基于Cruise的燃料電池增程式電動汽車再生制動轉矩分配策略研究

周蘇 楊國 任宏偉 支雪磊

（同濟大學）

基于Cruise的燃料電池增程式電動汽車再生制動轉矩分配策略研究

周蘇 楊國 任宏偉 支雪磊

（同濟大學）

以鋰電池SOC、車速和制動強度為約束條件，提出2種針對燃料電池增程式電動汽車再生制動轉矩的分配策略。基于Cruise/Simulink聯合仿真平臺，對2種制動轉矩分配策略進行了對比分析。結果表明，與并聯再生制動系統相比，在4種典型工況下串聯再生制動系統的鋰電池單獨驅動續駛里程增加率最大達11.66%，總續駛里程增加率最大達12.08%，制動能量回收率均增加了29%以上。

1 前言

汽車在城市工況下行駛時，由于頻繁制動約有50%的總驅動能量轉化為制動能量[1，2]，并且絕大部分的制動能量只能以熱能的形式耗散。因此，研究先進的制動能量回收技術，對延長制動器使用壽命、提高車輛續駛里程具有重要意義。

根據制動力矩分配策略的不同，可將再生制動系統分為具有制動效果的串聯制動、具有最佳能量回收率的串聯制動以及并聯制動等[3]。并聯再生制動系統制動力分配策略簡單，制動系統穩定可靠，但制動能量回收性能較差；而串聯再生制動系統的制動性能、駕駛感覺與傳統燃油車相當，且能量回收率可達較高水平。因此，本文針對前輪驅動的燃料電池增程式電動汽車（Fuel Cell Extended-Range Electric Vehicle，FCE-REV），提出2種以鋰電池SOC、車速和制動強度為邏輯門限值控制制動能量回收過程的再生制動轉矩分配策略，并利用Cruise/Simulink聯合仿真平臺進行仿真計算和分析。

2 FCE-REV工作模式

FCE-REV包含鋰電池和燃料電池2個動力源，主動力源鋰電池保證FCE-REV具有全電力驅動能力，輔助動力源燃料電池提供附加能量用以增加FCEREV續駛里程。燃料電池增程器系統的可插拔特性也使得FCE-REV能根據不同的出行需求選擇相應的運行模式[4]，在短距離出行時，選擇鋰電池單獨驅動模式，此時可卸下增程器系統，以減輕整車質量，提高能量利用率，該模式下的功率流如圖1所示；在遠距離出行時，裝載增程器系統，切換至鋰電池-燃料電池混合驅動模式，車輛由增程器和鋰電池共同驅動，以滿足整車續駛里程需求，該模式下的功率流如圖2所示。

3 制動力分配策略

在制定制動力分配策略前，首先要計算前、后輪需求制動力矩，以確保需求制動力在驅動電機與機械制動系統之間的合理分配。AVL/Cruise中內置的盤式制動器模塊能根據產生的制動踏板壓力求出前、后輪需求制動力矩，其計算式為：

式中，Tfront與Trear分別為前、后輪需求制動力矩；pb為制動壓力；Ab,f與Ab,r分別為前、后輪制動輪缸的活塞面積；ηb為制動器效率；μb為制動盤摩擦因數；rb,f與rb,r分別為前、后輪有效摩擦半徑；cb為制動特性參數。

3.1 并聯再生制動系統制動力分配策略

對于并聯再生制動系統，總制動力按固定比率分配再生制動力[3]，機械制動力為總制動力與再生制動力的差值，并按制動器制動力分配系數在前、后輪機械制動系統之間進行分配。

駕駛員總需求制動力矩Tbrake為：

若總制動力對再生制動力的分配系數為α，車輪滾動半徑為r，則再生制動力為：

因此，前輪機械制動力為：

3.2 串聯再生制動系統制動力分配策略

盡管串聯再生制動系統需要改造原有制動系統，但與并聯再生制動系統相比，其制動能量回收率高出30%以上[3]。為盡可能多地回收制動能量，縮短制動距離，優化駕駛感覺，同時提高制動安全性，設定前、后輪需求制動力按理想制動力分配曲線進行分配，前輪制動力包含電機再生制動力和機械摩擦制動力，而后輪僅有機械摩擦制動力。

一定轉速下驅動電機的發電能力受本身發電效率、鋰電池SOC和車速的影響[5～7]，其最大再生制動力矩Tregen為：

式中，Tm為電機制動轉矩；i0為主減速比；ηm為電機發電效率；ηt為傳動系效率；w1與w2分別為鋰電池SOC和車速v對再生制動力矩的加權系數。

w1和w2的取值規則分別如圖3和圖4所示。當鋰電池SOC≤0.7時，w1恒等于1，隨SOC逐漸升高w1線性下降，至SOC≥0.8后w1取值恒為0；當車速v≤5 km/h時w2恒等于0，隨v逐漸升高w2線性增大，至v≥20 km/h后w2取值恒為1。

