關(guān)鍵詞:車(chē)輛工程;并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē);能量回收制動(dòng);目標(biāo)滑移率;模糊控制中圖分類(lèi)號(hào):U 469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671 5497(200704 0756 06Brak ing control sy

3、stem for parallel hybrid electric vehicle with fuzzy control logicPeng Do ng,Yin Cheng liang,Zhang Jian w u(School o f M echanical Engineer ing ,Shanghai J iaotong Univ er sity ,S hanghai 200030,ChinaAbstract:Based on the analy sis and compar ison o f the various br ake contro l str ategy of hybrid

4、electr ic vehicle(H EV,a new brake contr ol strategy w as proposed.A control m odel of the brake system w as built and tested under the environment of M ATLAB/Simulink.Consider ing the constant chang e of the to tal and the regenerated br aking torques a fuzzy logic appr oach w as used to adjust dyn

5、amically the hy draulic braking tor que,so that the reg ener ated and the hydraulic br aking tor ques can w ork in coo rdination.The sim ulation results show that the pr opo sed strateg y is ro bust and effective.Key words:vehicle engineering;parallel hy brid electric v ehicle;reg enerativ e braking

6、;targ et slip ratio;fuzzy lo gic co ntrol并聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)(Parallel H y br id Electric V ehicle,PH EV 以電動(dòng)機(jī)為輔助動(dòng)力源,能夠有效地改善車(chē)輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能夠獲得迅速發(fā)展的關(guān)鍵在于其多能源管理系統(tǒng)能夠根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際需求對(duì)能量進(jìn)行合理分配1,2。通過(guò)控制混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力元件,將制動(dòng)時(shí)耗散的動(dòng)能進(jìn)行回收是提高混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)重要技術(shù),在這一過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)來(lái)使用,回收的能量以電能的形式存貯到電池中。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車(chē)有所不同,在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

7、中,制動(dòng)力矩分為兩部分,由電機(jī)提供的能量回收制動(dòng)力矩和由傳統(tǒng)的制動(dòng)器提供的液壓制動(dòng)力矩,兩者之和即為總的制動(dòng)力矩。第4期彭 棟,等:基于模糊控制的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)能量回收制動(dòng)力矩受電機(jī)發(fā)電功率的限制,制動(dòng)力矩的大小是有限的,而且還受很多外部條件的制約,如荷電狀態(tài)(SOC、電池溫度、充電等,很難滿足制動(dòng)系統(tǒng)的要求,在這種情況下,液壓制動(dòng)系統(tǒng)必須施加足夠的制動(dòng)力矩以滿足駕駛員的制動(dòng)需求。因此,混合動(dòng)力汽車(chē)的制動(dòng)控制策略需要在考慮制動(dòng)安全性、電機(jī)性能、電池SOC 、電池溫度以及電機(jī)轉(zhuǎn)速等條件的前提下對(duì)兩種制動(dòng)力矩進(jìn)行合理分配,同時(shí),控制策略應(yīng)當(dāng)滿足駕駛員制動(dòng)舒適性的要求3-5。1 制動(dòng)

8、力矩分配策略圖1為理想的液壓制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)相互關(guān)系示意圖。當(dāng)制動(dòng)減速度小于1.0m/s 2(0.10g的時(shí)候,一般只有能量回收制動(dòng)力矩起作用,此時(shí),液壓制動(dòng)力矩在控制策略的作用下為零。當(dāng)制動(dòng)減速度大于1.0m/s 2的時(shí)候,系統(tǒng)開(kāi)始施加液壓制動(dòng)力矩5。 圖1 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)力矩分配Fig.1 Distribution of braking torques在比較分析了不同的能量回收制動(dòng)控制策略的基礎(chǔ)上, 提出了針對(duì)并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)控圖2 能量回收制動(dòng)控制策略圖Fig.2 Block diagram of regenerative brakingcontrol strategy制系統(tǒng)的綜

