后驅(qū)式純電動(dòng)車(chē)再生制動(dòng)控制策略研究

孟澤文 張鐵柱 張洪信 趙清海 尹懷仙 侯典平

摘要：??針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)力中制動(dòng)力分配系數(shù)不合理的問(wèn)題，本文以后驅(qū)式純電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)分析制動(dòng)力安全分配區(qū)域，在isight軟件中對(duì)制動(dòng)力分配區(qū)域優(yōu)化，得出最優(yōu)分配區(qū)間，并在此基礎(chǔ)上提出新型再生制動(dòng)控制策略。同時(shí)，在AVL_cruise中建立電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型，在Matlab/Simulink中建立再生制動(dòng)控制策略模型，并在不同制動(dòng)強(qiáng)度工況下進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，與原控制策略相比，新控制策略在中制動(dòng)強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的能量回收率明顯提高，在高、大制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)穩(wěn)定性提升，說(shuō)明該控制策略是合理的。該研究為電動(dòng)汽車(chē)對(duì)再生制動(dòng)深入研究能量回收率以及制動(dòng)穩(wěn)定性等方面提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：??后驅(qū)電動(dòng)汽車(chē);?再生制動(dòng);?控制策略;?優(yōu)化;?仿真

中圖分類號(hào)：?U469.72?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A

收稿日期：?2019-08-16;?修回日期：?2019-10-28

基金項(xiàng)目：??山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)（40215020073）;山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014GGX103044）;青島市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育計(jì)劃項(xiàng)目（14-8-1-2-gx）

作者簡(jiǎn)介：??孟澤文（1996-），男，山東泰安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)智能化動(dòng)力集成技術(shù)。

通信作者：??張洪信（1969-），男，山東濰坊人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)智能化動(dòng)力集成技術(shù)。Email：?qduzhx@126.com

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，隨之帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和石油資源枯竭問(wèn)題[1]。近年來(lái)，電汽車(chē)發(fā)展迅速和應(yīng)用廣泛，但其續(xù)駛里程短、動(dòng)力性不足的問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決。再生制動(dòng)能夠回收一部分制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，提高能量的利用率，增加汽車(chē)的續(xù)駛里程，因此再生制動(dòng)控制策略對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研究具有重要意義[2-4]。付先成等人[5]基于XQ6103客車(chē)對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，最終確定整車(chē)制動(dòng)力分配系數(shù)在0.4～0.5之間取值比較合理;鄧姣艷[6]以純電動(dòng)公交車(chē)位為依據(jù)，選取磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源，采用Simulink進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明儲(chǔ)能效果比單一電源提高了15%;M.?Panagiotidis等人[7]經(jīng)過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)，在不降低駕駛員感受的前提下，在多個(gè)典型工況下，串聯(lián)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)性能比并聯(lián)式能量回收好，回收率達(dá)到20%以上;Hoon?Y等人[8]提出了四輪混合驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力的制動(dòng)力分配控制策略，并結(jié)合模糊控制，進(jìn)一步提出再生控制系統(tǒng)和四輪液壓和ABS控制的方法，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)的總體控制。目前，再生制動(dòng)主要存在制動(dòng)穩(wěn)定性和制動(dòng)能量回收不能兼顧的問(wèn)題[9-11]。基于此，本文以制動(dòng)力分配的角度為出發(fā)點(diǎn)，以后驅(qū)式純電動(dòng)汽車(chē)為例，對(duì)制動(dòng)力分配安全區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，提出了新型再生制動(dòng)控制策略，在保證汽車(chē)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上回收能量最大化。通過(guò)聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性。該研究為電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)控制策略的深入研究提供了理論依據(jù)。

1?制動(dòng)能量回收原理

傳統(tǒng)燃油汽車(chē)主要靠制動(dòng)盤(pán)與車(chē)輪的摩擦實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的制動(dòng)減速，制動(dòng)時(shí)汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能損耗[12]。與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中，車(chē)輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，將能量?jī)?chǔ)存在電池中，同時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的反拖轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車(chē)輪，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的制動(dòng)[13]。

汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中，縱向平面受滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi和地面制動(dòng)力Fb的共同作用。汽車(chē)制動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程為

