某純電動汽車制動能量回收策略研究

馮海波 許恩永

摘? 要：以東風柳州汽車有限公司某款純電動商用車為研究對象，研究了商用車制動能量回收策略及理論。以制動踏板開度和制動踏板開度變化率為模糊控制器的輸入變量，以再生制動力分配因子為輸出變量。在Matlab/simulink軟件中搭建控制策略模型，在AVL Cruise軟件中搭建純電動商用車的整車模型，并進行聯(lián)合仿真與驗證。

關(guān)鍵詞：純電動商用車;制動能量回收;模糊控制

中圖分類號：TP391.9;U469.7? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）16-0062-05

Research on Braking Energy Recovery Strategy of Pure Electric Vehicle

FENG Haibo1， XU Enyong2

（1.Concordia University，Canada Montreal? H4B IR6; 2.Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou? 545005， China）

Abstract： Taking a certain pure electric commercial vehicle of Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd. as the research object， The strategy and theory of braking energy recovery of commercial vehicles are studied. Taking the brake pedal opening and the brake pedal opening change rate as the input variables of the fuzzy controller， and the regenerative braking force distribution factor as the output variable. Build a control strategy model in Matlab/simulink software， build a complete vehicle model of a pure electric commercial vehicle in AVL Cruise software， and conduct joint simulations and verification.

Keywords： pure electric commercial vehicle; braking energy recovery; fuzzy control

0? 引? 言

隨著環(huán)境污染和資源匱乏等問題的日益凸顯，節(jié)能減排逐漸成為汽車行業(yè)發(fā)展方向[1]。純電動汽車具有低噪音、零污染和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，成為車企的研究重點之一。制動能量回收是純電動汽車在制動減速過程將浪費的動能經(jīng)電機轉(zhuǎn)化為電能，儲存到電池中的技術(shù)[2，3]。

目前，許多高校和科研機構(gòu)都對制動能量回收技術(shù)進行了大量的研究，貴州大學的李家春[4]針對貴州省多山地坡道的路況，提出了一種最佳舒適性串聯(lián)制動策略，仿真結(jié)果表明該策略在減速過程中不僅具有較好的舒適性，在制動能量回收效率也有較大提升;山東理工大學的初敏[5]針對后驅(qū)式純電動客車，提出了一種最佳就制動能量回收策略，最大程度回收制動過程中能量，仿真表明該策略有效提高了制動能量回收效率，節(jié)能效果明顯;西北工業(yè)大學的高愛云[6]提出了基于模糊控制的制動能量回收策略，并進行了硬件在環(huán)仿真，仿真結(jié)果表明駕駛員的制動感覺較好，能量回收效率得到有效提高;清華大學的張抗抗[7]針對后驅(qū)式純電動汽車進行了串、并聯(lián)制動能量回收策略的研究。

制動能量回收策略的研究主要集中于純電動乘用車，對于純電動商用車的研究較少。本文以后驅(qū)式純電動商用車為研究對象，提出了一種基于模糊控制的制動能量回收策略。在Matlab/simulink軟件搭建控制策略模型，在AVL Cruise軟件中搭建純電動商用車的整車模型，在NEDC工況下進行聯(lián)合仿真。

1? 汽車制動過程理論分析

1.1? 制動能量回收原理

所研究的純電動商用車的驅(qū)動方式為后驅(qū)式，其制動能量回收系統(tǒng)包括制動踏板及傳感器、整車控制器、電機及其控制器、電池及其控制系統(tǒng)、氣壓控制器等。純電動商用車的制動能量回收系統(tǒng)會根據(jù)制動踏板信號計算需求總制動力，根據(jù)所制定的制動能量回收策略完成前后輪制動力以及驅(qū)動輪機械制動力和再生制動力的分配。

純電動商用車在制動過程中，驅(qū)動力由于慣性帶動電機旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子切割磁感線的方向與電機狀態(tài)相反，使得轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生反向的感應電動勢和感應電流，電機處于發(fā)電狀態(tài)[8]。在此過程中，電機的電磁轉(zhuǎn)矩方向也會隨之發(fā)生改變，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電機的旋轉(zhuǎn)方向相反，電機發(fā)揮制動作用，電機的特征曲線如圖1所示。

純電動商用車以某一車速穩(wěn)態(tài)行駛時，假設電機的特性曲線如圖1中的曲線f1所示，電機工作在A點，拖動轉(zhuǎn)矩為TL，處于第一象限驅(qū)動汽車行駛;當汽車制動時，再生制動開啟并控制電機的定子的頻率降低，此時電機的特性曲線由f1轉(zhuǎn)為f2，但是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由于慣性無法實現(xiàn)迅速降低，此時工作點由A變化到B。此時電機的轉(zhuǎn)矩為負，電機處于發(fā)電狀態(tài)。隨著車速的下降，電機的工作點會沿f2曲線變化到D點。

