CN108340787B - 一种单加速踏板制动控制方法和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种单加速踏板制动控制方法和车辆，通过驾驶员对于加速踏板的操作行为，判断驾驶员制动意图，进一步地，结合加速踏板的开度变化、开度变化率和再生制动能力，利用模糊控制器，在当前电机再生制动能力范围内，计算出当前电机提供的再生制动力矩，进行制动并回收制动能量。随后，再根据驾驶员下一时刻的驾驶行为，自适应地调整电机再生制动能力的大小。本发明实现了尽可能只通过加速踏板来完成纯电动汽车的驾驶操作，增加了一段工况内再生制动能量回收的时间比重，增大了制动能量回收率，同时减轻了驾驶员的操作负担，使驾驶更为智能。

Description

一种单加速踏板制动控制方法和车辆

技术领域

本发明属于电动汽车踏板控制策略领域，更加具体的说，涉及一种单加速踏板制动控制方法和车辆。

背景技术

电动汽车具有再生制动能量回收技术，可以通过在制动的过程中驱使电动机变为发电机，从而回收些许制动能量，降低纯电动汽车的能耗，进而延长续驶里程。因此，为解决续驶里程不足的问题，电动汽车再生制动控制策略就至为关键。

现有的再生制动控制策略主要从制动力分配入手，力图在保证制动稳定性的前提下提高再生制动力占总制动力的比重，但这种控制策略提供的再生制动力相对较小，绝大部分工况下是由机械制动力和再生制动力共同进行制动，而驾驶员的许多制动需求单由电机再生制动力就能满足，因此现有的再生制动控制策略一定程度上是对电机制动性能的浪费，与此同时还需要驾驶员同时操作加速踏板和制动踏板，加重驾驶员的操作负担。

因此，本发明为解决上述问题，提出了一种基于自适应模糊控制算法的电动汽车加速踏板单踏板制动控制策略，结合加速踏板开度与开度变化率(定义为单位时间内的加速踏板的开度变化)，实现了仅通过加速踏板的信息识别出驾驶员的制动意图，利用模糊理论计算出电机的再生制动力矩，同时根据驾驶员下一时刻的驾驶行为，自适应调整本策略的参数，尽可能只由电机再生制动力来满足驾驶员的制动需求，增大制动工况中再生制动力的时间比重；同时，在绝大部分工况中，驾驶员只需操作加速踏板即可实现车辆行驶，减轻了驾驶员的操作负担，使得驾驶过程更为智能。

发明内容

一种单加速踏板制动控制方法：

通过当前时刻加速踏板与前一时刻加速踏板位置变化判断加速踏板开度变化及开度变化率；通过当前时刻制动踏板与前一时刻制动踏板位置变化判断制动踏板开度变化；

所述方法包括：

一、驾驶员制动意图识别，通过加速踏板位置变化判定驾驶员制动意图；

二、确定再生制动能力，以当前车速与过去特定时间段内的平均车速进行比较，作为判定再生制动能力的依据；

三、再生制动力矩计算，在判定回收制动能量后，根据加速踏板开度变化、加速踏板开度变化率以及再生制动能力，计算电机再生制动力矩。

四、电机再生制动能力自适应更新，根据加速踏板和制动踏板的位置变化，结合加速踏板开度变化或制动踏板开度变化为参数调整电机再生制动能力。

驾驶员制动意图识别具体为：

若加速踏板位置未变浅，输出驱动力矩；

若加速踏板位置变浅，且整车继续处于加速或匀速状态时，输出驱动力矩；

若加速踏板位置变浅，且整车处于减速状态，提供再生制动力矩并回收制动能量。

再生制动能力为再生制动力矩最大值。

确定再生制动能力具体为：

若当前车速高于过去特定时间段内的平均车速，则提高再生制动力矩最大值；若当前车速低于过去特定时间段内的平均车速，降低再生制动力矩最大值；若当前车速与过去特定时间段内的平均车速相等，保持再生制动力矩最大值不变。

