純電動(dòng)汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真

王 暉，陳 燎，盤朝奉，b

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院;b.汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

隨著汽車保有量快速增長(zhǎng)，由汽車引發(fā)的資源緊缺、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。純電動(dòng)汽車對(duì)能源的利用率較高，在節(jié)能和環(huán)保方面具有較大優(yōu)勢(shì)，且其技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟，具有十分廣闊的發(fā)展前景［1］。研究表明:在城市駕駛工況下，大約有1/3～1/2的能量被消耗在制動(dòng)過(guò)程中，所以對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義［2－12］。

Mourad Mohamed［7］建立了蓄電池、電機(jī)、控制器以及傳動(dòng)系統(tǒng)模型，運(yùn)用ADVISOR軟件進(jìn)行多種城市工況下的仿真，獲得了行駛工況與制動(dòng)能量回收利用率之間的關(guān)系，最終確定了一種適用于最佳制動(dòng)能量回收的結(jié)構(gòu)。

在電動(dòng)汽車行車液壓制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)液壓控制單元和行程模擬器?；谒O(shè)計(jì)的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)與控制策略建立了AMEsim-Simulink聯(lián)合仿真模型，對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 制動(dòng)能量回收的原理

當(dāng)電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制可以將車輛以發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行。這樣一方面可以提供制動(dòng)力，另一方面可以將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，從而增加電動(dòng)汽車的行駛里程。圖1為電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收原理。與傳統(tǒng)汽車上的單一液壓制動(dòng)力相比，電動(dòng)汽車可以通過(guò)電機(jī)來(lái)提供制動(dòng)力，液壓制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)共同組成了電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收原理

1.2 能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容能量密度小，在回收制動(dòng)能量時(shí)，其端電壓變化大且輸出特性偏軟。因此，在超級(jí)電容與電機(jī)控制器之間設(shè)置DC/DC變換器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能量雙向升壓和降壓的傳輸功能。超級(jí)電容與蓄電池組成的復(fù)合電源再生制動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)合電源再生制動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)時(shí)，蓄電池經(jīng)電機(jī)控制器給電機(jī)供電以驅(qū)動(dòng)車輪;制動(dòng)時(shí)，車輪帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，交流電由電機(jī)控制器整流后成為直流電，經(jīng)DC/DC變換后將電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容中。當(dāng)超級(jí)電容中儲(chǔ)存足夠多能量后，可經(jīng)由DC/DC變換器用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛或?qū)㈦娔芄┯杵渌碾娫O(shè)備。整車控制器根據(jù)駕駛員意圖與車輛行駛狀態(tài)決定系統(tǒng)工作狀態(tài)，且可通過(guò)控制DC/DC的運(yùn)行控制電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力。

2 AMEsim-simulink聯(lián)合仿真模型的建立

2.1 基于AMEsim的液壓相關(guān)模型

2.1.1 行程模擬器模型

本文選用被動(dòng)調(diào)節(jié)式行程模擬器。該模擬器簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，且可反饋踏板力與行程間的線性關(guān)系。如圖3所示，模擬器制動(dòng)液腔被兩側(cè)面積不等的活塞分隔為前腔與后腔，分別與制動(dòng)主缸的前腔與后腔相連，模擬器前腔中設(shè)有模擬器彈簧。由于活塞兩側(cè)面積不等，活塞兩側(cè)所受壓力不同，可以抵消一部分作用在彈簧上的壓力，因此模擬器彈簧不需要太大的剛度來(lái)提供反力，避免因使用太大剛度的彈簧使行程模擬器尺寸變大。

在數(shù)學(xué)模型中，不計(jì)模擬器彈簧預(yù)置力，則模擬器中活塞力平衡方程為

其中:Sa，Sb分別為模擬器前后腔活塞面積;Pf，Pr分別為制動(dòng)主缸前后腔液壓壓力;Pf為模擬器彈簧剛度;Kss為模擬器彈簧剛度;Xss為模擬器彈簧位移。

將主缸減壓、制動(dòng)液將要流入行程模擬器的時(shí)刻作為初始點(diǎn)，忽略機(jī)械阻尼及液體壓縮特性，由制動(dòng)主缸與行程模擬器組成的液壓回路系統(tǒng)可由方程(2)～(5)描述。

主缸推桿力:

主缸后腔活塞力平衡:

前腔進(jìn)出油液平衡:

后腔進(jìn)出油液平衡:

方程(2)～(5)中:Sf，Sr分別為主缸前后腔活塞面積;Kfs，Krs分別為制動(dòng)主缸前、后腔回位彈簧剛度;Xfs，Xrs分別為制動(dòng)主缸前、后腔彈簧位移。由此可推出主缸推力Frod與主缸有效行程Xrod的關(guān)系:

