某純電動(dòng)車型基于輕型車中國(guó)工況法的能量回收控制策略優(yōu)化

黃秋生

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230022）

引言

對(duì)于純電動(dòng)汽車，影響整車經(jīng)濟(jì)性的主要因素在于能量傳輸鏈上各部件的傳動(dòng)及能量轉(zhuǎn)換效率以及制動(dòng)能量回收策略。本文討論在中國(guó)輕型車工況下的制動(dòng)能量回收策略優(yōu)化，從而提升電動(dòng)車的經(jīng)濟(jì)性。

1 CHTC-LT與C-WTVC工況的差異

筆者把與GVW=4495kg的輕型載貨汽車對(duì)應(yīng)的CHTCLT（中國(guó)輕型車行駛工況）與 C-WTVC工況進(jìn)行比對(duì)，對(duì)比如圖1所示。

對(duì)中國(guó)輕型車工況的車速－時(shí)間曲線進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算，即求出對(duì)應(yīng)點(diǎn)加速度。將加速度處理為散點(diǎn)圖（圖2），即可看出特定工況中不同車速下的常用減速度。

有針對(duì)性地設(shè)計(jì)能量回收力矩，可以達(dá)到最大化利用制動(dòng)回收能量的目的。

圖1 CHTC-LT工況與C-WTVC工況對(duì)比

圖2 CHTC-LT工況的加速度分布

2 某純電動(dòng)汽車制動(dòng)工況建模

純電動(dòng)汽車在制動(dòng)減速工況下，驅(qū)動(dòng)力可認(rèn)為是零。則整車的減速度是由行駛阻力F0、地面提供的制動(dòng)摩擦力F1和制動(dòng)能量回收力F2聯(lián)合作用而產(chǎn)生。

由力學(xué)定律，可以推導(dǎo)出下式：

式中m為整車重量，a為加速度，方向與汽車行駛方向相反（實(shí)則為減速度）。

行駛阻力F0包括風(fēng)阻、滾阻和整車的慣性力，它與汽車行駛的速度成正比。一般可以通過滑行阻力測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過擬合得出F0和車速v的關(guān)系式?？蓪憺楣剑?）。

式中a、b、c為滑行阻力系數(shù)[1]。

地面摩擦力F1是由制動(dòng)時(shí)，車輪與地面摩擦而產(chǎn)生。該力不能簡(jiǎn)單理解為地面摩擦系數(shù)乘以整車所受重力。按照汽車制動(dòng)原理，地面摩擦力可寫為公式（3）。

式中m為整車總質(zhì)量，g為重力加速度，μ為道路附著系數(shù)，它與制動(dòng)時(shí)的輪胎滑移率、路面材質(zhì)相關(guān)。而制動(dòng)時(shí)輪胎的滑移率又與制動(dòng)器提供的力矩、地面能提供的最大摩擦力相關(guān)，制動(dòng)器提供的力矩又與制動(dòng)踏板行程相關(guān)。

制動(dòng)能量回收力F2是在制動(dòng)時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反拖力矩產(chǎn)生，F(xiàn)2做功的直接效果是驅(qū)動(dòng)電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋給動(dòng)力電池，從而實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收。反拖力矩的設(shè)定一般由軟件控制，與車速、制動(dòng)踏板行程相關(guān)。

在制動(dòng)過程中，為了達(dá)到與行駛工況相符合的減速度，需要行駛阻力、地面摩擦力、制動(dòng)能量回收力共同作用。行駛阻力越小，越利于提升整車經(jīng)濟(jì)性。而地面摩擦力和制動(dòng)能量回收力的分配，受到整車制動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)能量回收策略的制約。當(dāng)踏板行程達(dá)到某一值，整車獲得了行駛工況要求的減速度值，在此踏板行程狀態(tài)下，地面摩擦力和制動(dòng)能量回收力占有的比重不同，使整車的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)也各不相同。在保證安全制動(dòng)距離的前提下，制動(dòng)能量回收力占的比重越高，整車的經(jīng)濟(jì)性越好。

3 制動(dòng)能量回收力矩的修正

按照行駛工況下的減速度分布特點(diǎn)，修正制動(dòng)能量回收力矩，可以有效提高制動(dòng)過程中F2的貢獻(xiàn)率，從而提升整車經(jīng)濟(jì)性。

3.1 制動(dòng)踏板行程對(duì)地面摩擦力的影響

F1與制動(dòng)踏板行程的關(guān)系式可以由公式（4）（5）推導(dǎo)出來。

式中M為制動(dòng)器提供的制動(dòng)力矩，P為管路壓力，r為分泵缸徑，η為制動(dòng)器效能因數(shù)，S0為制動(dòng)器有效摩擦面積，R0為車輪滾動(dòng)半徑。