9、合控制策略,如圖2所示。制動(dòng)開(kāi)始后,制動(dòng)控制器(Braking Contro l U nit,BCU 根據(jù)踏板下行的幅度、速度以及加速度來(lái)判斷駕駛員的制動(dòng)意圖(緊急制動(dòng)、正常制動(dòng)、下長(zhǎng)坡緩制動(dòng)等,確定制動(dòng)力矩的大小,并將制動(dòng)力矩的信息提交給整車(chē)控制器(H CU ,H CU 根據(jù)電池電壓、電流、SOC 值以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)的具體情況進(jìn)行分析計(jì)算,決定車(chē)輪制動(dòng)力矩中能量回收力矩和液壓力矩的比例關(guān)系,在驅(qū)動(dòng)輪所允許施加的制動(dòng)力矩范圍內(nèi)最大限度地應(yīng)用能量回收制動(dòng)力矩,如果最大的能量回收力矩仍不能夠滿足制動(dòng)要求,則驅(qū)動(dòng)輪所需剩余的制動(dòng)力矩就由液壓制動(dòng)力矩來(lái)提供。H CU 在決定制動(dòng)力矩分配關(guān)系的同時(shí)向

10、能量管理系統(tǒng)(BM U 發(fā)送充電準(zhǔn)備指令。針對(duì)能量回收制動(dòng)力矩不斷變化的特性,制動(dòng)控制系統(tǒng)必須能夠提供相應(yīng)變化的液壓制動(dòng)力矩,以保證制動(dòng)效果和駕駛員良好的感覺(jué)。在充分考慮了H CU 、電機(jī)控制系統(tǒng)(M CU 、電池管理系統(tǒng)(BM U以及路面附著情況的基礎(chǔ)上,在MAT LAB/Sim ulink 軟件環(huán)境下,利用非線性車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型對(duì)PH EV 制動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。著重研究緩制動(dòng)和緊急制動(dòng)兩種情況,制動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是兩種制動(dòng)力矩的協(xié)同工作,在施加能量回收制動(dòng)力矩的基礎(chǔ)上維持車(chē)輛原有的前后軸制動(dòng)力矩分配關(guān)系不變,采用模糊控制邏輯對(duì)液壓制動(dòng)力矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,使其滿足整車(chē)制動(dòng)的需求。2 車(chē)

11、輛動(dòng)力學(xué)模型的建立2.1 8自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型考慮車(chē)輛的縱向4個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng),忽略懸架系統(tǒng)的影響,但是考慮空氣阻力和輪胎滾動(dòng)阻力的影響,車(chē)輛運(yùn)動(dòng)基本方程如下6,7。mv !x =-F x -F x aero -F f (1I w !ij =F xij R -T bij -T f ij(2式中:m 為車(chē)輛總質(zhì)量;v !x 為縱向加速度;F x 為地面縱向制動(dòng)力;F x aero 為縱向空氣阻力;F f 為滾動(dòng)阻力;I w 為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; !ij 為車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)角加速度;F xij 為單個(gè)輪胎縱向力;R 為車(chē)輪滾動(dòng)半徑;T f ij 為單個(gè)車(chē)輪滾動(dòng)阻力矩;T bij 為單個(gè)車(chē)輪制動(dòng)力矩。車(chē)輪縱向力

12、F x 采用非穩(wěn)態(tài)半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型7-9進(jìn)行求解。這種模型目前廣泛應(yīng)用于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真研究領(lǐng)域?？v向力的表達(dá)式為!757!吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第37卷F xF z=1-ex p - -E 1 2-E 21+1123 x (3式中: 表示縱向相對(duì)滑移率;E 1為擬合參數(shù),它是垂直載荷F z 的函數(shù),通常被作為輪胎的曲率因子進(jìn)行考慮。用S 表示縱向滑移率,它是車(chē)輪旋轉(zhuǎn)速度v r 的函數(shù),表達(dá)式為S =(v r -v x /v x(42.2 液壓系統(tǒng)模型用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的控制過(guò)程可以分為增壓、保壓以及減壓三個(gè)階段,表達(dá)式如下7d p wid t =35.7418(p m -p wi 0.580 -36.

