純電動汽車電液復合制動系統(tǒng)聯(lián)合仿真

王 暉，陳 燎，盤朝奉，b

(江蘇大學 a.汽車與交通工程學院;b.汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

隨著汽車保有量快速增長，由汽車引發(fā)的資源緊缺、溫室效應和環(huán)境污染等問題日益嚴重。純電動汽車對能源的利用率較高，在節(jié)能和環(huán)保方面具有較大優(yōu)勢，且其技術相對簡單成熟，具有十分廣闊的發(fā)展前景［1］。研究表明:在城市駕駛工況下，大約有1/3～1/2的能量被消耗在制動過程中，所以對純電動汽車制動能量回收的研究具有十分重要的理論和現實意義［2－12］。

Mourad Mohamed［7］建立了蓄電池、電機、控制器以及傳動系統(tǒng)模型，運用ADVISOR軟件進行多種城市工況下的仿真，獲得了行駛工況與制動能量回收利用率之間的關系，最終確定了一種適用于最佳制動能量回收的結構。

在電動汽車行車液壓制動系統(tǒng)基礎上增設液壓控制單元和行程模擬器。基于所設計的電液復合制動系統(tǒng)與控制策略建立了AMEsim-Simulink聯(lián)合仿真模型，對電動汽車制動能量回收系統(tǒng)進行了仿真研究。

1 制動能量回收系統(tǒng)簡介

1.1 制動能量回收的原理

當電動汽車制動時，通過控制可以將車輛以發(fā)電機模式運行。這樣一方面可以提供制動力，另一方面可以將車輛的部分動能轉化為電能。轉化的電能存儲在儲能裝置中，從而增加電動汽車的行駛里程。圖1為電動汽車制動能量回收原理。與傳統(tǒng)汽車上的單一液壓制動力相比，電動汽車可以通過電機來提供制動力，液壓制動系統(tǒng)與電機制動系統(tǒng)共同組成了電液復合制動系統(tǒng)。

圖1 電動汽車制動能量回收原理

1.2 能量回收系統(tǒng)的結構

超級電容能量密度小，在回收制動能量時，其端電壓變化大且輸出特性偏軟。因此，在超級電容與電機控制器之間設置DC/DC變換器，以實現對能量雙向升壓和降壓的傳輸功能。超級電容與蓄電池組成的復合電源再生制動系統(tǒng)基本結構如圖2所示。

圖2 復合電源再生制動系統(tǒng)基本結構

驅動時，蓄電池經電機控制器給電機供電以驅動車輪;制動時，車輪帶動電動機發(fā)電，交流電由電機控制器整流后成為直流電，經DC/DC變換后將電能儲存在超級電容中。當超級電容中儲存足夠多能量后，可經由DC/DC變換器用于電機驅動車輛行駛或將電能供予其他耗電設備。整車控制器根據駕駛員意圖與車輛行駛狀態(tài)決定系統(tǒng)工作狀態(tài)，且可通過控制DC/DC的運行控制電機產生制動力。

2 AMEsim-simulink聯(lián)合仿真模型的建立

2.1 基于AMEsim的液壓相關模型

2.1.1 行程模擬器模型

本文選用被動調節(jié)式行程模擬器。該模擬器簡單可靠，易于實現，且可反饋踏板力與行程間的線性關系。如圖3所示，模擬器制動液腔被兩側面積不等的活塞分隔為前腔與后腔，分別與制動主缸的前腔與后腔相連，模擬器前腔中設有模擬器彈簧。由于活塞兩側面積不等，活塞兩側所受壓力不同，可以抵消一部分作用在彈簧上的壓力，因此模擬器彈簧不需要太大的剛度來提供反力，避免因使用太大剛度的彈簧使行程模擬器尺寸變大。

在數學模型中，不計模擬器彈簧預置力，則模擬器中活塞力平衡方程為

其中:Sa，Sb分別為模擬器前后腔活塞面積;Pf，Pr分別為制動主缸前后腔液壓壓力;Pf為模擬器彈簧剛度;Kss為模擬器彈簧剛度;Xss為模擬器彈簧位移。

將主缸減壓、制動液將要流入行程模擬器的時刻作為初始點，忽略機械阻尼及液體壓縮特性，由制動主缸與行程模擬器組成的液壓回路系統(tǒng)可由方程(2)～(5)描述。