Ft=Ff+Fb+Fi+Fw（1）

式中，F(xiàn)t為總需求制動(dòng)力。

假設(shè)制動(dòng)前車(chē)速為V1，制動(dòng)過(guò)程結(jié)束后的車(chē)速為V2，則在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能的損失為

（mV12）/2—（mV22）/2=FtS（2）

式中，S為制動(dòng)距離。

在城市交通工況下，可以忽略坡度阻力Fi和空氣阻力Fw[14]，所以式（2）可以簡(jiǎn)化為

（mV12）/2—（mV22）/2=（Ff+Fb）S（3）

式中，m為汽車(chē)質(zhì)量;Ff為滾動(dòng)阻力;Fb為地面制動(dòng)力。滾動(dòng)阻力以熱能的形式散發(fā)，無(wú)法回收。汽車(chē)制動(dòng)力包括再生制動(dòng)力和傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)力，機(jī)械制動(dòng)力產(chǎn)生的能量最終轉(zhuǎn)換為熱能，是無(wú)法回收的，只有電機(jī)再生制動(dòng)力消耗的一部分能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩才可以回收[15]，所以如何分配制動(dòng)力的比例和工作模式是影響能量回收利用率的重要因素。

2?制動(dòng)力分配控制策略

2.1?制動(dòng)力分配范圍

對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)，根據(jù)前后輪制動(dòng)力的分配情況、路面附著系數(shù)等因素，汽車(chē)制動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下3種情況[16]：

1）?前輪先于后輪抱死。這種情況發(fā)生時(shí)，前輪因抱死而失去轉(zhuǎn)向能力，沒(méi)有充分的利用附著條件。

2）?后輪先于前輪抱死。汽車(chē)容易發(fā)生側(cè)滑等危險(xiǎn)工況，比前輪先抱死更危險(xiǎn)。

3）?前后車(chē)輪同時(shí)抱死。相比于前兩種情況，此時(shí)前后附著系數(shù)相等，充分利用附著系數(shù)。

因此，制動(dòng)力分配是否合理對(duì)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性影響很大，理想的前、后制動(dòng)力分配為I曲線，該曲線制動(dòng)力滿足

Fr=12Ghgb2+4hglGFf-（Gbhg+2Ff）（4）

式中，F(xiàn)f和Fr分別為前、后輪地面制動(dòng)力;b為質(zhì)心與后軸的距離;hg為質(zhì)心高度;G為作用在整車(chē)上的重力;l為軸距。

按I曲線分配的前后軸制動(dòng)力可以實(shí)現(xiàn)前后軸同時(shí)抱死，達(dá)到制動(dòng)的最佳效果，但是I曲線對(duì)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的精度要求較高，很難達(dá)到，所以通常制動(dòng)時(shí)不是按照I曲線的要求來(lái)分配前后輪制動(dòng)力，而是按照固定比值來(lái)分配。本文在后驅(qū)式純電動(dòng)汽車(chē)固定比值的基礎(chǔ)上增加比例閥，使制動(dòng)力的分配曲線更加的貼合I曲線。制動(dòng)力分配安全范圍如圖1所示，圖1中，折線段OCDEO圍成的區(qū)域?yàn)橹苿?dòng)力分配安全范圍。

2.2?優(yōu)化制動(dòng)力分配安全范圍

變比例閥制動(dòng)力分配曲線見(jiàn)圖1中折線段OCD，它由OC和CD兩條曲線組成，為了在使用比例閥后，折線OCD更加接近I曲線，對(duì)點(diǎn)C（xc，yc）進(jìn)行優(yōu)化。本文取同步附著系數(shù)為0.7，可求的D點(diǎn)坐標(biāo)（xd，yd）=（5?772，2?085），以I曲線和折線OCD所夾的面積最小為優(yōu)化目標(biāo)，以制動(dòng)力分配要求為約束條件，以前輪制動(dòng)力坐標(biāo)C（xc，yc）為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化[17]，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

Min：

F=∫xD012Ghgb2+4hgGFf-Gbhg+2FfdFf-∫xc0ycxcFfdFf-∫xexcyd-ycxd-xc（Ff-xc）-ycdFf（5）

S.t.：?yc=Ghgb2+4hgGxc-Gbhg+2xc（6）

0≤xc≤57?720（7）

設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化如圖2所示。

通過(guò)優(yōu)化軟件isight優(yōu)化，在迭代1?002次之后得到優(yōu)化后的C點(diǎn)坐標(biāo)（xc，yc）為（2?305，1?154），即得到直線OC和CD的方程分別為

