純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制策略分析

張慶永，朱志亮

(福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

城市工況下，車輛制動(dòng)頻繁，制動(dòng)消耗的能量占總驅(qū)動(dòng)能量的一半以上。車輛再生制動(dòng)可有效防止這部分能量的浪費(fèi)。再生制動(dòng)技術(shù)在提升車輛能量利用率、增加車輛續(xù)航里程的同時(shí)，可施加電機(jī)制動(dòng)力于主動(dòng)軸，改善車輛制動(dòng)性能。該技術(shù)的研究對(duì)電動(dòng)汽車的推廣具有重要意義[1-2]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了諸多研究。Gurunath K[3]等利用V/F、標(biāo)量控制方法和磁場(chǎng)定向控制等手段實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的再生制動(dòng)，并提出了同步速度和轉(zhuǎn)子速度之間的理論關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)到制動(dòng)間的模式變化。Xu Z[4]等人研究了電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收控制技術(shù)，緩解了車輛制動(dòng)時(shí)的能量流失，延長(zhǎng)了電動(dòng)汽車的行駛里程。Li Q C[5]等利用AVL Cruise構(gòu)建純電動(dòng)汽車模型，利用Matlab/Simulink建立制動(dòng)能量回收控制策略，并在NEDC工況完成聯(lián)合仿真，與無(wú)能量回收的車輛相比續(xù)航里程提升了100 km。Biao J[6]等采用優(yōu)化分布算法的再生制動(dòng)控制策略，利用最佳制動(dòng)力分布及相關(guān)約束條件，設(shè)計(jì)了滿足制動(dòng)穩(wěn)定性和最大能量回收效率的控制策略，制動(dòng)能量效率提高了51.9%以上。Kumar M[7]等提出了純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施的有效途徑，還提出了優(yōu)化再生制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率方法。Han J[8]等在改善車輛橫向穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，定義了具有約束的成本函數(shù)，以確定電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最佳分布，有效保證再生制動(dòng)過(guò)程車輛的橫向穩(wěn)定性。

目前，大部分學(xué)術(shù)研究還停留在仿真層面，并未考慮實(shí)際制動(dòng)時(shí)制動(dòng)踏板的工作狀態(tài)。本研究以前置前驅(qū)電動(dòng)車為研究對(duì)象，通過(guò)分析制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合考慮多種影響因素，測(cè)量計(jì)算制動(dòng)力踏板與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系，提出一種基于制動(dòng)踏板的并聯(lián)制動(dòng)能量回收控制策略，并對(duì)制動(dòng)踏板無(wú)動(dòng)作的滑行制動(dòng)能量回收策略進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)實(shí)車測(cè)試，分別驗(yàn)證策略的能量回收效果及制動(dòng)效果。

1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)分析

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

車輛制動(dòng)慣性帶動(dòng)電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)反向扭矩產(chǎn)生制動(dòng)力，提升制動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，收集制動(dòng)能量并將其存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，可實(shí)現(xiàn)能量的再次利用[9]。

本研究在傳統(tǒng)交叉式液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于制動(dòng)踏板開(kāi)度，在原來(lái)機(jī)械制動(dòng)的基礎(chǔ)上增加電機(jī)制動(dòng)。制動(dòng)控制中心ECU通過(guò)采集車輪轉(zhuǎn)速、制動(dòng)踏板等信號(hào)，根據(jù)制動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)反向扭矩的輸出，不僅避免了對(duì)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)的改動(dòng)，還實(shí)現(xiàn)了復(fù)合制動(dòng)增強(qiáng)了車輛制動(dòng)響應(yīng)速度和能量回收效果[10]。

1.2 整車制動(dòng)策略分析

車輛常規(guī)制動(dòng)再生制動(dòng)策略有兩種：一種是優(yōu)先考慮電機(jī)制動(dòng)的串聯(lián)再生制動(dòng)，其制動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜；另一種是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的并聯(lián)再生制動(dòng)，為電動(dòng)機(jī)制動(dòng)和傳統(tǒng)液壓制動(dòng)的疊加，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，在半解耦式制動(dòng)系統(tǒng)中較為常見(jiàn)。

基于并聯(lián)制動(dòng)分配策略，結(jié)合電動(dòng)汽車的理想制動(dòng)力分配曲線，建立能量回收率較高的新型并聯(lián)制動(dòng)分配策略。本研究的純電動(dòng)車機(jī)械制動(dòng)力為半解耦式，取前、后軸機(jī)械制動(dòng)力分配系數(shù)β=0.71，通過(guò)改變電機(jī)制動(dòng)力大小，使得制動(dòng)力分配系數(shù)在合理取值范圍內(nèi)變化，在保證制動(dòng)穩(wěn)定性和安全性的前提下，提出整車制動(dòng)策略。