比較電機最大制動轉矩和前輪需求制動力矩的大小可求得電機再生制動力，即：

因此，前輪機械制動力為：

由式（7）和式（8）可知，若前輪需求制動力矩小于電機在當前轉速下所能提供的最大再生制動力矩，當僅采用電機制動時，再生制動力矩等于前輪需求制動力矩，機械摩擦制動力為零；反之，電機將產生最大再生制動力矩，不足部分由前輪機械制動系統補充。后輪制動力僅由后輪機械制動系統提供。

3.3 基于ECE法規的制動力分配策略驗證

根據汽車理論，汽車制動過程中可能出現前輪先于后輪抱死、后輪先于前輪抱死、前后輪同時抱死等3種情況。當前、后輪同時抱死時，前、后輪制動器制動力之和等于附著力，并且前、后輪制動器制動力分別等于各自的附著力，此時的制動力分配曲線即為I曲線，可獲得理想的路面附著系數利用率和制動穩定性。

I曲線計算式為：

式中，Fx1與Fx2分別為前、后輪制動器制動力；hg為質心高度；b為質心至后軸中心線的距離；L為前、后軸之間的距離。

ECE R13制動法規明確要求，對于附著系數φ在0.2～0.8之間的各種車輛，要求制動強度z≥0.1+0.85（φ-0.2）。當前輪抱死時，為保證車輛制動穩定性，要求后輪制動力不等于零。由于再生制動只能施加在汽車的驅動軸上，當再生制動力較大時易造成前、后輪制動力分配超過ECE法規界限。因此，必須驗證前、后輪制動力是否滿足法規要求。

ECE法規要求的前、后輪制動力計算式為：

根據FCE-REV整車參數及式（1）～式（11），可得到前、后輪制動力分配曲線，如圖5所示。從圖5可看出，所制定的串、并聯再生制動系統制動力分配策略均能滿足ECE R13制動法規的要求。

4 制動功率分配策略

雖然再生制動可在一定程度上提高能量利用率，但無疑也對混合動力汽車制動系統的設計增加了難度。一方面需要考慮如何在前、后輪之間分配總制動力，確保制動安全性；另一方面也要考慮機械制動力和再生制動力在驅動輪上的分配，以利于制動能量回收。此外，在制動過程中，制動能量回收過程還受到鋰電池SOC、車速和制動強度等條件的約束。當SOC值過高時，為延長鋰電池使用壽命就不能進行制動能量回收；在車速較低時，由于電機反電勢過低導致其發電能力相對較低，此時不能進行制動能量回收；在緊急制動情況下，為確保制動安全性也不能進行制動能量回收。因此，制動能量回收的主要制約因素在于電池充電功率和電機發電能力，既不能超過電池當前最大充電功率，又要考慮電機發電能力的約束。

為解決上述問題，制定了如圖6所示的制動功率分配策略。由圖6可看出，在車輛緊急制動情況下，即當制動強度z≥0.2時僅采用機械制動；當車速v≤5 km/h時僅采用機械制動；當鋰電池SOC≥0.8時僅采用機械制動；當制動強度z＜0.2、車速v＞5 km/h且電池SOC＜0.8時，采用電機與機械系統聯合制動，并根據發電機功率、鋰電池功率及燃料電池功率求得電機實際再生制動功率。

5 仿真模型與仿真參數

5.1 整車仿真模型

FCE-REV整車仿真模型由整車模型和增程器模型組成，如圖7所示。整車模型在Cruise中搭建，包含鋰電池模型、驅動電機模型、Matlab DLL模型、制動器模型和駕駛員模型等；增程器模型在MATLAB/Simu?link中搭建，包含燃料電池模型、DC/DC轉換器模型及能量管理策略模型，其中能量管理策略模型在State?flow中搭建。通過MATLAB/Realtime Workshop工具箱將增程器模型生成動態鏈接庫DLL文件，并導入AVL/ Cruise環境下的MATLAB DLL模塊中，以DLL文件為媒介，建立Cruise/Simulink聯合仿真平臺。Cruise將負荷、鋰電池SOC、鋰電池功率、電機轉速、電機扭矩、車速等信號傳遞給Simulink中的燃料電池模型和能量管理策略模型，Simulink將處理后的如電機負荷、燃料電池啟停、修正制動壓力等信號傳回給Cruise，從而實現Cruise/Simulink之間的數據通信[8,9]，完成仿真計算。

5.2 仿真參數

以某混合動力汽車為基礎車型，根據整車基本參數及初步設定的動力性能指標完成動力傳動部件選型與參數匹配，最終確定的Cruise/Simulink聯合仿真參數如表1所列。

表1 Cruise/Simulink聯合仿真參數

6 仿真結果分析

FCE-REV主要是為滿足城市上下班短途行駛或長途旅行的需要而設計，因而選取歐洲市郊工況NEDC、美國城市工況FTP72、日本典型工況Ja1015以及中國乘用車市區工況CDC[10]來模擬FCE-REV實際行駛狀況。通過Cruise/Simulink聯合仿真平臺，對FCE-REV進行純電動續駛里程仿真、總續駛里程仿真及制動能量回收性能仿真。從圖8所示的各工況下車速仿真結果可知，實際車速能夠很好地跟蹤目標車速，并且在整個工況周期內，兩者的差值均能保持在± 1 km/h范圍之內，說明仿真模型精度能夠滿足要求。