13、3714(p wi -p r 0.92增壓保壓減壓(5式中:pwi 為制動(dòng)輪缸壓力;p m 為制動(dòng)主缸壓力。3 制動(dòng)系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)對(duì)于H EV ,由于受能量回收制動(dòng)力矩及液壓制動(dòng)力矩的聯(lián)合作用,要求制動(dòng)系統(tǒng)能夠在保持駕駛員制動(dòng)舒適性的前提下實(shí)現(xiàn)兩種制動(dòng)力矩合理分配。故設(shè)計(jì)的模糊控制器主要由兩部分組成,第一部分主要完成制動(dòng)力矩的調(diào)整任務(wù),主要采用基于目標(biāo)滑移率為控制目標(biāo)的方法,這種控制方法工作穩(wěn)定、可靠,制動(dòng)過(guò)程中將車(chē)輪滑移率控制在最佳值附近,目標(biāo)滑移率模糊控制邏輯框圖如圖3所示。 圖3 制動(dòng)系統(tǒng)滑移率模糊控制器Fig.3 Slip ratio fuzzy logic controller

14、 for braking system第二部分主要完成制動(dòng)力矩的分配工作,在滑移率模糊控制器對(duì)總的制動(dòng)力矩進(jìn)行調(diào)整的基礎(chǔ)上,制動(dòng)力矩分配模糊控制器主要完成液壓制動(dòng)力矩和能量回收制動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)分配,其模糊控制邏輯框圖如圖4所示。圖4 制動(dòng)力矩分配模糊控制器Fig.4 Braking torque distribution fuzzy logic controller用T req 代表總的制動(dòng)力矩需求,T hyd 代表液壓制動(dòng)力矩,T mot_max 代表某一時(shí)刻電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)能夠施加的最大制動(dòng)力矩,則有下式成立:T req =T hyd !1+T mot_max !2(6模糊控制器的輸入為實(shí)際滑移

15、率與目標(biāo)滑移率的差S input 及其變化d S inp u t /d t,用公式描述如下10S input =S -S targetd S input d t S in p u tt(7輸出為期望的制動(dòng)力矩變化量T,所以得到總的制動(dòng)控制力矩為:T total_req =T req +T 。根據(jù)駕駛員實(shí)際需求的制動(dòng)力矩T req 以及調(diào)整后的制動(dòng)力矩T req +T ,整車(chē)控制器對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行重新分配,確定制動(dòng)力矩的變化率qq =(T req +T/T req(8q 反映了制動(dòng)力矩的調(diào)整幅度。制動(dòng)力矩分配模糊控制器的輸入為制動(dòng)力矩變化率q 和電池的荷電狀態(tài)SOC ,輸出!2是電機(jī)的油門(mén)信號(hào),由

16、此可得電機(jī)的制動(dòng)力矩及液壓制動(dòng)力矩為T(mén) m =T m_max !2T hyd =T req +T -T m(9根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和仿真分析,滑移率模糊控制器和制動(dòng)力矩分配模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量和輸出語(yǔ)言變量均采用三角形的隸屬函數(shù)10,如圖5、圖6所示。該隸屬函數(shù)運(yùn)算簡(jiǎn)單,有利于仿真計(jì)算,且又能滿足控制精度要求。圖中PB 表示正大(Po sitiv e Big ,PS 表示正小(Positive Sm all,Z 表示零(Zero ,NS 表示負(fù)小(N eg ative Sm all,NB 表示負(fù)大(Negativ e Big,TL 表示很小(To o Low ,L 表示小(Low ,M 表示適中(M

17、edium,H 表示大(H igh,TH 表示很大(To o H ig h。當(dāng)實(shí)際滑移率遠(yuǎn)大于目標(biāo)滑移率時(shí),即誤差S inpu t 為PB,如果此時(shí)誤差的變化率d S input /d t 也為PB,那么為了盡快消除誤差,防止車(chē)輪發(fā)生抱死情況,應(yīng)快速減小車(chē)輪制動(dòng)力矩,即此時(shí)控制量!758!第4期彭 棟,等:基于模糊控制的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng) 圖5 滑移率模糊控制器輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)Fig.5 M embership functions of input and output v ariablesfo r slip ratio fuzzy lo giccontroller 圖6