2 制動(dòng)能量回收控制策略

在能量回收過(guò)程中，電機(jī)制動(dòng)力受到行駛車速、電池SOC、控制策略等諸多因素的影響，在制定能量回收策略時(shí)考慮其運(yùn)行條件滿足v>10 km·h-1、SOC<90%，并結(jié)合駕駛員制動(dòng)需求制定出合理的控制策略。

2.1 復(fù)合制動(dòng)能量回收控制策略

對(duì)車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量及標(biāo)定，得到制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系如圖1所示。其中，制動(dòng)踏板開(kāi)度為0～19%時(shí)為機(jī)械制動(dòng)踏板空行程，行駛過(guò)程中空行程能夠有效防止制動(dòng)拖滯和誤觸。之后，為提升制動(dòng)響應(yīng)速度，在制動(dòng)踏板開(kāi)度達(dá)到10%時(shí)增加電機(jī)制動(dòng)力，增加再生制動(dòng)后制動(dòng)踏板空行程為10%。

圖1 機(jī)械制動(dòng)踏板關(guān)系Fig.1 Mechanical brake pedal relationship

在液壓制動(dòng)基礎(chǔ)上增加電機(jī)制動(dòng)后，隨著制動(dòng)踏板的踩下，復(fù)合制動(dòng)能量回收控制策略開(kāi)始運(yùn)行。為最大限度回收制動(dòng)能量，同時(shí)保證制動(dòng)安全，在不同制動(dòng)強(qiáng)度z下采用不同的制動(dòng)策略。當(dāng)00.8時(shí)，再生制動(dòng)退出，僅由機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行作用。

根據(jù)ECE制動(dòng)曲線及前、后輪利用附著系數(shù)[11]，對(duì)制動(dòng)力分配系數(shù)β的范圍進(jìn)行確定，可求得0.68≤β≤0.86。如圖2所示，在制動(dòng)強(qiáng)度滿足0.2

圖2 復(fù)合制動(dòng)前、后軸制動(dòng)力分配范圍Fig.2 Compound braking front and rear axle braking force distribution range

(1)純電機(jī)制動(dòng)：O-A段，0

(1)

其中，19%為車輛機(jī)械制動(dòng)踏板自由行程；10%為增加電機(jī)制動(dòng)后制動(dòng)踏板自由行程；α為制動(dòng)踏板開(kāi)度；m為車輛整備質(zhì)量；g為重力加速度。

(2)中低復(fù)合制動(dòng)：A-B段，0.1

Fd=0.1·g·m,(19%<α≤αz=0.2)

(2)

其中，αz=0.2為復(fù)合制動(dòng)強(qiáng)度為0.2時(shí)所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)踏板開(kāi)度。

Fd=

g·m,(αz=0.2<α≤αz=0.6)

(3)

其中，β0為機(jī)械制動(dòng)前、后軸制動(dòng)力分配系數(shù)，為0.71；z0為原制動(dòng)踏板開(kāi)度對(duì)應(yīng)機(jī)械制動(dòng)強(qiáng)度。

(4)中高復(fù)合制動(dòng)：C-D段，0.6

(αz=0.6

(4)

(5)純機(jī)械制動(dòng)：在D點(diǎn)之后的制動(dòng)過(guò)程，z>0.8，屬于緊急制動(dòng)，通常是汽車發(fā)生危險(xiǎn)狀況時(shí)的急劇、大強(qiáng)度制動(dòng)工況，考慮到安全因素，應(yīng)關(guān)閉再生制動(dòng)系統(tǒng)，完全依靠機(jī)械制動(dòng)，即：

Fd=0，z>0.8

(5)

綜上，將整車參數(shù)帶入式(1)～式(5)中，由制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系式z=F/mg，可求得總制動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)踏板開(kāi)度對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。在制動(dòng)過(guò)程中，若電機(jī)制動(dòng)失效，則仍按照虛線中機(jī)械制動(dòng)踏板工作方式進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)力分配仍在安全范圍內(nèi)，故本研究提出的策略具有一定的容錯(cuò)性。

圖3 復(fù)合制動(dòng)踏板關(guān)系Fig.3 Compound brake pedal relationship

2.2 滑行制動(dòng)能量回收控制策略

車輛滑行多發(fā)生在高速行駛工況或城市擁堵路段的低速行駛工況，車輛制動(dòng)強(qiáng)度較低，屬于中低強(qiáng)度制動(dòng)(z<0.15)[12]。為減少駕駛員的操作，并增大制動(dòng)能量回收效率，在車輛滑行過(guò)程中進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)，滑行制動(dòng)減速度小于2 m·s-2，不受 ECE 法規(guī)限制。

