雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制研究

韓愛國 劉奕驛

摘 要：為提高純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)過程中的能量回收率，文章以某一前、后雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車為對(duì)象，針對(duì)純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)過程中機(jī)械制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力的分配進(jìn)行研究，合理的分配前、后軸上機(jī)械制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力各自的比例，并引入相關(guān)影響因子對(duì)電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)行修正，制定了經(jīng)濟(jì)性控制策略，最后用Simulink和Cruise軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。結(jié)果表明，采用經(jīng)濟(jì)性控制策略能夠提高制動(dòng)能量回收率，且在車速波動(dòng)更為頻繁的城市工況下更有利于電動(dòng)汽車回收制動(dòng)能量。

關(guān)鍵詞：雙電機(jī)驅(qū)動(dòng);制動(dòng)能量回收;影響因子;Simulink

Abstract： To improve the braking energy recovery rate of the pure electric vehicles in the process of regenerative braking， this paper takes a dual motor drive the pure electric vehicles as the object， in view of the pure electric vehicle regenerative braking during the process of mechanical braking force and to study the mechanism of electric power distribution， reasonable distribution of mechanical braking force on the front and rear axle and the mechanism of electric power in proportion to the respective， and introducing relevant impact factors to modify mechanism of electric power， then the optimal economic control strategy is developed， finally using Simulink and Cruise joint simulation software. The results show that the optimal economic control strategy can improve the braking energy recovery， and is more beneficial to the recovery of braking energy in electric vehicles under the urban conditions where the speed fluctuation is more frequent.

前言

隨著石油資源枯竭以及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯的電動(dòng)汽車得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，如何提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程成為了研究重點(diǎn)。電動(dòng)車的再生制動(dòng)技術(shù)能夠回收制動(dòng)過程中摩擦消耗的部分制動(dòng)能量，提高整車的能量效率，延長(zhǎng)續(xù)駛里程，同時(shí)也可以減輕制動(dòng)器的熱負(fù)荷，提高行駛的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

目前，國內(nèi)對(duì)于再生制動(dòng)控制策略的研究大部分都是基于三種典型的控制策略，郭棟等人[1]以某一后輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車為研究對(duì)象，對(duì)簡(jiǎn)單并聯(lián)控制策略進(jìn)行了改進(jìn);王超[2]在理想制動(dòng)力分配控制策略的基礎(chǔ)上，考慮了電機(jī)制動(dòng)特性，提出了針對(duì)插電式四驅(qū)混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)控制策略。本文主要針對(duì)再生制動(dòng)過程中機(jī)械制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力的分配進(jìn)行研究，以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，通過合理的分配前、后軸上機(jī)械制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力各自的比例，達(dá)到提高能量回收率的目的，并通過仿真分析，驗(yàn)證了本文提出的控制策略的實(shí)用性。

1 純電動(dòng)汽車制動(dòng)力分配

本文選擇雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，忽略制動(dòng)過程中空氣阻力和滾動(dòng)阻力的影響，受力分析如圖1所示。

式中：Fz1和Fz2分別為制動(dòng)時(shí)地面對(duì)前輪和后輪的法向反作用力;G為作用在整車上的重力;L為軸距;a和b分別為質(zhì)心到前、后軸的距離;hg為質(zhì)心高度;z為制動(dòng)強(qiáng)度。

制動(dòng)過程中，當(dāng)前后輪同時(shí)抱死時(shí)，可得：

式中：Fxb1和Fxb2分別為前、后輪地面制動(dòng)力;φ為路面附著系數(shù)。

由式（4）可得到前后軸制動(dòng)器制動(dòng)力的理想分配曲線，即I曲線。當(dāng)前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力按照 I 曲線分配時(shí)，無論φ為何值，前后輪總是同時(shí)抱死，保證制動(dòng)穩(wěn)定性和較高的路面附著系數(shù)利用率。

對(duì)于本文所研究的純電動(dòng)汽車，其前后輪制動(dòng)器的制動(dòng)力分配比例關(guān)系設(shè)置為固定值β，β即制動(dòng)力分配系數(shù)，則有：

2 制動(dòng)力分配策略

2.1 再生制動(dòng)控制策略的選擇

汽車再生制動(dòng)控制策略的核心就是制動(dòng)力的分配問題，在進(jìn)行制動(dòng)力分配策略的研究時(shí)主要集中在以下兩個(gè)問題：一是如何分配前后軸的制動(dòng)力;二是如何分配摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)力。當(dāng)前主要存在三種典型的制動(dòng)力分配控制策略：理想制動(dòng)力分配控制策略、最佳制動(dòng)能量回收控制策略、并聯(lián)再生制動(dòng)力分配控制策略。研究表明，并聯(lián)控制策略具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和制動(dòng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，便于大范圍推廣使用，雖然其制動(dòng)能量回收率較低，但可通過對(duì)控制策略的優(yōu)化來提高[3]。