圖3 行程模擬器結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上模型，建立制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)AMEsim模型，如圖4所示。

圖4 制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)AMEsim模型

2.1.2 高壓蓄能器模型

制動(dòng)系統(tǒng)中，液壓制動(dòng)的油源是由高壓蓄能器中儲(chǔ)存的高壓制動(dòng)液，液量可以滿足車輛多次連續(xù)制動(dòng)。本文選用氣囊式高壓蓄能器。當(dāng)蓄能器作為高壓油源時(shí)，儲(chǔ)存和釋放的容量和氣囊中的氣體體積變化量相等，而氣體狀態(tài)的變化符合玻意耳定律，即

式(7)中:Pb為制動(dòng)狀態(tài)下的壓力;Vb為對(duì)應(yīng)于Pb時(shí)氣體體積;P1為液壓泵對(duì)蓄能器儲(chǔ)油結(jié)束時(shí)的壓力;V1為對(duì)應(yīng)于P1時(shí)的氣體體積;P2為蓄能器的工作最低壓力限值;V2為對(duì)應(yīng)于P2時(shí)的氣體體積;P為氣囊的充氣壓力;V為氣囊的充氣體積，即蓄能器容量，這時(shí)氣囊應(yīng)充滿殼體內(nèi)腔;n為多變指數(shù)，1＜n＜1.4。

若設(shè)儲(chǔ)能器工作時(shí)體積變化為ΔVb(ΔVb=Vb－V1)，則

根據(jù)電動(dòng)車參數(shù)，設(shè)定高壓蓄能的工作低壓限值P2=15 MPa，高壓限值為P1=18 MPa。

2.1.3 液壓泵模型

液壓泵為柱塞泵，當(dāng)高壓蓄能器內(nèi)制動(dòng)液壓力降至設(shè)定的下限值時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)柱塞泵工作，向蓄能器加壓至設(shè)定的壓力值。液壓泵的輸出流量Qout與其額定的排量Vc、電機(jī)轉(zhuǎn)速nm等參數(shù)有關(guān)。液壓泵的流量可以表示為

根據(jù)電動(dòng)車參數(shù)，選取液壓泵的額定排量Vc=1 mL/r，電機(jī)轉(zhuǎn)速 nm=1400 r/min。

2.2 基于Simulink的模型

2.2.1 車輛整車動(dòng)力學(xué)模型

為驗(yàn)證電液復(fù)合制動(dòng)的制動(dòng)效果，需要對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，以得到仿真過(guò)程中車輛的實(shí)時(shí)車速。車輛行駛時(shí)受力平衡可表示為

2.2.2 電機(jī)模型

電動(dòng)車采用直流無(wú)刷電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子繞組中的電流與轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。定子繞組產(chǎn)生的電磁功率表達(dá)式為

因此，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為

式(13)中:TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;B為電機(jī)阻尼系數(shù);J為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由式(12)可知:電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小與磁通和電流的幅值成正比。對(duì)于永磁電機(jī)，可以通過(guò)控制逆變器輸出的電流幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。本文為了研究電機(jī)的發(fā)電特性，建立了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的Simulink模型。

2.2.3 超級(jí)電容模型

忽略自放電特性對(duì)超級(jí)電容帶來(lái)的影響，將超級(jí)電容模型簡(jiǎn)化為理想電容器和電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并建立Simulink模型。

超級(jí)電容在充電過(guò)程中，其輸入電壓為uc，可用超級(jí)電容端電壓Vc減去超級(jí)電容內(nèi)阻Rc上的壓降表示，超級(jí)電容實(shí)時(shí)SOC值可以通過(guò)制動(dòng)過(guò)程中輸入電壓和充電電流計(jì)算得到。

式(14)～(15)中:Uh為超級(jí)電容的額定電壓;C為超級(jí)電容的本征容量。

超級(jí)電容為單體DLCAP2.5V700F型超級(jí)電容，其單體電壓為2.5 V，本征容量為700 F。超級(jí)電容單體通過(guò)限壓電路串聯(lián)成超級(jí)電容組作為能量回收儲(chǔ)能裝置，由28個(gè)單體串聯(lián)為一組，兩組并聯(lián)而成，組成的超級(jí)電容組額定電壓為70 V，本征容量為50 F。

超級(jí)電容工作時(shí)能夠存儲(chǔ)的能量(即有效容量Es)由額定電壓、本征容量和最低工作電壓Ucmin共同決定:

令 Ucmin=qUh，則有

式(17)中:q為超級(jí)電容的放電深度，一般取q=0.6 ～0.7。

2.2.4 DC/DC 變換器模型

DC/DC變換器是常用的電路結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)成熟，但其電感的參數(shù)選擇對(duì)變換器的性能影響很大，在設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)紋波理論計(jì)算電感取值。本研究選用的電感值為6 mH。