主缸推桿力:

主缸后腔活塞力平衡:

前腔進出油液平衡:

后腔進出油液平衡:

方程(2)～(5)中:Sf，Sr分別為主缸前后腔活塞面積;Kfs，Krs分別為制動主缸前、后腔回位彈簧剛度;Xfs，Xrs分別為制動主缸前、后腔彈簧位移。由此可推出主缸推力Frod與主缸有效行程Xrod的關系:

圖3 行程模擬器結構

根據以上模型，建立制動操縱機構AMEsim模型，如圖4所示。

圖4 制動操縱機構AMEsim模型

2.1.2 高壓蓄能器模型

制動系統(tǒng)中，液壓制動的油源是由高壓蓄能器中儲存的高壓制動液，液量可以滿足車輛多次連續(xù)制動。本文選用氣囊式高壓蓄能器。當蓄能器作為高壓油源時，儲存和釋放的容量和氣囊中的氣體體積變化量相等，而氣體狀態(tài)的變化符合玻意耳定律，即

式(7)中:Pb為制動狀態(tài)下的壓力;Vb為對應于Pb時氣體體積;P1為液壓泵對蓄能器儲油結束時的壓力;V1為對應于P1時的氣體體積;P2為蓄能器的工作最低壓力限值;V2為對應于P2時的氣體體積;P為氣囊的充氣壓力;V為氣囊的充氣體積，即蓄能器容量，這時氣囊應充滿殼體內腔;n為多變指數，1＜n＜1.4。

若設儲能器工作時體積變化為ΔVb(ΔVb=Vb－V1)，則

根據電動車參數，設定高壓蓄能的工作低壓限值P2=15 MPa，高壓限值為P1=18 MPa。

2.1.3 液壓泵模型

液壓泵為柱塞泵，當高壓蓄能器內制動液壓力降至設定的下限值時，電機帶動柱塞泵工作，向蓄能器加壓至設定的壓力值。液壓泵的輸出流量Qout與其額定的排量Vc、電機轉速nm等參數有關。液壓泵的流量可以表示為

根據電動車參數，選取液壓泵的額定排量Vc=1 mL/r，電機轉速 nm=1400 r/min。

2.2 基于Simulink的模型

2.2.1 車輛整車動力學模型

為驗證電液復合制動的制動效果，需要對整車進行動力學建模，以得到仿真過程中車輛的實時車速。車輛行駛時受力平衡可表示為

2.2.2 電機模型

電動車采用直流無刷電機，直流無刷電機的電磁轉矩是由定子繞組中的電流與轉子磁鋼產生的磁場相互作用產生的。定子繞組產生的電磁功率表達式為

因此，電機的電磁轉矩表達式為

系統(tǒng)運動方程為

式(13)中:TL為負載轉矩;B為電機阻尼系數;J為電機軸的轉動慣量。

由式(12)可知:電機電磁轉矩的大小與磁通和電流的幅值成正比。對于永磁電機，可以通過控制逆變器輸出的電流幅值來實現對轉矩的控制。本文為了研究電機的發(fā)電特性，建立了驅動電機的Simulink模型。

2.2.3 超級電容模型

忽略自放電特性對超級電容帶來的影響，將超級電容模型簡化為理想電容器和電阻串聯(lián)的結構，并建立Simulink模型。

超級電容在充電過程中，其輸入電壓為uc，可用超級電容端電壓Vc減去超級電容內阻Rc上的壓降表示，超級電容實時SOC值可以通過制動過程中輸入電壓和充電電流計算得到。

式(14)～(15)中:Uh為超級電容的額定電壓;C為超級電容的本征容量。

超級電容為單體DLCAP2.5V700F型超級電容，其單體電壓為2.5 V，本征容量為700 F。超級電容單體通過限壓電路串聯(lián)成超級電容組作為能量回收儲能裝置，由28個單體串聯(lián)為一組，兩組并聯(lián)而成，組成的超級電容組額定電壓為70 V，本征容量為50 F。

