純電動汽車起步過程轉矩優化研究

馬秋香

摘 要：為了提升純電動汽車起步過程的加速性能，提出了一種基于模糊控制的起步控制策略，對純電動汽車起步加速過程進行轉矩優化。首先對駕駛員的起步意圖進行模糊識別，通過將起步模式劃分為一般起步模式，快速起步模式和緊急起步模式來反映駕駛員的起步意圖。然后根據起步意圖的識別結果，在不同的起步模式下采用不同的電機轉矩負荷曲線，使電機的輸出轉矩更符合駕駛員的起步要求。基于Matlab/simulink建立純電動汽車仿真模型，對純電動汽車加速過程的沖擊度、電機輸出轉矩和速度進行分析。仿真結果表明，所研究的控制策略在滿足駕駛員起步意圖和車輛起步平順性的基礎上提高了車輛的起步加速性能。

關鍵字：起步過程;模糊控制;轉矩優化

中圖分類號：U461? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：

Research on torque optimization of starting process of pure electric vehicle

Abstract： In order to improve the acceleration performance of the starting process of pure electric vehicles， a starting control strategy based on fuzzy control is proposed to optimize the torque of the starting acceleration process of pure electric vehicles. First， the driver's starting intention is fuzzy identified， and the starting mode is divided into a general starting mode， a fast starting mode and an emergency starting mode o reflect the starting intention of drivers. Then according to the recognition result of the starting intention， different motor torque load curves are used in different starting modes， so that the output torque of the motor is more consistent with the driver's starting requirements. Based on Matlab/simulink， a pure electric vehicle simulation model is established to analyze the impact degree， motor output torque and speed of the pure electric vehicle acceleration process. Simulation results show that the control strategy studied in this paper can improve the vehicle's starting acceleration performance on the basis of satisfying the driver's starting intention and the vehicle's starting smoothness.

Key words： starting process; fuzzy control; torque optimization

引言

隨著時代的發展和進步，環境污染問題日益嚴重，環保成為一個備受關注的問題，因此能夠減少尾氣排放和提高新能源效率的新能源汽車成為重點發展方向[1]。整車控制器是純電動汽車研究的重點，控制純電動汽車平穩起步是整車控制器的重要功能之一，設計合理的起步控制策略對于整車控制器的完善和車輛的性能都具有重要意義。文獻[2]采用車速與電流雙閉環控制策略，建立了起步加速過程的純電動汽車的動態數學模型，使純電動汽車的行駛狀態更加符合駕駛員的駕駛習慣。文獻[3]將純電動汽車的起步分為無油門起步和有油門起步2種模式，該控制策略滿足了純電動汽車在起步時的平順性和安全性的要求。文獻[4-5]都采用了驅動電機和制動器協調配合的自適應起步控制方法，使車輛在不同坡度上起步沖擊度小、不溜車，具有較好的坡道自適應能力。以上文獻所提出的純電動汽車起步過程控制策略對駕駛員的起步意圖考慮較少，為充分考慮駕駛員的起步意圖，本文提出了基于起步意圖識別的純電動汽車起步控制策略。

本文所提出的控制策略，通過將車輛的起步模式劃分為一般起步模式、快速起步模式和緊急起步模式來反映駕駛員的起步意圖。駕駛員起步意圖的識別采用模糊控制算法，建立以電池SOC和加速踏板開度變化率為輸入變量，以起步模式為輸出的模糊控制器。設計出各起步模式下的電機轉矩負荷系數曲線，然后根據起步意圖識別的起步模式與加速踏板的開度確定電機的轉矩負荷系數，進而計算出電機輸出轉矩。最終整車控制器將轉矩命令發送給電機系統，電機的輸出轉矩通過傳動系統傳送給車輪，車輛完成起步。

1純電動汽車起步過程轉矩分析

純電動汽車在起步過程中，是通過電機輸出轉矩來獲得驅動力，通過克服作用于汽車的各種外力實現車輛的起步[6-7]。純電動汽車的行駛方程式為

式中，為電機輸出轉矩，為主減速器傳動比，為傳動系統機械效率，為車輪半徑，為車輛總重力，為滾動阻力系數，為坡度角，為空氣阻力系數，為迎風面積，為車輛速度，為汽車旋轉質量換算系數，為車輛總質量，為車輛行駛加速度。

