純電動汽車再生制動控制策略

徐海彤，樊亞軍，賀趙豫

（西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

目前，純電動汽車的最大優(yōu)勢在于其行駛過程中噪音小且對環(huán)境友好。因此，電動汽車的發(fā)展受到了重視[1]。由于車輛在行駛過程中的路況信息不確定，一方面，當車輛通過較為復(fù)雜的路況，或者受到氣溫的影響時，將會導(dǎo)致純電動汽車的續(xù)駛里程無法達到駕駛員的預(yù)期[2]；另一方面，由于當前電池技術(shù)不能取得較好的發(fā)展，因而影響純電動汽車的快速發(fā)展[3]。當前再生制動技術(shù)的研究及應(yīng)用可以在很大程度上緩解電動汽車續(xù)駛里程不足的缺陷。當車輛由于制動需求而進入到制動狀態(tài)時，驅(qū)動電機模式會切換至發(fā)電機模式，根據(jù)電機的四象限工作原理，當電機處于發(fā)電機模式時，車輪通過傳動系統(tǒng)向發(fā)電機輸入動能，從而驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，將其中的一部分能量傳輸至動力電池，從而起到能量回收的目的[4]。

近年來，針對制動能量回收技術(shù)的研究，國內(nèi)外的專家學(xué)者從不同的角度出發(fā)對該技術(shù)進行了研究。盧秀和等人[5]針對某款純電動汽車，提出通過采用模糊控制理論，在建立的再生制動控制策略中引入三輸入單輸出的模糊控制器，仿真結(jié)果表明，能量回收效率可提高6.55%。郭金剛等[6]提出依據(jù)制動強度的不同，通過設(shè)計合理的前、后軸制動力分配策略以及采用再生制動最優(yōu)控制策略，并進行仿真。仿真結(jié)果表明，制動強度的大小會影響能量回收效率且該策略可以很好的回收制動能量，但是控制策略較為復(fù)雜。LI S等[7]提出采用模糊控制的方法，并考慮了電機的充電功率等對電機制動力的影響，建立了模糊控制策略并進行仿真分析，仿真結(jié)果顯示所提出的控制策略能夠有效地回收制動能量，但是忽略了電池的安全性問題。ANDREW A等[8]設(shè)計了一種超級電容及鋰離子電池儲能模塊，采用DC/DC變換電路，在新能源汽車上實現(xiàn)了制動能量回收，但是未發(fā)揮出電機的制動潛力。

針對以上研究所存在的不足，本文提出以某款前驅(qū)式純電動汽車為研究對象，基于聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（Economic Commission of Europe,ECE）汽車法規(guī)，I曲線以及f線組的前、后軸制動力分配方法，提出以加速踏板位移、制動踏板位移、電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）值、車速及制動強度為判斷條件，并根據(jù)前、后軸制動力分配來計算整車制動力與前、后軸制動力的關(guān)系，在Simulink中建立制動能量回收控制策略，根據(jù)本文提出的控制策略，合理分配電機制動力占比，在進行制動能量回收時，還應(yīng)保證車輛的制動安全性。分別在AVL Cruise和Simulink中建立整車模型和再生制動控制策略模型，將控制策略模型編譯為動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library,DLL）文件并導(dǎo)入至AVL Cruise整車模型中并進行聯(lián)合仿真，使其達到制動能量回收的目的。

1 制動力分析

圖1為車輛在水平路面上制動時的受力狀況，圖中忽略了車輛的滾動阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時產(chǎn)生的慣性力偶矩[9]。

圖1 車輛制動過程受力分析

其中，v為汽車的行駛速度，km/h；Fx1為汽車前輪地面制動力，N；Fx2為汽車后輪地面制動力，N；Fz1為地面對前輪的法向反作用力，N；Fz2為地面對后輪的法向反作用力，N；aj為制動減速度，m/s2；L為汽車軸距，mm；a為汽車質(zhì)心至前軸距離，mm；b為汽車質(zhì)心至后軸距離，mm；hg為汽車質(zhì)心高度，mm；m為汽車質(zhì)量，kg。

1.1 理想制動力分配曲線

車輛行駛在任何附著系數(shù)的路面上，當車輛進行制動時，此時由于前、后輪的制動強度相同。因此，前、后軸制動力分配曲線被稱為理想制動力分配曲線。為保證制動時的安全性，前、后輪處于同時抱死的狀態(tài)，在車輛進行緊急制動時，由于車輛初始減速度較大，對路面附著條件的利用以及車輛制動時的方向穩(wěn)定性較好。理想制動力分配曲線也稱為I曲線[10]，表達式為

