混合動力汽車再生制動系統(tǒng)控制策略的建模仿真分析

麥明珠

摘 要：文章主要對混合動力汽車在驅(qū)動循環(huán)下的實(shí)際工作特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并以傳統(tǒng)汽車制動理論為基礎(chǔ)，探究了制動安全性和高效制動能量回收情況。提出了較為有效的混合動力汽車再生制動系統(tǒng)控制策略。同時對混合動力汽車進(jìn)行了系統(tǒng)建模以及程式驅(qū)動仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表示目前符合制動汽車的分配策略能夠更好地符合車輛動力要求，提升能量使用效率。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車 建模 仿真

1 引言

混合動力汽車中采用了不同的動力裝置，其中主要有內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行過程中可以通過對內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)儲能裝置的有效時間控制和能量分配提升能量使用效率。其主要特點(diǎn)在于當(dāng)車輛減速和制動時，車輛的動能通過電動機(jī)發(fā)電的形式實(shí)現(xiàn)制動性能，在電能儲存的過程中實(shí)現(xiàn)能量回收，既實(shí)現(xiàn)車輛的制動和減速，又有效降低整車的耗能，降低燃油消耗。

2 混合動力汽車再生制動系統(tǒng)分析

在混合動力汽車中不但有液壓制動系統(tǒng)，同時也包含再生制動系統(tǒng)，再生制動系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中會依靠驅(qū)動電機(jī)發(fā)電來運(yùn)行，可以將制動過程中汽車動能勢能轉(zhuǎn)化為電能，在電池中儲存。大部分情況下再生制動系統(tǒng)與液壓制動系統(tǒng)都處于運(yùn)行狀態(tài)，一同向汽車提供動能，因而混合動力汽車制動系統(tǒng)屬于復(fù)合制動系統(tǒng)，需要對其進(jìn)行一定的系統(tǒng)控制。在混合動力汽車中運(yùn)用制動技術(shù)時還需要控制其保持最佳制動能量回收效率。另外，為了提升混合動力汽車制動系統(tǒng)的可靠性，液壓制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，避免互相影響，此時一旦再生制動系統(tǒng)存在內(nèi)部故障，可通過液壓制動系統(tǒng)單獨(dú)完成制動需求。

3 再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)行機(jī)理

車輛內(nèi)部制動系統(tǒng)主要分為制動控制器、再生制動控制器和液壓控制器。汽車在實(shí)際制動中，內(nèi)部制動踏板單元傳感器檢測踏板行程會將其轉(zhuǎn)化為電子信號，并將其傳輸給車輛內(nèi)部制動器，進(jìn)而結(jié)合設(shè)定好的制動力分配進(jìn)行控制計(jì)算，得出前輪、后輪制動力，并將相關(guān)信號分別傳遞給再生制動控制器與液壓制動控制器。

再生制動控制器通過和電機(jī)控制器合并能夠更好地調(diào)節(jié)再生制動系統(tǒng)內(nèi)部所需要的制動力;而液壓制動控制器則可以通過調(diào)整電磁比例閥的情況調(diào)節(jié)前后輪制動液，對前后輪制動液制動力進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時，混合動力汽車內(nèi)部系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可通過傳感器實(shí)時反饋系統(tǒng)內(nèi)部的不同零件參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際制動需求調(diào)整制動系統(tǒng)工作狀態(tài);其優(yōu)勢主要在于能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動，即在車輛進(jìn)行降速或制動時能夠確保車輛的性能，同時通過車輛動能帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，使其轉(zhuǎn)化為電能儲存于電池中，從而更好地回收能量。

4 再生制動系統(tǒng)控制策略

4.1 仿真模型建立及模型原理

文章以某輕度混合動力轎車為研究對象，并結(jié)合車輛的不同行駛情況和路面抓地條件，通過Advisor軟件進(jìn)行了車輛制動力學(xué)仿真模型建立，在仿真模型中涵蓋了蓄能器再生能量、馬達(dá)損耗、變量泵、變速機(jī)構(gòu)損耗、空氣阻力損耗以及滾動阻力損耗等相關(guān)仿真模型數(shù)據(jù)，具體參數(shù)如表1所示：

在仿真模型實(shí)驗(yàn)中，提出了較為實(shí)用的車輛制動能量回收策略，從而實(shí)現(xiàn)了混合動力汽車的建模與仿真，使車輛能源消耗得到有效證實(shí)，為混合動力再生系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考依據(jù)[1]。整車仿真模型圖如圖1：

4.2 仿真結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)主要以輕度混合動力汽車為基礎(chǔ)，汽車啟動發(fā)電一體機(jī)和直流機(jī)與發(fā)動機(jī)輪直接相連，汽車電機(jī)在實(shí)際工作過程中可以結(jié)合汽車的行駛條件進(jìn)行工作模式的隨意變換?；旌蟿恿ζ囍苿舆^程中減速不但可以進(jìn)行摩擦制動，還可以進(jìn)行電機(jī)再生制動，在產(chǎn)生制動感應(yīng)時液壓制動系統(tǒng)和電機(jī)都會參與到制動過程中進(jìn)行協(xié)調(diào)制動[2]。