18、制動(dòng)力矩分配模糊控制器輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)Fig .6 M em bership functions of input and output va riablesfor braking to rque distribution fuzzy log ic contro llerT 取NB;而如果此時(shí)誤差的變化率為NS,誤差有減小的趨勢(shì),所以應(yīng)適當(dāng)減小制動(dòng)控制力矩,此時(shí)控制量T 取NS,以防止系統(tǒng)超調(diào),但又能加快達(dá)到目標(biāo)值的速度。當(dāng)實(shí)際滑移率遠(yuǎn)小于目標(biāo)滑移率時(shí),即誤差S input 為NB,如果此時(shí)誤差的變化率d S in p u t /d t 也為NB,此時(shí)路面的附著條件沒(méi)有得到充分的利用,

19、應(yīng)快速增加車(chē)輛的制動(dòng)控制力矩,即此時(shí)控制量T 取PB;而如果此時(shí)誤差的變化率為PS,誤差有減小的趨勢(shì),所以應(yīng)該適當(dāng)增加控制力矩,此時(shí)控制量T 取PS,當(dāng)誤差變化為PB 時(shí),因?yàn)橐子诔{(diào),所以這時(shí)控制量應(yīng)不增加,取ZO 。滑移率模糊控制器的其他控制規(guī)則見(jiàn)表1所示。同理,可以設(shè)計(jì)制動(dòng)力矩分配模糊控制器。當(dāng)制動(dòng)力矩變化率接近于1的時(shí)候,即q 為T(mén)H ,如果此時(shí)荷電狀態(tài)SOC 為T(mén) L,那么為了有效利用地面附著力,提高荷電狀態(tài),應(yīng)增大電機(jī)的制動(dòng)表1 滑移率模糊控制器模糊控制規(guī)則Table 1 Rules for slip ratio fuzzy logic controllerTS inputPB P

20、S ZO NS NB d S input /d tPB NB NB NB NS ZO PSNB NB NS PS PS ZO NB NS ZO PS PB NS NS NS ZO PB PB NBNSNSPSPBPB力矩,即控制量!2取TH 。而如果此時(shí)誤差的變化率也為T(mén) H ,即電池的荷電狀態(tài)很高,但充電效率往往不高,因此,控制量!2取M,而更多的讓液壓制動(dòng)力矩進(jìn)行制動(dòng),縮短制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離,確保制動(dòng)安全性。制動(dòng)力矩分配模糊控制器的控制規(guī)則見(jiàn)表2所示。表2 制動(dòng)力矩分配模糊控制器模糊控制規(guī)則Table 2 Rules for braking torque distribution fuzz

21、ylogic controller!2qTH H M L TL S OCTH T L T L T L TL TL HT L L M L TL M M M M M L L TH T H H M L TLTHT HT HHM4 仿真計(jì)算分析在M AT LAB/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行H EV 制動(dòng)控制策略的仿真分析,通過(guò)仿真可以對(duì)策略的穩(wěn)定性、敏感度以及魯棒性進(jìn)行分析研究,作者主要研究高附著路面輕度制動(dòng)條件下的能量回收率以及低附著路面緊急制動(dòng)條件下的車(chē)輛穩(wěn)定性。設(shè)定初始SOC 為45%,初始車(chē)速為100km/h,車(chē)重為1600kg 。在制動(dòng)過(guò)程中,車(chē)輛的動(dòng)能和回收的電能分別計(jì)算如下。車(chē)輛的動(dòng)能

22、#E T=#12m(v 22-v 21(10電池儲(chǔ)存的電能#Ebat=t(Ek-I (tR(tI (td t (11式中:E k 為蓄電池電動(dòng)勢(shì);I (t為蓄電池所允許的最大充電電流;R (t為充電時(shí)蓄電池內(nèi)阻。采用下式計(jì)算能量回收率#:!759!吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版第37卷#=#E bat#ET=t(E k -I (tR (tI (td t#12m(v 22-v 21(124.1 輕度制動(dòng)仿真分析 圖7是在輕度制動(dòng)(制動(dòng)減速度小于1m/s 2條件下的制動(dòng)系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果,從圖7(a可以看出,輪速與車(chē)速完全吻合,沒(méi)有發(fā)生車(chē)輪抱死現(xiàn)象,液壓制動(dòng)力矩隨著能量回收制動(dòng)力矩的增加而逐漸減小,能量回收制