电机再生制动能力自适应更新具体为：

1)若加速踏板位置变深，使电机再生制动能力的绝对值随着加速踏板深度的增加而减小；

2)若加速踏板位置变浅或者产生制动踏板信号，使电机再生制动能力的绝对值随着制动踏板深度的增加而增加，或随着加速踏板深度的变浅而增加

3)若制动踏板和加速踏板的位置都未发生改变，使电机再生制动能力保持不变。

利用模糊控制算法计算电机再生制动力矩，模糊控制器的输入为加速踏板的开度变化和开度变化率，输出为电机再生制动力矩。

模糊规则的标准为：加速踏板开度变化越大，开度变化率越快，电机再生制动力矩越大；加速踏板开度变化越小，开度变化率越慢，电机再生制动力矩越小。

本发明还涉及一种车辆，其特征在于使用如前所述的方法。

附图说明

图1纯电动汽车加速踏板自适应模糊控制策略架构示意图

图2加速踏板开度变化、开度变化率以及电机再生制动力矩的隶属函数

图3动态仿真模糊控制系统

图4实际车速与目标车速us06仿真曲线

图5加速踏板开度仿真曲线

图6电机力矩仿真曲线

图7实车加速度仿真曲线

图8机械制动力矩仿真曲线

具体实施方式

本发明涉及的一种基于自适应模糊控制算法的纯电动汽车加速踏板单踏板制动控制策略，通过当前时刻加速踏板与前一时刻加速踏板位置变化判断加速踏板开度变化及开度变化率；通过当前时刻制动踏板与前一时刻制动踏板位置变化判断制动踏板开度变化；

如图1所示，其控制策略主要分为四个部分：

第一部分，驾驶员制动意图的识别。

在任意时刻t，将此时加速踏板位置信息pedal(t)与前一时刻加速踏板的位置信息pedal(t-1)相比较。

1)若当前时刻踏板位置未比前一时刻位置变浅，pedal(t)≥pedal(t-1)，即加速踏板位置变深或者保持加速踏板位置不变，此时驾驶员处于踩下加速踏板状态。根据预存的加速踏板-驱动力对应表，本领域也称加速踏板-驱动力map图，计算出当前加速踏板位置下，电机提供的驱动力矩，车辆加速行驶。

2)若当前时刻踏板位置比前一时刻位置变浅，pedal(t)<pedal(t-1)，即加速踏板位置变浅，此时进行二次判断，二次判断具体为：

2.1)若此时pedal(t)位置对应的驱动力能够使整车继续处于加速或匀速状态，可见驾驶员虽然松开加速踏板，但是制动意图并不强烈，此时电机仍作为电动机，按照当前踏板位置输出驱动力矩，整车的加速度减小。

2.2)若此时pedal(t)位置对应的驱动力已经不能维持整车继续处于加速或匀速状态，整车处于减速状态，判定驾驶员的制动意图强烈，则此时电机不再提供驱动力矩，转而变为发电机，提供再生制动力矩并回收制动能量。

第二部分，确定再生制动能力。

为便于计算驾驶员期望得到的再生制动力矩，先设定电机能够提供的再生制动能力为T0，即当前允许再生制动力矩的最大值，此能力是在电机固有的最大力矩的基础上进一步做出限制，综合了驾驶员的踏板操作习惯，得到的能够更好满足驾驶员制动期望的电机再生制动能力。当识别出驾驶员具有强烈的制动意图的时候，以当前车速V与过去特定时间段内的平均车速V_average进行比较的结果，作为判定制动力需求大小的依据。过去特定时间段由当前时刻向前追溯特定时间得到。优选地所述特定时间段为30s、40s或50s。以特定时间段为40s为例说明，若当前车速高于过去40s内的平均车速，那么驾驶员对于制动力的需求可能相对更大，则提高电机的再生制动能力；若当前车速低于过去40s内的平均车速，那么驾驶员对于制动力的需求可能相对较小，则降低电机的再生制动能力；若当前车速与过去40s的平均车速相等，那么再生制动能力可能满足驾驶员的制动需求，保持电机再生制动能力不变。具体地将电机再生制动能力T0调整为(T0-k1*(V(t)-V_average))，优选地，本发明中k1数值取为1。同时为了反应制动工况的真实特征，T0和(T0-k1*(V(t)-V_average))数值上为负且应满足电机外特性的限制要求，且当车速低于V0(比如5km/h)时，(T0-k1*(V(t)-V_average))降为零，此时电机不产生再生制动力矩。

第三部分，再生制动力矩计算。

根据加速踏板开度变化、加速踏板开度变化率以及电机再生制动能力(T0-k1*(V(t)-V_average))利用模糊控制算法，计算出当前驾驶员行为对应的电机再生制动力矩。电机转变为发电机，使整车进入减速状态，回收制动能量。其中加速踏板开度变化为驾驶员松开加速踏板的行程，本领域也称开度变化，加速踏板开度变化率为加速踏板松开的缓急程度，本领域也称开度变化率。

第四部分，电机再生制动能力自适应更新。

对于电机能够提供的最大再生制动力矩T0做出更新调整：

1)若下一时刻加速踏板位置深度加深，即pedal(t+1)>pedal(t)，则表示当前电机提供的再生制动力矩偏大，驾驶员产生了加速意图，此时令T0的绝对值随着加速踏板开度的增加逐渐减小，定义加速踏板开度变化为Δacceleration pedal，此时电机再生制动能力更新为(T0+k2*Δacceleration pedal)，优选地，本发明中k2数值上取为10；