若汽車繼續(xù)制動減速，電機將持續(xù)處于發(fā)電狀態(tài)，并會使電機的工作特性曲線在第二象限，電機轉(zhuǎn)速也會隨頻率的下降而下降，當電機的頻率降為0時，電機的特性曲線如曲線f3所示，工作點會從E點變化到O點，表示汽車停車。

1.2? 汽車受力分析

汽車在水平路面上行駛，根據(jù)駕駛員需求進行制動時，不考慮車輪打滑，附著系數(shù)只取一個定值。其受力分析圖如圖2所示。

由圖2對后輪接地點取力矩得：

（1）

式中，F(xiàn)Z1為地面對前輪的法向作用力，N;W為汽車重力，N;m為總質(zhì)量，kg;e為質(zhì)心至后軸的距離，m;hg為質(zhì)心高度，m;為制動減速度，m/s2。

對前輪接地點取力矩得：

（2）

式中，F(xiàn)Z2為地面對后輪的法向作用力，N;d為質(zhì)心至前軸的距離，m。

令=zg，z定義為制動強度，得地面法向反作用力為：

FZ1=W（d+zhg）/h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

FZ2=W（e+zhg）/h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

若前、后輪都抱死，則：

FXb=Fφ=wφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

（6）

式中，φ為路面附著系數(shù);Fφ為地面附著力，N。

此時，地面作用于前、后輪的法向反作用力為：

（7）

根據(jù)以上公式可知，當制動強度或附著系數(shù)變化時，前、后輪法向反作用力也隨之變化。

1.3? 純電動商用車主要參數(shù)

該款純電動商用車的整車主要參數(shù)如表1所示。

2? 制動能量回收策略

2.1? 制動力分配

純電動汽車制動能量回收回收的影響因素有許多，如電機發(fā)電性能、電池充電效率和控制策略的制動力分配等。制動能量回收策略是對制動力進行分配提高電機再生制動的占比，制動力的分配主要分為兩部分：一是前后輪制動力的分配，二是驅(qū)動軸機械制動力與電機再生制動力的分配。

首先，為保證制動的安全性，前、后輪制動力按理想制動力分配曲線（I曲線）分，能夠使得純電動商用車在制動過程中具有較好的制動效果。然后設計模糊控制器，模糊控制器以制動踏板開度和制動踏板開度變化率為輸入變量，以再生制動力分配系數(shù)為輸出變量，對驅(qū)動軸的機械制動力和電機再生制動力進行分配。最后將再生制動力指令發(fā)送給電機，電機處于發(fā)電狀態(tài)，并將產(chǎn)生電能儲存到電池里面。制動能量回收控制策略流程圖如圖3所示。

2.2? 模糊控制器的設計

模糊控制器的輸入變量為制動踏板開度和制動踏板開度變化率，設置制動踏板開度和制動踏板開度變化率的論域都為[0，100]，模糊子集均為{VS極小，S小，M中，B大，VB極大};輸出變量為再生制動力分配系數(shù)，設置其論域為[0，1]，模糊子集為{VS極小，S小，M中，B大，VB極大}。隸屬度函數(shù)如圖4所示。

根據(jù)專家經(jīng)驗，制定25條模糊規(guī)則，模糊規(guī)則表2所示，模糊曲面如圖5所示。

3? 建模與仿真分析

3.1? 控制策略的建模

將上述制動能量回收策略在Matlab/simulink軟件搭建出來，如圖6所示。

3.2? 整車仿真模型

AVL Cruise軟件是一款適用于汽車動力學和經(jīng)濟性仿真的專業(yè)軟件，將純電動商用車的整車仿真模型搭建出來，如圖7所示。

3.3? 仿真分析

將電池初始值設置為70%，利用Matlab/simulink軟件和AVL Cruise軟件在NEDC工況下進行聯(lián)合仿真。將無制動能量回收策略作為對照，仿真結(jié)果如下，NEDC工況如圖8所示，電池SOC變化曲線如圖9所示。

根據(jù)圖9的電池SOC變化曲線可以得到，無控制策略的電池SOC終值為66.11%，有控制策略的電池SOC終值為67.09%。在純電動商用車制動時，制動能量回收明顯。

4? 結(jié)? 論

在保證制動安全的前提下，依據(jù)理想制動力分配曲線對前后輪制動力進行分配;提出一種制動能量回收策略，通過推理出合適的再生制動力分配系數(shù)，完成對驅(qū)動軸機械制動力和電機再生制動力的分配。

設計以制動踏板開度和制動踏板開度變化率為輸入變量，以再生制動力分配系數(shù)為輸出變量模糊控制器，根據(jù)駕駛員對制動踏板的操作，確定再生制動力所占的比重。

將控制策略進行Matlab/simulink軟件和AVL Cruise軟件的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明，制動能量回收效果明顯，具有現(xiàn)實應用意義。

參考文獻：

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作者簡介：馮海波（1997—），男，漢族，廣西柳州人，碩士在讀，主要研究方向：新能源汽車;通訊作者：許恩永（1982—），男，漢族，山東惠民人，高級工程師，碩士，主要研究方向：汽車設計。