設(shè)V1為制動(dòng)分泵在設(shè)定管路壓力下需要的制動(dòng)液體積，它與制動(dòng)器及制動(dòng)分泵自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，一般通過試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)P-V1的曲線圖。如此P與制動(dòng)踏板行程s的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為V1與s的關(guān)系式，它可以由公式（5）表示。

式中s為制動(dòng)踏板行程，n為制動(dòng)踏板杠桿比，R為制動(dòng)總泵缸徑。

本文研討的工況下的減速制動(dòng)，由于減速度低，不會(huì)出現(xiàn)緊急制動(dòng)車輪抱死的情況，因此可以將制動(dòng)器產(chǎn)生的力矩等同于地面摩擦力產(chǎn)生的制動(dòng)力矩。

3.2 CHTC-LT工況下的減速度分析

根據(jù)圖2，選取多個(gè)限定車速區(qū)段內(nèi)的減速度進(jìn)行分析，對(duì)散點(diǎn)圖內(nèi)的減速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出特定工況下不同車速對(duì)應(yīng)的最佳減速度值。處理過程利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，計(jì)算限定車速區(qū)段內(nèi)的減速度平均值a1，并根據(jù)減速度散點(diǎn)分布規(guī)律，對(duì)a1值加上一修正系數(shù)，最終結(jié)果作為對(duì)應(yīng)車速下的最佳減速度。

制動(dòng)能量回收策略需要明確如何分配不同車速條件下的F1和F2數(shù)值，即主動(dòng)制動(dòng)和再生制動(dòng)的配比。一般遵循的原則是高速制動(dòng)，制動(dòng)踏板行程大，制動(dòng)能量回收力占比高；低速制動(dòng)，制動(dòng)踏板行程小，制動(dòng)能量回收力占比小。公式（6）給出了F2和反拖力矩的關(guān)系式。

式中M2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反拖力矩（即制動(dòng)能量回收力矩），i為傳動(dòng)系減速比，R0為輪胎滾動(dòng)半徑[2]。

制動(dòng)能量回收力矩的修正需經(jīng)過大量的仿真計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，而F1和F2數(shù)值分配的算法成為這其中的核心。筆者已申報(bào)一種分配算法的發(fā)明專利，本文摘取部分描述如下。

圖3 制動(dòng)力曲線圖

如圖3所示，在某一個(gè)時(shí)刻，踩下制動(dòng)踏板，再生制動(dòng)和主動(dòng)制動(dòng)均產(chǎn)生制動(dòng)力。實(shí)際再生制動(dòng)力是制動(dòng)踏板開度×當(dāng)前車速下的最大再生制動(dòng)力（第一種算法），實(shí)際的主動(dòng)制動(dòng)力與制動(dòng)踏板行程s關(guān)系按照公式（4）（5）推導(dǎo)，踏板行程s除以最大踏板行程即為當(dāng)前主動(dòng)制動(dòng)力所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)踏板開度（第二種算法）。本發(fā)明即要使上述兩種算法的制動(dòng)踏板開度高度吻合。在圖3中，①號(hào)曲線除以③號(hào)曲線的值即為第一種算法的制動(dòng)踏板開度。②號(hào)曲線與①號(hào)曲線的差值除以制動(dòng)系統(tǒng)能提供的最大制動(dòng)力即為第二種算法的制動(dòng)踏板開度，②號(hào)曲線是按照第二步計(jì)算而來，對(duì)于特定車輛和特定的工況，該曲線是固定的。

圖4 解耦結(jié)果

通過修正上圖的輸入?yún)?shù)（主要是①號(hào)曲線和③號(hào)曲線各點(diǎn)的坐標(biāo)值），調(diào)整①號(hào)曲線和③號(hào)曲線的變化趨勢(shì)，分別計(jì)算上述兩種算法的制動(dòng)踏板開度，最終使得兩種算法下的制動(dòng)踏板開度解耦。

4 工況循環(huán)中的能量回收仿真計(jì)算

在Cruise軟件中建立EV車型模型，并按照優(yōu)化后的制動(dòng)能量回收算法導(dǎo)入。模擬 CHTC-LT工況行駛，計(jì)算單個(gè)循環(huán)工況下的總的回收能量，仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示?？梢钥闯鰞?yōu)化后的制動(dòng)能量回收策略在整個(gè)循環(huán)工況下增加了制動(dòng)回收的能量，提升了整車經(jīng)濟(jì)性。

圖5 能量回收仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

CHTC-LT與C-WTVC行駛工況存在差異，整車的性能標(biāo)定應(yīng)按照中國(guó)工況法的行駛路況進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化與調(diào)整，研究表明，針對(duì)中國(guó)工況法的行駛路況的數(shù)據(jù)分析，制定合理的整車控制策略，有利于整車性能的提升。