2)若下一时刻加速踏板位置深度变浅或者产生制动踏板信号，则表示当前电机提供的再生制动力矩偏小，驾驶员产生了更强烈的制动意图进而踩下了制动踏板，此时令T0随着制动踏板深度的增加而增加或随着加速踏板深度的变浅而增加，定义制动踏板开度变化为Δbrake pedal，此时电机再生制动能力更新为(T0-k3*Δbrake pedal)优选地，本发明中k3数值上取为10；

3)若制动踏板和加速踏板的位置都未发生改变，表明驾驶员未改变驾驶行为，当前电机提供的再生制动力矩恰好满足驾驶需求，此时令T0保持不变。

具体地，本发明在第三部分计算电机再生制动力矩的时候运用到了模糊控制算法，其具体内容如下：

(1)确定模糊控制器的结构

选用两输入单输出的模糊控制器，输入为加速踏板的开度变化和开度变化率，输出为电机再生制动力矩。

(2)定义输入、输出模糊集

将加速踏板的开度变化分为7个模糊集：Z(开度变化为0)，VS(开度变化非常小)，S(开度变化小)，MS(开度变化中等偏小)，MB(开度变化中等偏大)，B(开度变化大)，VB(开度变化非常大)。同样将加速踏板的开度变化率也分为7个模糊集：Z(开度变化率为0)，VS(开度变化率非常小)，S(开度变化率小)，MS(开度变化率中等偏小)，MB(开度变化率中等偏大)，B(开度变化率大)，VB(开度变化率非常大)。将电机再生制动力矩分为7个模糊集：Z(再生制动力矩为0)，VS(再生制动力矩非常小)，S(再生制动力矩小)，MS(再生制动力矩中等偏小)，MB(再生制动力矩中等偏大)，B(再生制动力矩大)，VB(再生制动力矩非常大)。

为了便于计算，我们将加速踏板的开度变化和开度变化率以及电机再生制动力矩的论域均设为{0,1,2,3,4,5,6}，那么加速踏板的开度变化和开度变化率在输入时应放大6倍，电机再生制动力矩的输出应放大(T0-k1*(V(t)-V_average))/6倍。

(3)定义隶属函数

对于加速踏板开度变化，选用的隶属函数如公式(1)所示。

在加速踏板开度变化论域的两端分别采用Z型和S型隶属函数，中间段采用三角形隶属函数可实现加速踏板开度变化的模糊化，采用MATLAB进行仿真，加速踏板开度变化隶属函数设计仿真结果如图2中(a)所示。

对于加速踏板的开度变化率，选用的隶属函数如公式(2)所示。

在加速踏板开度变化率论域的两端分别采用Z型和S型隶属函数，中间段采用三角形隶属函数可实现加速踏板开度变化率的模糊化，采用MATLAB进行仿真，加速踏板开度变化率隶属函数设计仿真结果如图2中(b)所示。

对于电机再生制动力矩，选用的隶属函数如公式(3)所示。

同样的，在电机再生制动力矩论域分别采用Z型、S型和三角形隶属函数以实现电机再生制动力矩的模糊化，仿真结果如图2中(c)所示。

(4)建立模糊控制规则

根据驾驶员的操作经验设计模糊规则，考虑到驾驶员在绝大部分工况内，加速踏板开度变化处于中等水平，加速踏板开度变化为-1的极端工况较为少见，为了提高再生制动强度，设计模糊规则的标准为：加速踏板开度变化越大，开度变化率越快，电机再生制动力矩越大；加速踏板开度变化适中，开度变化率适中，电机再生制动力矩中等偏大；“加速踏板开度变化越小，开度变化率越慢，电机再生制动力矩越小。

(5)建立模糊控制表

根据模糊规则的设计标准，建立模糊规则表如表1所示

表1 电机再生制动力矩的模糊力矩

(6)模糊推理

根据上述确定的隶属函数以及模糊规则表，向模糊控制器中输入实时采集的加速踏板的开度变化以及开度变化率，进行规则匹配，确定加速踏板开度变化与开度变化率在不同等级中的隶属度，通过这些隶属度可以得到与之相配的模糊控制规则，并计算出这些规则触发前提的可能性，最终的推理结果即为各个规则可能性的并集。

最后我们利用重心法对上述的推理结果进行反模糊化，最终将全部推理结果的并集转化为一个精确数值，即为本模糊控制器的输出。利用MATLAB进行仿真，得到具体的动态仿真模糊控制系统如图3所示