本文基于典型制動(dòng)力分配控制策略，結(jié)合電動(dòng)汽車的理想制動(dòng)力分配曲線（I曲線），建立了能量回收率較高的經(jīng)濟(jì)性控制策略，即圖2中的OABCDE線。由于本研究中的電動(dòng)汽車為雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)，故在此對(duì)前后軸的制動(dòng)力進(jìn)行重新分配，使電機(jī)盡可能多地參與制動(dòng)[4]，本文提出的經(jīng)濟(jì)性控制策略如圖2所示。

2.2 電機(jī)制動(dòng)力的修正

在制動(dòng)過程中，再生制動(dòng)能夠回收能量的與電機(jī)此時(shí)的工作狀態(tài)及電池工作狀態(tài)有關(guān)[6]，此外當(dāng)由小強(qiáng)度制動(dòng)過渡到大強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力矩需要退出過渡到純液壓制動(dòng)模式，為防止電機(jī)制動(dòng)力產(chǎn)生突變影響制動(dòng)時(shí)的平順性，因此引入相關(guān)影響因子，對(duì)制動(dòng)過程中的電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)行修正[7]。

（1）車速影響因子i1。根據(jù)電機(jī)外特性圖，在電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，電機(jī)能夠提供的轉(zhuǎn)矩很小，此時(shí)不進(jìn)行能量回收。設(shè)置車速門限值為Vl、Vh，i1表達(dá)式如下：

（2）SOC影響因子i2。當(dāng)電池SOC高于某一值時(shí)，為了保護(hù)電池則不再進(jìn)行充電，設(shè)置SOC門限值SOCh、SOCl，i2表達(dá)式如下：

（3）制動(dòng)強(qiáng)度影響因子i3。為了保證在制動(dòng)強(qiáng)度較高時(shí)電機(jī)制動(dòng)力的退出較為平緩，引入制動(dòng)強(qiáng)度影響因子i3，設(shè)置制動(dòng)強(qiáng)度門限值z(mì)h、zl，i3表達(dá)式如下。

3 控制策略的建模與仿真

為了驗(yàn)證本文提出的經(jīng)濟(jì)性控制策略，在MATLAB/ Simulink平臺(tái)下建立再生制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，在Cruise軟件里搭建純電動(dòng)汽車的整車模型，并進(jìn)行聯(lián)合仿真。

本文設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性控制策略模型如圖3所示，電機(jī)制動(dòng)力修正模塊如圖4所示。在制動(dòng)過程中，控制策略根據(jù)整車的車速、制動(dòng)強(qiáng)度以及此時(shí)電池的工作狀態(tài)，確定此時(shí)需求的總制動(dòng)力以及前、后電機(jī)制動(dòng)力及機(jī)械制動(dòng)力的比例。

4 仿真及結(jié)果分析

循環(huán)工況反映了車輛運(yùn)行的實(shí)際狀況，仿真結(jié)果更具有參考價(jià)值[8]。NEDC循環(huán)工況的最高車速較高，循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，包含了市區(qū)和市郊工況，能夠比較真實(shí)地反映車輛運(yùn)行情況[9]。故本文選取新歐洲循環(huán)測(cè)試NEDC作為試驗(yàn)循環(huán)。將動(dòng)力電池初始SOC值設(shè)置為0.8，在NEDC循環(huán)工況下分別對(duì)原車策略、Cruise自帶策略和本文設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性策略進(jìn)行仿真。為了確定本文設(shè)計(jì)的控制策略能夠在實(shí)際行駛中滿足要求，本文對(duì)NEDC工況需求的車速與汽車的實(shí)際車速進(jìn)行了對(duì)比，車速跟隨情況如圖5所示，此外選擇電池的SOC作為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，用以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制策略能量回收的效果，NEDC循環(huán)工況下電池SOC變化結(jié)果如圖6所示。

由圖5可知，加入設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性控制策略后，汽車的當(dāng)前車速與工況需求車速基本吻合，驗(yàn)證了控制策略的可行性。

由圖6可知，在NEDC循環(huán)下，采用本文設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性策略，電池的SOC整體下降的更為緩慢;在1100s后，采用經(jīng)濟(jì)性策略和Cruise自帶策略的SOC都會(huì)小幅上升，這是由于1100s后汽車開始進(jìn)行連續(xù)減速，此時(shí)會(huì)回收制動(dòng)過程中的能量，且由圖中可看出，采用經(jīng)濟(jì)性策略的汽車回收的能量最多。

為了更加直觀的反映控制策略對(duì)整車?yán)m(xù)駛里程的影響，在NEDC循環(huán)工況下使汽車行駛至電池SOC從0.8減小至0.7，對(duì)三種控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，原車策略、Cruise自帶策略和經(jīng)濟(jì)性策略下，整車的續(xù)駛里程如表2所示。

5 結(jié)論

通過對(duì)典型的制動(dòng)力分配策略進(jìn)行分析，提出能量回收率更高的純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性控制策略。根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)性控制策略，利用MATLAB/Simulink搭建模型進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果表明，采用經(jīng)濟(jì)性控制策略，能夠滿足制動(dòng)安全性和穩(wěn)定性要求，與原車相比，回收的能量顯著增加，續(xù)駛里程可增加10.8%。

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