超級電容工作時能夠存儲的能量(即有效容量Es)由額定電壓、本征容量和最低工作電壓Ucmin共同決定:

令 Ucmin=qUh，則有

式(17)中:q為超級電容的放電深度，一般取q=0.6 ～0.7。

2.2.4 DC/DC 變換器模型

DC/DC變換器是常用的電路結構，結構成熟，但其電感的參數選擇對變換器的性能影響很大，在設計時一般根據紋波理論計算電感取值。本研究選用的電感值為6 mH。

DC/DC變換器中IGBT的開關頻率由主控芯片決定，f=28 kHz。

當處于升壓狀態(tài)時，在一個周期內，設占空比為Dy。當升壓釋放時，超級電容端電壓為

升壓回收時，

2.2.5 聯(lián)合仿真模型

在AMEsim環(huán)境下聯(lián)合仿真模型如圖5所示。該模型包括制動操縱機構、4個輪缸與和輪缸對應的4組高速開關閥。在高速開關閥的控制集成與液壓控制器中，HyS為與Simulink對接的Simucosim模塊。

圖5 AMEsim環(huán)境下電液復合制動聯(lián)合仿真模型

Simulink環(huán)境下的聯(lián)合仿真模型如圖6所示。模型包括整車動力學模型、電機模型、超級電容模型、DC/DC模型、制動力分配與駕駛員意圖識別等上述建立的模型，還設置了恒壓蓄電池作為供電單元。其中S－函數為與AMEsim數據交換的接口。設置系統(tǒng)仿真采樣時間與數據接口采樣時間均為 0.001 s。

圖6 Simulink環(huán)境下聯(lián)合仿真模型

3 制動能量回收仿真與分析

在初始速度為36 km/h的工況下，自第6 s開始制動，踏板力輸入時間為0.5 s，輸入大小分別選取30，50 N，對應理想制動強度的控制分別為0.08，0.248。查看仿真過程中各個參數，進行制動能量回收效果分析。

當制動踏板力為30 N時，輸出制動強度為0.085，如圖7(c)所示。制動初始階段可完全由電機制動提供制動力，是理想的制動能量回收狀態(tài)。隨著轉速下降，電機最大再生力矩下降，前軸液壓介入，完成制動。

當踏板力為50 N時，輸出制動強度為0.27，大于電機提供的最大制動強度，如圖7(d)所示，制動開始后電制動與前、后軸液壓制動共同參與制動。如圖8所示，隨著車速下降，電機反電動勢下降，電機發(fā)電功率減小，提供的再生制動電樞電流減小，對電容充電電流逐漸減小，超級電容充電功率也隨之減小。超級電容電壓與SOC變化如圖9所示。

對比踏板力為30 N的小強度制動與踏板力為50 N的中小強度制動時超級電容的充電過程。由圖8可見:電容電壓由48 V分別提高至53.71 V和50.97 V;電容 SOC 由 0.47 提高至 0.588 和0.532。對應充入超級電容的能量為14455 J與7359 J，則可得到兩種制動強度下制動能量回收率分別為38.5%與19.6%。

圖7 制動力控制輸入與輸出

圖8 電樞電流與電容充電電流

圖9 超級電容端電壓與SOC變化

可見在小制動強度下，絕大部分制動力可由電機提供，制動能量回收率較高。受電機最大再生制動力限制，在中小制動強度下，液壓部分介入較多，導致能量回收率偏小。但鑒于該電動車主要行駛于城市工況，電液復合制動大多以小制動強度工作，制動能量回收率在40%左右，回收效果較好。

4 結論

1)基于AMEsim的模型建立了行程模擬器、高壓蓄能器和液壓泵的模型。基于Simulink的建立了車輛整車動力學模型、電機、超級電容和DC/DC變換器模型。根據以上建立的所有模型建立了AMEsim-Simulink聯(lián)合仿真模型。

2)在初始速度為36 km/h的工況下，分別選取踏板力大小為30 N(小強度制動)和50 N(中小強度制動)進行仿真，并對仿真結果進行了分析。結果表明:在城市工況下(小強度制動)，制動能量回收率在40%左右，回收效果較好。

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