Fr=0.5Ff（8）

Fr=0.252?1Ff+573（9）

2.3?前后輪制動(dòng)力分配

1）?當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度0Fz，說(shuō)明當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1時(shí)，電機(jī)完全可以滿足制動(dòng)要求。制動(dòng)力分配曲線見(jiàn)圖1中線段OA。

2）?當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度0.1

Freg=-0.047?6Ff+1?111.6（10）

式中，F(xiàn)reg為電機(jī)制動(dòng)力。

3）?當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度0.26

Freg=Freg_max（11）

F′r=Fr-Freg（12）

Fr=0.5Ff（13）

式中，F(xiàn)reg_max為最大的再生制動(dòng)力;F′r為后輪機(jī)械制動(dòng)力。CD線段的制動(dòng)力分配方法和BC線段相同，此時(shí)

Freg=Freg_max（14）

F′r=Fr-Freg（15）

Fr=0.252?1Ff+573（16）

4）?當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z>0.7時(shí)，為大強(qiáng)度制動(dòng)，屬于緊急制動(dòng)狀態(tài)，為了保證制動(dòng)安全性，制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)退出再生制動(dòng)，只有機(jī)械制動(dòng)。此時(shí)

Freg=0（17）

Fr=F′r=0.252?1Ff+573（18）

3?再生制動(dòng)系統(tǒng)建模

使用Matlab/Simulink軟件搭建車(chē)輛再生制動(dòng)控制模型，汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力分配控制策略如圖3所示。

使用AVL_cruise搭建整車(chē)模型，本文所采用的目標(biāo)車(chē)型為后驅(qū)式純電動(dòng)汽車(chē)，電機(jī)輸出軸通過(guò)主減速器與后輪相連，電動(dòng)汽車(chē)主要參數(shù)如表1所示。

利用AVL_cruiseInterface模塊做為接口，將整車(chē)模型中的車(chē)速、制動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)速等信號(hào)變量輸入到Matlab/Simulink中，同時(shí)輸出電機(jī)負(fù)荷信號(hào)、電機(jī)制動(dòng)力、前輪制動(dòng)力以及后輪制動(dòng)力等信號(hào)[20]，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制，其實(shí)際作用相當(dāng)于實(shí)車(chē)中的制動(dòng)控制單元（brake?control?unit，BCU）。用AVL_cruise搭建車(chē)輛模型，cruise整車(chē)模型如圖4所示。

4?仿真結(jié)果分析

以初始車(chē)速為100?km/h和80?km/h，并選取幾種不同的制動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)本文提出的再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩如圖5所示，小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)前后輪制動(dòng)力矩如圖6所示。

6?小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)前后輪制動(dòng)力矩

由圖5和圖6可以看出，當(dāng)汽車(chē)在小強(qiáng)度制動(dòng)工況下，只有電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，前輪和后輪不產(chǎn)生機(jī)械制動(dòng)，說(shuō)明電機(jī)制動(dòng)足以滿足汽車(chē)制動(dòng)需求。當(dāng)車(chē)速降低到10?km/h時(shí)，電機(jī)退出再生制動(dòng)，此時(shí)前后輪的機(jī)械制動(dòng)力矩增大，汽車(chē)完全由機(jī)械制動(dòng)完成汽車(chē)制動(dòng)。

中強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩如圖7所示，中強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)前后輪制動(dòng)力矩如圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，當(dāng)汽車(chē)進(jìn)行中強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)時(shí)間為18?s左右，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一直發(fā)生變化，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不足時(shí)，前輪開(kāi)始機(jī)械制動(dòng)，對(duì)電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩在78?N·m左右并保持穩(wěn)定，前后輪的制動(dòng)力矩保持不變。當(dāng)車(chē)速減小到10?km/h時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力退出再生制動(dòng)，前后輪的機(jī)械制動(dòng)增大保證制動(dòng)力矩的穩(wěn)定性。

高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩如圖9所示，高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)前后輪制動(dòng)力矩如圖10所示。