式中，F(xiàn)b1為前輪制動器制動力，N；Fb2為后輪制動器制動力，N；G為汽車重力，N。

1.2 ECE制動法規(guī)曲線

為了保證制動時汽車的方向穩(wěn)定性和有足夠的制動效率，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會制定的 ECE R13制動對雙軸汽車前、后輪制動器制動力提出了明確的要求，對于附著系數(shù)φ=0.2～0.8的各種車輛，其制動強度z要滿足z≥0.1+0.85（φ-0.2），此時，前軸利用附著系數(shù)曲線φf應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線φr之上，經(jīng)過公式推導(dǎo)，可得出前、后軸制動力關(guān)系式為[10]

在車輛進行制動的過程中，路面所能提供的最大制動力由路面的附著系數(shù)來決定，另一方面，當車輛前輪先抱死拖滑，后輪還未抱死但趨向抱死狀態(tài)，在該條件下，前、后地面制動力關(guān)系曲線稱為f線組，而本文采用常見的瀝青、混凝土路面，其附著系數(shù)為0.7，f線組的表達式為[11]

1.3 前后軸制動力分配

在進行制動能量回收時，應(yīng)首先確保車輛制動時的穩(wěn)定性及安全性，其次進行能量回收[12]。在進行制動能量回收時，只有驅(qū)動輪所產(chǎn)生的制動能量能夠被回收，即本文研究對象只有前輪所產(chǎn)生的制動能量可被回收。

結(jié)合分析上述理想制動力分配曲線關(guān)系式、ECE制動法規(guī)曲線關(guān)系式以及路面附著系數(shù)等于0.7時的f線組關(guān)系式，按照給出的某款前驅(qū)式純電動汽車參數(shù)，利用繪圖工具可以作出如圖 2所示的前、后軸制動力分配曲線。一方面，根據(jù)該分配曲線，可以計算前、后軸制動力與整車需求制動力之間的關(guān)系，為后續(xù)的再生制動控制策略建模提供理論基礎(chǔ)；另一方面，本文所設(shè)計的再生制動控制策略采用的前、后軸制動力分配可以按照圖中ABCDE線段進行分配。在該分配曲線下，不但能夠確保車輛的制動安全性和穩(wěn)定性，還能夠有效地提升制動能量回收效率。

圖2 制動力分配曲線

本文中需要定義一個臨界制動強度z，根據(jù)該制動強度進行制動能量回收的判別。當制動強度較小時，能夠判別此時車輛處于輕度制動狀態(tài)，電機可以提供整車需求制動力；當制動強度大于z時，前、后軸制動力分配曲線依照圖 2所示進行分配。假定本文采取的制動強度為0.2，在此制動強度下，車輛在進行制動時符合再生制動的要求。當制動強度小于 0.2時，此時車輛的制動需求較小，電機制動力可以提供整車需求制動力，此時后軸制動力為 0，前、后軸制動力分配按照圖 2中的AB段進行分配；當制動強度大于0.2且小于0.7時，隨著制動強度的增加，車輛容易進入抱死，而在制動強度增加的過程中，應(yīng)使前軸分配更多的電機制動力，能夠確保車輛制動時的能量回收效率和車輛制動安全性，如圖2中BC、CD段所示；當制動強度大于0.7時，車輛此時進入緊急制動狀態(tài)，為確保車輛制動安全性，此時電機制動退出工作，整車需求制動力全部由液壓制動力提供。

2 制動能量回收控制策略

在駕駛員準備制動的過程中，其動作可以大致分為三個部分，如：釋放油門踏板、將腳移至制動踏板上、踩下制動踏板。在駕駛員踩下制動踏板以后，此時需要判斷車輛的當前車速、電池SOC值以及制動強度，根據(jù)這三個條件來判斷制動能量回收系統(tǒng)在何時介入，圖 3為制動能量回收控制策略流程圖。

圖3 制動能量回收控制策略流程

2.1 制動能量回收判斷條件

當車輛處于正常的行駛狀態(tài)中時，要判斷其在何時制動，要通過油門踏板和制動踏板的位移來進行判斷。當油門踏板的位移大于 0時，表明此時車輛處于正常的加速行駛過程中，此過程不進行制動；當制動踏板的位移大于 0時，表明車輛有進行制動的趨勢，但要判別車輛在何種狀態(tài)下進行制動能量回收，仍需要判別其他因素。

2.2 電池SOC值判斷

車輛在進行制動的過程中，判別制動能量回收系統(tǒng)在何時介入，首要判別電池SOC值。考慮電池充電安全，本文將初始電池SOC值設(shè)置為95%，當電池SOC值大于95%或小于5%時不進行制動能量回收。

2.3 車輛當前車速判斷

此外，還需要判別車輛的當前車速，當車輛處于低速運行狀態(tài)時，此時電機的轉(zhuǎn)速較低，在車輛進行制動時，因為初始制動減速度較小，電機能夠提供整車需求制動力；當車輛速度較大時，為了盡可能多的回收制動能量，應(yīng)增加前軸電機制動力分配比例，此時電機制動力和液壓制動力提供整車需求制動力；當車輛速度較高時，由于初始制動減速度較大，為保證車輛制動安全性，電機制動退出工作且液壓制動力提供整車需求制動力。