结合上述的电动汽车加速踏板自适应模糊控制策略，利用MATLAB对于标准高速工况US06进行仿真分析，具体仿真实例如下。

在仿真过程中，将US06工况设定为驾驶员的目标车速，将实际车速与目标车速之间的差值作为驾驶员的意图：1)若下一时刻目标车速大于等于此时的实际车速，此时驾驶员具有加速或者匀速意图，电机作为电动机提供驱动力矩，此时根据速度差计算出驱动力矩的大小，进一步确定加速踏板的开度；2)若下一时刻目标车速小于此时的实际车速，此时驾驶员具有制动意图，电机转为发电机提供再生制动力矩，此时根据速度差计算出制动力，进一步依照本发明的控制策略计算出加速踏板的开度变化，确定踏板此时的开度。若电机此时所能提供的再生制动力矩无法满足制动需求，此时引入机械制动力，表示此时驾驶员踩下制动踏板。

仿真分析时，电机再生制动能力T0初始值设置为-180N.m，同样以实际车速与目标车速之间的差值作为驾驶员的期望，一定程度上可以反映出驾驶员下一时刻的操作，因此电机再生制动能力的自适应更新过程为T0-k4*(V_real(i+1)-V_us06(i+1))，优选地，本仿真实例k4数值上取为1。

仿真的目标是在本发明的自适应模糊策略下，控制加速踏板的开度，满足驾驶员的驾驶意图，实现对目标US06工况的跟随。

仿真结果表明，在本发明的纯电动汽车加速踏板自适应模糊控制策略下，实际车速与目标车速的仿真曲线如图4所示，实际车速与目标车速的最大偏差仅为1.4181m/s，而偏差量的方差仅为0.0256m²/s²，可以看出实际车速可以很好地跟随目标车速，完全可以满足驾驶需求。而仿真得到的加速踏板开度、电机力矩以及实车加速度信息分别如图5、6、7所示，同时仿真过程中机械制动力矩的信息如图8所示，可以看出机械制动力矩所占的时间比重很小，在US06的绝大部分工况下，仅由再生制动力即可满足制动需求。仿真结果得到，在us06工况中，电机的能耗为2.4960e+06J，而电机再生制动回收的能量为7.0061e+05J，制动能量回收率达到了28.07％。

Claims (8)

1.一种单加速踏板制动控制方法，其特征在于：

所述方法包括：

一、驾驶员制动意图识别，仅通过加速踏板位置变化判定驾驶员制动意图；

二、确定再生制动能力，以当前车速与过去特定时间段内的平均车速进行比较，作为判定再生制动能力的依据；

三、再生制动力矩计算，在判定回收制动能量后，根据加速踏板开度变化、加速踏板开度变化率以及再生制动能力，计算电机再生制动力矩；

四、电机再生制动能力自适应更新，根据加速踏板和制动踏板的位置变化，结合加速踏板位置变化或制动踏板位置变化调整电机再生制动能力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：驾驶员制动意图识别具体为：

若加速踏板位置未变浅，输出驱动力矩；

若加速踏板位置变浅，且整车继续处于加速或匀速状态时，输出驱动力矩；

若加速踏板位置变浅，且整车处于减速状态，提供再生制动力矩并回收制动能量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：再生制动能力为再生制动力矩最大值，所述再生制动力矩最大值小于电机固有的制动力矩最大值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：确定再生制动能力具体为：

若当前车速高于过去特定时间段内的平均车速，则提高再生制动力矩最大值；若当前车速低于过去特定时间段内的平均车速，降低再生制动力矩最大值；若当前车速等于过去特定时间段内的平均车速，保持再生制动力矩最大值不变。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于：电机再生制动能力自适应更新具体为：

1)若加速踏板位置变深，使电机再生制动能力的绝对值随着加速踏板深度的增加而减小；

2)若加速踏板位置变浅或者产生制动踏板信号，使电机再生制动能力的绝对值随着加速踏板深度的变浅而增加，或随着制动踏板深度的增加而增加；

3)若制动踏板和加速踏板的位置都未发生改变，使电机再生制动能力保持不变。

6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：

利用模糊控制算法计算电机再生制动力矩，模糊控制器的输入为加速踏板的开度变化和开度变化率，输出为电机再生制动力矩。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：

模糊规则的标准为：加速踏板开度变化越大，开度变化率越快，电机再生制动力矩越大；加速踏板开度变化越小，开度变化率越慢，电机再生制动力矩越小。

8.一种车辆，其特征在于使用如权利要求1至7任一项所述的方法。

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