由圖9和圖10可以看出，當(dāng)汽車(chē)進(jìn)行中強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)時(shí)間為5?s左右，電機(jī)的輸出的轉(zhuǎn)矩沿其外特性曲線變化，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不足時(shí)，前輪開(kāi)始機(jī)械制動(dòng)，對(duì)電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償。

電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩在110?N·m左右并保持穩(wěn)定，前后輪的制動(dòng)力矩保持不變。當(dāng)車(chē)速減小到10?km/h時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力退出再生制動(dòng)，前后輪的機(jī)械制動(dòng)增大保證制動(dòng)力矩的穩(wěn)定性。

當(dāng)汽車(chē)處于高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，電機(jī)不參與汽車(chē)制動(dòng)，故提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0，汽車(chē)所需的制動(dòng)力矩全部由前后輪的機(jī)械制動(dòng)力矩來(lái)提供。選擇制動(dòng)能量回收率作為評(píng)價(jià)能量回收效果的指標(biāo)，即

ηreg=WchgW=Wchg12mV13.62-V23.62（19）

式中，ηreg為電池的能量回收率;Wchg為進(jìn)入到蓄電池的充電能量;W為汽車(chē)制動(dòng)時(shí)消耗的能量;V1為制動(dòng)前的車(chē)速;V2為制動(dòng)后的車(chē)速。

根據(jù)式（19），在3種不同工況下，計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)能量回收率，制動(dòng)能量回收率如表2所示。

5?結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)后驅(qū)式純電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行研究，提出了一種基于制動(dòng)強(qiáng)度解耦式串聯(lián)再生制動(dòng)控制策略，并搭建了控制策略模型和整車(chē)模型，并對(duì)該控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)在中小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，可以充分利用電機(jī)的再生制動(dòng)，回收效率較高。在高制動(dòng)強(qiáng)度下制動(dòng)時(shí)，為了保證汽車(chē)的制動(dòng)安全性，電機(jī)再生制動(dòng)明顯減少，能量回收率下降。在大制動(dòng)強(qiáng)度下，電機(jī)完全退出再生制動(dòng)，以保證汽車(chē)制動(dòng)穩(wěn)定性。本文的再生制動(dòng)控制策略方面并沒(méi)有考慮到電池的充放電特性對(duì)制動(dòng)力分配的影響以及制動(dòng)過(guò)程的平順性。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步深入對(duì)再生制動(dòng)控制策略的研究，以提高電動(dòng)汽車(chē)的能量回收率以及制動(dòng)平順性。

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Brake?Energy?Recovery?Control?Strategy?for?Rear?Drive?Pure?Electric?Vehicle

MENG?Zewena，?ZHANG?Tiezhua，b，?ZHANG?Hongxina，b，?ZHAO?Qinghaia，b，?YIN?Huaixiana，b，?HOU?Dianpinga

（a.?School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China;b.?Power?Integration?and?Energy?Storage?Systems?Engineering?Technology?Center，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China）

Abstract：??In?view?of?unreasonable?power?distribution?coefficient?of?electric?vehicles，?this?paper?mainly?stu?dies?of?rear?drive?pure?electric?vehicle.?By?analyzing?the?safety?distribution?area?of?braking?force，?with?the?iSIGHT?software，?the?braking?force?distribution?area?is?optimized，?and?the?optimal?distribute?on?interval?is?obtained.?On?this?basis，?a?new?regenerative?braking?control?strategy?is?put?forward.?The?whole?vehicle?model?of?electric?vehicle?is?established?in?AVL_cruise，?and?the?regenerative?br?aking?control?strategy?model?is?established?in?matlab/Simulink.?Joint?simulation?is?carried?out?under?different?braking?intensity?conditions.?Simulation?results?show?that，?compared?with?the?original?control?strategy，?The?energy?recovery?rate?of?the?new?control?strategy?is?obviously?improved?when?the?middle?braking?intensity?is?applied，?and?the?braking?stability?of?electric?vehicle?is?improved?at?high?and?big?braking?intensity.?It?shows?that?the?control?strategy?is?reasonable，?and?provides?a?theoretical?basis?for?the?regenerative?braking?of?electric?vehicles，?indepth?study?of?energy?recovery?and?braking?stability.

Key?words：??rear?drive?electric?vehicle;?braking?energy?recovery;?control?strategy;?optimize;?simulation