(1)選擇優(yōu)化變量

滑行制動(dòng)時(shí)，電機(jī)能夠輸出最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、電機(jī)外特性曲線及SOC影響的電池充電功率有關(guān)[13]，電機(jī)提供制動(dòng)力同踩下制動(dòng)踏板的電機(jī)制動(dòng)條件相似，即車速v>10 km·h-1，電池SOC<90%。故選取v、SOC、以及回收能量Ereg為優(yōu)化變量，即：

Tc=f(v,SOC,Ereg)

(6)

(2)建立目標(biāo)函數(shù)

為使滑行能量回收效率ηgen最大，設(shè)立目標(biāo)函數(shù)為：

(7)

其中，

(8)

為保護(hù)電池，發(fā)電功率不僅受到電機(jī)最大發(fā)電功率PEm影響，受電池最大充電功率Pbat影響，如圖4所示。綜合考慮，制動(dòng)時(shí)電機(jī)發(fā)電功率P0=min{PEm,Pbat}。則回收最大能量可表示為：

圖4 制動(dòng)功率限制條件Fig.4 Braking power limitation

(9)

滑行期間消耗的總能量為：

(10)

由于車輛滑行過(guò)程中阻力由兩部分組成，分別為行駛阻力Fu和電機(jī)制動(dòng)力Fd，即：

(11)

式中，ηt為傳動(dòng)效率，φ為滑行坡度，r為傳動(dòng)半徑，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積。

(12)

(3)建立約束條件

在車輛滑行過(guò)程中需對(duì)滑行工況的最大減速度a進(jìn)行限制，由文獻(xiàn)[11]可知滑行制動(dòng)強(qiáng)度z一般小于0.15，則

(13)

由式(13)(14)可得到制動(dòng)力矩限制條件：

(14)

(4)優(yōu)化求解

根據(jù)所建立優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件，調(diào)用Matlab中Sheffield遺傳算法工具箱，編寫(xiě)M文件，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)：種群大小為30，最大進(jìn)化代數(shù)為50，交叉概率為0.9，變異概率為0.01，個(gè)體長(zhǎng)度為20，代溝為0.95.

滑行狀態(tài)下不同電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)最佳電機(jī)制動(dòng)力矩不同。在不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下分別取點(diǎn)，計(jì)算其對(duì)應(yīng)最佳轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，為確保車輛滑行過(guò)程中平緩制動(dòng)，在轉(zhuǎn)速為3 500 r·min-1時(shí)逐漸減小電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩直至車速為10 km·h-1時(shí)制動(dòng)扭矩為0。最終求得不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

圖5 滑行狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)電機(jī)制動(dòng)力矩Fig.5 Corresponding motor braking torque at different speeds in coasting state

3 再生制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證策略的有效性，對(duì)搭載本研究控制策略的車輛分別進(jìn)行循環(huán)工況試驗(yàn)和制動(dòng)工況試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采用USB-CAN設(shè)備接入車輛CAN總線，采集車速、電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、踏板行程、電機(jī)端輸出電流、電壓等信號(hào)，通過(guò)CANtest分析采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理。

3.1 循環(huán)工況測(cè)試

在循環(huán)工況試驗(yàn)中，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 38146.1-2019《中國(guó)汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》[14]搭建NEDC和CLTC-P兩種工況的試驗(yàn)環(huán)境及平臺(tái)。其中，試驗(yàn)質(zhì)量為電動(dòng)汽車整車整備質(zhì)量與試驗(yàn)所需附加質(zhì)量的和，其中附加質(zhì)量為100 kg，車輛初始SOC為90%。通過(guò)輪鼓試驗(yàn)，最終所得結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可以看出在制動(dòng)過(guò)程中，SOC有明顯上升；電機(jī)反向充電，電流為負(fù)；電機(jī)出現(xiàn)負(fù)扭矩，為車輛提供制動(dòng)。

圖6 CLTC-P循環(huán)工況測(cè)試結(jié)果Fig.6 CLTC-P cycle test results

根據(jù)循環(huán)工況下，回收能量對(duì)車輛消耗總能量的貢獻(xiàn)程度對(duì)該策略進(jìn)行評(píng)價(jià)，即：

(15)