下面以30km/h初始車速為例，針對其小強(qiáng)度制動及中等強(qiáng)度制動工況的仿真結(jié)果進(jìn)行分析（路面附著系數(shù)為0.7）：

（1）小強(qiáng)度制動情況下仿真結(jié)果如圖2、圖3，其制動模式為輕度制動（a<1m/s2）時，參數(shù)仿真曲線如下：

通過該仿真結(jié)果能夠看到，在車輪滑移率相對較小的時候并沒有出現(xiàn)車輪抱死情況。在此作用下，電機(jī)制動力矩和液壓制動力矩可以在控制策略作用下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，能夠滿足穩(wěn)定制動的需求。在整個制動中，電機(jī)作為施加力矩的主要動力來源，而液壓制動力矩則起到輔助制動作用，當(dāng)車速達(dá)到最低穩(wěn)定車速后，由于電機(jī)不再持續(xù)回收制動能量，也就停止了制動力的施加，停車制動力矩轉(zhuǎn)而由液壓制動系統(tǒng)提供。在這一過程中，回收能量約為22513J。

（2）中等強(qiáng)度制動情況下仿真結(jié)果如圖4、圖5，其制動模式為中等強(qiáng)度制動（1m/s2

通過仿真圖像可以看到，在車輪滑移率相對較小的情況下，同樣未出現(xiàn)車輪抱死，此時仍在電機(jī)制動力矩以及液壓制動力矩控制策略下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)制動穩(wěn)定性要求。在最初制動階段，制動力矩的施加主要由電機(jī)提供，但相比小強(qiáng)度制動其回收的能量要少一些。產(chǎn)生這一結(jié)果主要是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下電機(jī)能夠提供的制動轉(zhuǎn)矩比較有限，因而難以滿足駕駛員的制動需求，此時就要求液壓制動力矩參加制動過程，從而導(dǎo)致回收能量降低。

綜合以上情況，想要進(jìn)一步提升汽車制動能量回收效率，符合汽車這個安全性需求，就需要對車輛制動能量進(jìn)行有效分配，也就是對車輛制動力進(jìn)行相應(yīng)的分配，調(diào)節(jié)汽車的再生制動，摩擦制動控制協(xié)調(diào)性。若不考慮滾動阻力，空氣阻力和坡道阻力的影響，汽車的減速主要是由制動力F1、F2提供，則：

F1+F2=m du/dt （1）

式中，F(xiàn)1為前輪產(chǎn)生的制動力;F2為后輪產(chǎn)生的制動力;m 為汽車整備質(zhì)量;du/dt為汽車減速度。在汽車制動過程中，前后輪所受法向反力為：

FZ1=（G+m du/dthg）/L （2）

FZ2=（G-m du/dt*hg）/L （3）

式中，F(xiàn)Z1、FZ2分別為地面對前輪、后輪的法向反作用力，G為汽車所受重力。在仿真建模實(shí)驗(yàn)中，混合動力汽車各工況下制動消耗能量與總能量的對比關(guān)系如表2所示：

在對程式內(nèi)部驅(qū)動循環(huán)分析后可以得出，滿足汽車制動安全性的基礎(chǔ)上可以重新調(diào)節(jié)汽車前后輪驅(qū)動力，而汽車主要是在較小的制動強(qiáng)度下進(jìn)行減速，在不同程式驅(qū)動循環(huán)下其制動強(qiáng)度也各不相同。車輛使用的啟動發(fā)電一體機(jī)最大制動扭矩為45N每米，結(jié)合發(fā)動機(jī)制動的影響可以得知，不同檔位下汽車內(nèi)部電機(jī)的最大轉(zhuǎn)距會隨著車速變化而變化，程式內(nèi)部驅(qū)動循環(huán)下車速會普遍較低，在絕大部分情況下汽車會處于較低檔位運(yùn)行時這使其制動強(qiáng)度也會逐漸下降，所以混合動力汽車內(nèi)部制動力的分配需要盡可能地利用電機(jī)制動力來促使能量大范圍回收，在不同制動強(qiáng)度下，動力分配可以按照制動強(qiáng)度進(jìn)行[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，對混合動力汽車進(jìn)行再生制動系統(tǒng)的建模與仿真結(jié)果表示在混合動力汽車內(nèi)部的驅(qū)動循環(huán)下可以使用合理的再生控制策略，從而使車輛在運(yùn)行過程中制動力得到有效分配，不但能夠提升制動安全性，同時也能夠提升車輛的能源回收率，具有較好的使用價值。

基金項(xiàng)目：廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目（2019GKQNCX93）。

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