DC/DC變換器中IGBT的開(kāi)關(guān)頻率由主控芯片決定，f=28 kHz。

當(dāng)處于升壓狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)，設(shè)占空比為Dy。當(dāng)升壓釋放時(shí)，超級(jí)電容端電壓為

升壓回收時(shí)，

2.2.5 聯(lián)合仿真模型

在AMEsim環(huán)境下聯(lián)合仿真模型如圖5所示。該模型包括制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)、4個(gè)輪缸與和輪缸對(duì)應(yīng)的4組高速開(kāi)關(guān)閥。在高速開(kāi)關(guān)閥的控制集成與液壓控制器中，HyS為與Simulink對(duì)接的Simucosim模塊。

圖5 AMEsim環(huán)境下電液復(fù)合制動(dòng)聯(lián)合仿真模型

Simulink環(huán)境下的聯(lián)合仿真模型如圖6所示。模型包括整車動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)模型、超級(jí)電容模型、DC/DC模型、制動(dòng)力分配與駕駛員意圖識(shí)別等上述建立的模型，還設(shè)置了恒壓蓄電池作為供電單元。其中S－函數(shù)為與AMEsim數(shù)據(jù)交換的接口。設(shè)置系統(tǒng)仿真采樣時(shí)間與數(shù)據(jù)接口采樣時(shí)間均為 0.001 s。

圖6 Simulink環(huán)境下聯(lián)合仿真模型

3 制動(dòng)能量回收仿真與分析

在初始速度為36 km/h的工況下，自第6 s開(kāi)始制動(dòng)，踏板力輸入時(shí)間為0.5 s，輸入大小分別選取30，50 N，對(duì)應(yīng)理想制動(dòng)強(qiáng)度的控制分別為0.08，0.248。查看仿真過(guò)程中各個(gè)參數(shù)，進(jìn)行制動(dòng)能量回收效果分析。

當(dāng)制動(dòng)踏板力為30 N時(shí)，輸出制動(dòng)強(qiáng)度為0.085，如圖7(c)所示。制動(dòng)初始階段可完全由電機(jī)制動(dòng)提供制動(dòng)力，是理想的制動(dòng)能量回收狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)最大再生力矩下降，前軸液壓介入，完成制動(dòng)。

當(dāng)踏板力為50 N時(shí)，輸出制動(dòng)強(qiáng)度為0.27，大于電機(jī)提供的最大制動(dòng)強(qiáng)度，如圖7(d)所示，制動(dòng)開(kāi)始后電制動(dòng)與前、后軸液壓制動(dòng)共同參與制動(dòng)。如圖8所示，隨著車速下降，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)下降，電機(jī)發(fā)電功率減小，提供的再生制動(dòng)電樞電流減小，對(duì)電容充電電流逐漸減小，超級(jí)電容充電功率也隨之減小。超級(jí)電容電壓與SOC變化如圖9所示。

對(duì)比踏板力為30 N的小強(qiáng)度制動(dòng)與踏板力為50 N的中小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容的充電過(guò)程。由圖8可見(jiàn):電容電壓由48 V分別提高至53.71 V和50.97 V;電容 SOC 由 0.47 提高至 0.588 和0.532。對(duì)應(yīng)充入超級(jí)電容的能量為14455 J與7359 J，則可得到兩種制動(dòng)強(qiáng)度下制動(dòng)能量回收率分別為38.5%與19.6%。

圖7 制動(dòng)力控制輸入與輸出

圖8 電樞電流與電容充電電流

圖9 超級(jí)電容端電壓與SOC變化

可見(jiàn)在小制動(dòng)強(qiáng)度下，絕大部分制動(dòng)力可由電機(jī)提供，制動(dòng)能量回收率較高。受電機(jī)最大再生制動(dòng)力限制，在中小制動(dòng)強(qiáng)度下，液壓部分介入較多，導(dǎo)致能量回收率偏小。但鑒于該電動(dòng)車主要行駛于城市工況，電液復(fù)合制動(dòng)大多以小制動(dòng)強(qiáng)度工作，制動(dòng)能量回收率在40%左右，回收效果較好。

4 結(jié)論

1)基于AMEsim的模型建立了行程模擬器、高壓蓄能器和液壓泵的模型?；赟imulink的建立了車輛整車動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)、超級(jí)電容和DC/DC變換器模型。根據(jù)以上建立的所有模型建立了AMEsim-Simulink聯(lián)合仿真模型。

2)在初始速度為36 km/h的工況下，分別選取踏板力大小為30 N(小強(qiáng)度制動(dòng))和50 N(中小強(qiáng)度制動(dòng))進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:在城市工況下(小強(qiáng)度制動(dòng))，制動(dòng)能量回收率在40%左右，回收效果較好。

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