其中，δE為車輛節(jié)能貢獻(xiàn)度；Ereg為電機(jī)回收能量；Ereg_off為關(guān)掉能量回收所消耗的能量。

經(jīng)計(jì)算，NEDC循環(huán)工況下的節(jié)能貢獻(xiàn)度為：

(16)

該工況下，節(jié)能貢獻(xiàn)度均在20%以上，充分說(shuō)明了控制策略在能量回收方面的有效性。

3.2 制動(dòng)工況測(cè)驗(yàn)

制動(dòng)試驗(yàn)選擇在試驗(yàn)場(chǎng)分別進(jìn)行90 km/h時(shí)速下的滑行和制動(dòng)測(cè)試。通過(guò)控制制動(dòng)踏板開(kāi)度模擬滑行、輕度制動(dòng)、中度制動(dòng)和重度制動(dòng)工況，測(cè)量不同工況下電機(jī)端輸出電流I及電壓U，計(jì)算出車輛制動(dòng)能量回收效率ηgen，即

(17)

其中

(18)

(19)

式中，Ebra為車輛制動(dòng)過(guò)程,車速?gòu)膙0(t0時(shí)刻)到ve(te時(shí)刻)除去滾動(dòng)阻力和空氣阻力消耗的能量。

為驗(yàn)證基于制動(dòng)踏板的并聯(lián)制動(dòng)能量回收控制策略的有效性，將其與車上原來(lái)控制策略對(duì)比。分別測(cè)試在90～10 km·h-1的滑行工況、制動(dòng)踏板開(kāi)度為37%的輕度制動(dòng)工況、制動(dòng)踏板開(kāi)度為55%的中度制動(dòng)工況、制動(dòng)踏板開(kāi)度為74%的重度制動(dòng)工況，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 本文策略制動(dòng)工況測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of this strategy under braking conditions

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由滑行制動(dòng)測(cè)試結(jié)果可以看出，相較于電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩集中在50 km·h-1以下的原車策略，優(yōu)化后的滑行制動(dòng)車速變化更為平緩，大大提升了車輛滑行過(guò)程的制動(dòng)舒適性；對(duì)比踏板制動(dòng)的測(cè)試結(jié)果，本策略測(cè)試中制動(dòng)踏板盡量與原車策略中制動(dòng)踏板開(kāi)度保持一致，優(yōu)化后車輛的制動(dòng)距離縮短，制動(dòng)效果顯著提升。由式(17)～(19)計(jì)算出制動(dòng)能量回收效率ηgen，與原來(lái)車上的電機(jī)制動(dòng)策略進(jìn)行對(duì)比如表1所示。

表1 不同策略制動(dòng)效果對(duì)比

對(duì)比兩種策略發(fā)現(xiàn)，本策略在滑行制動(dòng)工況制動(dòng)能量回收效率提升64.07%，輕度制動(dòng)工況提升36.74%，中度制動(dòng)工況提升40.71%，重度制動(dòng)工況提升1.11%。本策略能量回收率遠(yuǎn)高于原來(lái)的電機(jī)制動(dòng)策略,從制動(dòng)距離可以看出本策略對(duì)車輛的制動(dòng)效果也有明顯提高。

分析不同制動(dòng)踏板開(kāi)度的工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑行時(shí)制動(dòng)能量回收效率提升最明顯；之后隨著整車需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變大，機(jī)械制動(dòng)力參與制動(dòng)、電機(jī)制動(dòng)力所占比例越來(lái)越小，導(dǎo)致滑行制動(dòng)到中度制動(dòng)時(shí)能量回收效率降低；重度制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)強(qiáng)度大，制動(dòng)時(shí)間短、制動(dòng)能量回收效率最低，提升效果也不明顯。

4 結(jié)論

在對(duì)某前置前驅(qū)純電動(dòng)汽車進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，充分考慮影響能量回收的制約因素，對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)：在常規(guī)制動(dòng)工況，當(dāng)制動(dòng)需求較小時(shí)，由前軸再生制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)需求較大時(shí)前軸液壓制動(dòng)提供固定制動(dòng)力，再生制動(dòng)力輔助滿足總制動(dòng)力需求；當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)，僅由機(jī)械制動(dòng)提供制動(dòng)力；在滑行制動(dòng)工況，以制動(dòng)能量回收效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)立相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)，以加速度和制動(dòng)力矩為限制條件，計(jì)算出電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的最佳制動(dòng)扭矩。最后，在循環(huán)工況及制動(dòng)工況下，對(duì)所設(shè)計(jì)能量回收策略進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：該控制策略不僅能提升整車能量利用率，且有助于車輛制動(dòng)。