23、動(dòng)力矩和液壓制動(dòng)力矩在控制策略的作用下能夠協(xié)調(diào)工作,電池的SOC 在制動(dòng)過(guò)程中有顯著的增長(zhǎng),制動(dòng)過(guò)程中回 圖7 高附著路面輕度制動(dòng)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.7 Simulation results for slight braking requeston high adhesion coefficient road收總的電能為260.638kJ,占車(chē)輛動(dòng)能的42.22%,能量回收率很高。根據(jù)式(12,在制動(dòng)過(guò)程中,能量回收率為#=E bat E T =260638617283.95=42.22% 輕度制動(dòng)條件下能量回收效率很高,這主要是由于制動(dòng)強(qiáng)度較小,制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),在控制邏輯的協(xié)調(diào)下制動(dòng)力矩主要由電

24、機(jī)施加,液壓制動(dòng)力矩只是起到了輔助制動(dòng)的作用。4.2 緊急制動(dòng)仿真分析由于能量回收制動(dòng)力矩的作用,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)較傳統(tǒng)汽車(chē)在低附著系數(shù)路面上緊急制動(dòng)時(shí)更容易發(fā)生危險(xiǎn)。圖8為車(chē)輛在沒(méi)有進(jìn)行制動(dòng)力矩協(xié)同控制時(shí)的制動(dòng)特性曲線。從中可以看出,由于沒(méi)有對(duì)電機(jī)的制動(dòng)力矩進(jìn)行合理的控制,單純依靠液壓系統(tǒng)被動(dòng)調(diào)整制動(dòng)輪缸壓力,很難消除輪速與車(chē)速之間出現(xiàn)的差異。圖8 無(wú)制動(dòng)力矩協(xié)同控制下的制動(dòng)特性曲線Fig.8 Characteristic curves during braking withoutcooperating control圖9是采用作者提出的制動(dòng)控制策略,在低附著路面上緊急制動(dòng)(制動(dòng)減速度大于3

25、m/s 2仿真計(jì)算的結(jié)果,圖中列出了電/液制動(dòng)主要技術(shù)參數(shù)的變化情況。在整個(gè)仿真過(guò)程中,沒(méi)有發(fā)生車(chē)輪抱死的情況,液壓制動(dòng)力矩和電機(jī)制動(dòng)力矩一直處于波動(dòng)調(diào)整狀態(tài),這主要是由于路面附著力較小,為了防止車(chē)輪抱死,制動(dòng)力矩不斷調(diào)整造成的,在整個(gè)仿真過(guò)程中,車(chē)速與輪速基本處于吻合狀態(tài)。根據(jù)式(12,能量回收率為#=E batE T =55838.4617283.95=9.045%制動(dòng)過(guò)程中回收總的電能為55838.4J,占車(chē)輛動(dòng)能的9.045%。在低附著、強(qiáng)制動(dòng)的條件下,由于制動(dòng)時(shí)間較短,電機(jī)回收的能量比輕度制動(dòng)小,但是制動(dòng)安全性和穩(wěn)定性得到了保障。!760!第4期 彭 棟, 等: 基于模糊控制的并聯(lián)式

26、混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng) ! 761 ! 過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生車(chē)輪抱死的情況, 說(shuō)明了控制邏 輯控制效果明顯且具有良好的路面適應(yīng)能力, 從 而驗(yàn)證了控制邏輯的有效性和穩(wěn)定性。 參考文獻(xiàn): 1 Pag anelli G, Ercole G, Brahma A , et al. General superv isor y co nt ro l policy fo r the energ y optimiza t ion of charg e sustaining hy br id electric v ehicles J . JSA E Review, 2001, 22( 4 : 511 518. 2

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