純電動汽車的動力全部由電機提供，因此控制電機輸出合理的轉矩是實現純電動汽車平穩起步、加速性能良好的關鍵。本文所研究的純電動汽車的部分技術參數如表1所示。

2純電動汽車起步過程轉矩優化策略

傳統的純電動汽車起步控制策略僅考慮了加速踏板行程的變化，控制策略采用線性轉矩輸出，駕駛員的起步意圖得不到體現。

為解決上述問題，本文將純電動汽車的起步模式設置為一般起步模式、快速起步模式和緊急起步模式，各起步模式對應不同的電機轉矩負荷系數曲線。轉矩負荷系數是加速踏板開度的函數，其表達式如下：

不同的起步模式可以使駕駛員的起步意圖得到更好的體現。通過模糊控制算法來確定起步模式，在此基礎上計算出電機的輸出轉矩，然后將轉矩命令發送給電機系統，轉矩通過傳動系統作用到車輪上，完成車輛起步。其中電機的輸出轉矩是轉矩負荷系數和電機當前轉速下最大輸出轉矩的函數，其表達式如下：

純電動汽車起步過程轉矩優化策略如圖1所示。

2.1 起步模式識別

駕駛員的駕駛意圖主要通過踩踏加速踏板來實現，但是車輛本身的狀態也會影響車輛的性能，因此在起步意圖識別時主要考慮加速踏板和車輛的狀態。車輛加速踏板開度和加速踏板開度的變化率可以直觀的反映駕駛員的起步意圖，加速踏板開度代表車輛起步之后駕駛員期望的穩定車速，加速踏板開度的變化率的大小在一定程度上反映了駕駛員對于起步要求的快慢。當駕駛員踩踏加速踏板的速度比較快時，代表駕駛員想要快速起步，電機應該輸出一個較大的轉矩;當駕駛員踩踏加速踏板的速度較慢時，代表駕駛員想要平穩起步，電機輸出一個合適的轉矩。駕駛員在通過一系列操作來表達駕駛意圖時，為了車輛能要一個更好的起步加速過程，車輛狀態的分析也至關重要。電池SOC較大時，電池的持續輸出性能較好，優先考慮快速起步，使駕駛員的起步意圖得到體現;在電池SOC較小時，優先考慮平穩起步，降低電池的能耗，延長整車的續航。

在車輛起步的過程中，駕駛員對汽車的操作是一系列的感性集合，因此起步模式的識別難以用準確的數學模型來表述。引入具有較強魯棒性的模糊推理[8]，利用模糊控制來判斷駕駛員的起步意圖。

以加速踏板開度的變化率和電池的為輸入變量，起步模式為輸出變量建立模糊控制器。車輛的起步過程是一個加速的過程，因此將加速踏板開度變化率的模糊集論域定義為[0 100]，其語言變量設置為：{極小ZS，小S，中M，大B，極大ZB}。電池的過小時會使車輛進入跛行模式，因此將電池的模糊集論域定義為[20 100]，其語言變量設置為{小S，中M，大B}。起步模式n的論域設置為[1，3]，其語言變量設置為{一般起步模式S，快速起步模式M，緊急起步模式B}。選擇三角函數作為輸入變量的隸屬度函數，如圖2所示。輸出變量的隸屬度函數采用固定值，S對應1，M對應2，B對應3。

在所選輸入變量的基礎上，總結駕駛員在純電動汽車起步時的經驗，模糊控制規則采用的形式，制定如表2所示的15條模糊規則。輸入變量首先經過模糊化處理，然后再經過模糊規則的模糊推理，最終通過解模糊得到精確的輸出變量。

2.2各起步模式設計及轉矩分配

2.2.1 緊急起步模式設計

在緊急起步模式下，為了滿足急加速起步的要求，整車的動力響應要迅速，加速踏板開度與電機轉矩負荷系數的對應關系應是硬踏板控制方式[9]。

純電動汽車的動力性主要體現在爬坡性能上面。擬定緊急起步模式下純電動汽車以30 km·h-1車速爬坡，最大爬坡度是30%，可以得到不同爬坡度所需的電機功率和轉矩[10]，如表3所示。