2.4 車輛制動強度判斷

另外，還需要判斷車輛制動強度的大小，當制動強度較小時，電機可以提供整車需求制動力，該制動狀態(tài)為輕度制動；隨著車速的增加，制動減速度不斷提升，在進行中度制動時，應(yīng)增加前軸電機制動力所占比例，剩余不足的制動力由液壓制動力提供；當車速較高時，由于初始制動減速度也較大，因此，在車輛進行制動時，在確保車輛安全性的前提下進行制動能量回收，此時電機制動退出工作，液壓制動力提供整車需求制動力。

綜合加速踏板位移、制動踏板位移、電池SOC值、車速以及制動強度，設(shè)計了本文的再生制動控制策略，圖4為再生制動控制策略圖。

圖4 制動能量回收控制策略

3 仿真分析

3.1 仿真模型的建立

本文采用 Cruise建立純電動汽車整車模型，采用Simulink建立再生制動控制策略模型，并將二者進行聯(lián)合仿真。首先，在 Cruise中建立純電動汽車模型，主要包括差速器模塊、主減速器模塊、驅(qū)動電機模塊和電池模塊等；在 Matlab/Simulink中建立本文所設(shè)計的再生制動控制策略，配置編譯環(huán)境，并對再生制動控制策略進行編譯，將編譯生成的DLL文件導(dǎo)入Cruise模型中進行聯(lián)合仿真。根據(jù)控制策略所需要的信號實現(xiàn) Cruise和Simulink的數(shù)據(jù)交換[13]，汽車主要參數(shù)見表1。

表1 汽車主要參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

圖5為本文建立的整車模型在加載了制動能量回收控制策略后，在NEDC工況下的電機轉(zhuǎn)矩變化曲線?？梢钥闯?，當車輛在進行制動時，電機均會產(chǎn)生負扭矩為車輛提供制動力矩。如圖 5所示，由于市區(qū)循環(huán)的車速遠低于市郊循環(huán)車速，因此，在市區(qū)循環(huán)工況中，車輛的車速不高，其制動強度較小，因此，需求制動力矩較小，所以電機制動力矩相對較小約為 61 Nm；而車輛處于市郊循環(huán)工況時，由于車輛的平均車速較大，當車輛進行制動時，由于其初始減速度較大，因此，需要較大的制動力矩，而電機相應(yīng)的可以產(chǎn)生較大的制動力矩，最大可達到94 Nm。

圖5 電機轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖6為車輛的當前車速與實際車速的對比情況。在NEDC工況下，車輛主要有等速、加速、減速、停車這四種工況，圖中所示的需求車速是NEDC工況下所設(shè)定的車速，而當前車速是指車輛在運行過程中的實時車速。從圖中可以看出，當前車速能夠很好的跟隨需求車速，由此可見，本文所設(shè)計的再生制動控制策略能夠達到仿真的要求。

圖6 當前車速與需求車速

圖7為車輛在不加載任何控制策略以及加載了本文所設(shè)計的再生制動控制策略后，電池SOC值在經(jīng)過一個NEDC循環(huán)工況下的變化情況?？梢钥闯?，在兩種不同的仿真工況下，電池的SOC值呈下降趨勢。在進行仿真前，設(shè)置電池SOC值為95%，當不加任何控制策略時，電池的SOC值下降趨勢較明顯，由 95%下降至 90.7%；當車輛加載了本文所設(shè)計的再生制動控制策略后，在車輛進行制動時，電池SOC值下降的較緩慢，且電池SOC值由95%下降至91.6%；而且當車輛在進行制動狀態(tài)時，電池SOC值有明顯的上升趨勢，車輛的初始速度越大，電池SOC值上升越明顯,而且在市郊循環(huán)中，這種情況更加明顯。

圖7 電池SOC值變化曲線

圖8為車輛的總能量輸出和總能量輸入的變化曲線，其中，總輸入能量為1760.15 kJ，總輸出能量為9765.22 kJ，由式（4）計算可得能量回收效率為18%[14]。

圖8 能量輸入、輸出曲線

式中，η為能量回收率，Ei為整車總輸入能量，Eo為整車總輸出能量。

4 結(jié)論

本文針對某款前驅(qū)式純電動汽車的制動能量回收效率問題，制定了基于理想制動力分配曲線、ECE法規(guī)曲線以及路面附著系數(shù)為0.7的f線組的前、后軸制動力分配方法，設(shè)計了以加速踏板位移、制動踏板位移、車速、電池SOC值及制動強度為判別條件的查表式制動能量回收控制策略，在NEDC工況下仿真得出該策略不僅可以有效地緩解電池SOC值下降的趨勢，且制動能量回收效率可達18%，可有效提高車輛的經(jīng)濟性。