定義車輛的加速踏板開度與車輛爬坡度的關系如表4所示。

利用公式（3），可以求出不同爬坡度下電機轉矩負荷系數，綜合表3和表4可以得出加速踏板開度與轉矩負荷系數的關系，如表5所示。

通過數據擬合，可以得到加速踏板開度與轉負荷系數的關系曲線，如圖3中緊急起步模式的轉矩負荷系數曲線。

2.2.2 快速起步模式設計

在快速起步模式下，整車的動力性相比緊急起步模式要差一些，減小整車的沖擊度，但是比一般起步模式下的動力性能要好。擬定快速起步模式下純電動汽車以30 km·h-1的車速爬坡，設定最大爬坡度為20%，可以得到不同爬坡度所需的電機功率和轉矩如表6所示。

定義車輛的加速踏板開度與車輛爬坡度的關系如表7所示。

利用公式（3），可以求出不同爬坡度下電機轉矩負荷系數，綜合表6和表7可以得出加速踏板開度與轉矩負荷系數的關系，如表8所示。

通過數據擬合，可以得到加速踏板開度與轉負荷系數的關系曲線，如圖3中快速起步模式的轉矩負荷系數曲線。

2.2.1 一般起步模式設計

在一般起步模式下，采用傳統的線性策略，如圖3中一般起步模式的轉矩負荷系數曲線。

3 控制策略仿真驗證

在Matlab/simulink軟件中搭建整車仿真模型，該模型包括加速踏板模型、整車控制器模型、電機模型、電池模型、傳動系模型和整車動力學模型，對控制策略進行仿真。

將電池的SOC設置為80%，然后設置不同的加速踏板來對控制策略進行驗證，對仿真結果中的車速、電機輸出轉矩和沖擊度進行分析判斷控制策略的可行性。加速踏板的設置如圖4所示，三種情況分別是5-6s、5-7s、5-8s內加速踏板開度從0增至40%。仿真結果如圖5所示。

由圖5（a）（b）可以看出，緊急起步模式和快速起步模式轉矩的輸出相比一般起步模式更大，更大的輸出轉矩會滿足駕駛員的快速起步要求;在車速方面，緊急起步模式和快速起步模式都能在較短的時間里完成起步并提速。由圖5（c）可以看出，三種起步模式都滿足沖擊度的要求。

4 結語

本研究運用模式控制算法對駕駛員的起步意圖進行識別，依據駕駛員的起步意圖確定電機轉矩負荷系數，最終確定電機輸出轉矩。仿真結果表明，控制策略能夠較好的識別駕駛員的起步意圖，優化了起步時的轉矩輸出，使汽車的起步加速性能大幅改善，并且能夠滿足汽車的平順性要求。為車輛的起步控制策略提供了一種有效的方法，對將來車輛的開發具有借鑒意義。

【參考文獻】

[1]黃志.新能源汽車技術發展現狀分析及其趨勢[J].汽車實用技術，2018，44（11）：19-20.

[2]汪貴平，馬建，楊盼盼，等.電動汽車起步加速過程的動力學建模與仿真[J].長安大學學報（自然科學版），2009，29（06）：98-102.

[3]胡建軍，杜瑞，吉毅.純電動汽車起步控制策略[J].重慶大學學報，2013，36（08）：19-25.

[4]吳兵顯，周萍.基于純電動汽車的坡道起步控制策略研究[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（05）：37-40.

[5]秦大同，陳淑江，胡明輝，等，周孟喜.純電動汽車電機與制動器協調起步控制[J].中國機械工程，2012，23（14）：1758-1763.

[6]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社 ， 2015.

[7]胡驊，宋慧.電動汽車[M].北京：人民交通出版社，2012.

[8]Datta M，Senjyu T.Fuzzy Control of Distributed PV Invert-

ers/Energy Storage Systems/Electric Vehicles for Frequency Regulation in a Large Power System[J].IEEE Transactions on Smart Grid. 2013， 4 （1）：479- 488.

[9] 熊會元，何山，查鴻山，等.雙軸驅動純電動汽車驅動轉矩的分配控制策略[J].華南理工大學學報（自然科學版），2018，46（11）：117-124.

[10] 郭溫文.純電動客車整車控制系統設計及控制策略研究[D].長春：吉林大學，2011.