6.1 鋰電池單獨驅動續駛里程仿真

當SOC≥0.4時，FCE-REV由鋰電池單獨驅動，設定SOC仿真初值為0.95、終值為0.4，運行仿真后得到各工況下串、并聯再生制動系統的鋰電池單獨驅動續駛里程，如表2所列。

表2 FCE-REV鋰電池單獨驅動續駛里程

由表2可知，在鋰電池單獨驅動模式下，相比于并聯再生制動系統，4種工況下的串聯再生制動系統的續駛里程都有所增加；NEDC工況的車速變化頻率較小，制動能量較少，而FTP72工況中制動最為頻繁，可回收的制動能量最多。因此，FTP72工況下的續駛里程增加率最大，NEDC工況下的續駛里程增加率最小。

6.2 總續駛里程仿真

FCE-REV在鋰電池-燃料電池混合驅動模式下運行時燃料電池增程器開始工作，并根據整車能量管理策略行駛。燃料電池啟停由整車能量管理策略中的switch信號控制，switch為1時燃料電池開啟，switch為0時燃料電池關閉[11]。設定SOC仿真初值為0.95、終值為0.3，仿真開始后，FCE-REV由鋰電池單獨驅動行駛，隨著時間的推移SOC逐漸減小，當達到增程器工作上限0.4時燃料電池開啟，在給鋰電池充入電能的同時也提供給FCE-REV向前行駛的驅動能，使得SOC在一定范圍內持續波動，此時FCE-REV由鋰電池、燃料電池共同驅動。隨著氫罐儲氫量不斷減少，其儲氫壓力也越來越低，當達到輸出截止壓力1 000 kPa時，增程器關閉，FCE-REV重新進入鋰電池單獨驅動模式，直至SOC終值達到0.3時整個仿真過程結束。以NEDC工況為例，整個仿真過程中并聯再生制動系統的SOC變化曲線和氫罐儲氫量變化曲線如圖9所示，并聯再生制動系統的其它工況仿真結果及串聯再生制動系統的各工況仿真結果與此類似。

表3給出了不同工況下FCE-REV的總續駛里程仿真結果，從表3可知，與并聯再生制動系統相比，FTP72工況下串聯再生制動系統的續駛里程增加率達到最大值12.08%；與另外3種典型工況相比，FTP72工況制動最為頻繁，可回收的制動能量最多，因而續駛里程增加率也最大。

表3 FCE-REV總續駛里程

各工況下并聯再生制動系統和串聯再生制動系統的SOC變化曲線如圖10和圖11所示。由圖10和圖11可看出，在鋰電池-燃料電池混合驅動模式階段，在NEDC、FTP72、Ja1015、CDC工況下SOC變化范圍依次減小，但波動頻率依次增大，說明鋰電池充電次數依次增多，且行駛時間依次增加，因而總續駛里程依次增加。

6.3 制動能量回收性能仿真

以制動能量回收率（回收能量與制動能量的比值）作為FCE-REV制動能量回收性能的評價指標進行制動能量回收性能仿真。仿真初始階段，設定SOC初值為0.8、終值為0.4，圖12和圖13分別為并聯再生制動系統各工況下的回收能量-時間變化曲線和制動能量-時間變化曲線，NEDC工況、FTP72工況、Ja1015工況和CDC工況的回收能量分別為459 kJ、830 kJ、878 kJ和747 kJ，制動能量分別為3881 kJ、6753 kJ、7428 kJ和6256 kJ，由此計算得到制動能量回收率分別為11.83%、12.29%、11.82%和11.94%。圖14和圖15分別為串聯再生制動系統各工況下的回收能量-時間變化曲線和制動能量-時間變化曲線，NEDC工況、FTP72工況、Ja1015工況和CDC工況的回收能量分別為1 784 kJ、3 468 kJ、3 490 kJ和2 961 kJ，制動能量分別為4 339 kJ、7 571 kJ、8 400 kJ和7 231 kJ，由此計算得到制動能量回收率分別為41.12%、45.81%、41.55%和40.95%。由上述數據可知，在NEDC、FTP72、Ja1015和CDC等4種典型工況下，與并聯再生制動系統相比，串聯再生制動系統的制動能量回收率分別增加了29.29%、33.52%、29.73%和29.01%，表明串聯再生制動系統的驅動電機提供了更大的再生制動力矩。

7 結束語

基于前、后輪制動器制動力分配I曲線，綜合考慮鋰電池SOC、車速和制動強度對再生制動轉矩的影響，提出2種針對前輪驅動的燃料電池增程式電動汽車再生制動轉矩的分配策略，并于Cruise/Simulink聯合仿真平臺進行了對比分析。結果表明，與并聯再生制動系統相比，在歐洲市郊工況NEDC、美國城市工況FTP72、日本典型工況Ja1015以及中國乘用車市區工況CDC等4種典型工況下，串聯再生制動系統的純電動續駛里程增加率最大為11.66%，總續駛里程增加率最大值為12.08%，制動能量回收率均增加了29%以上。

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10 李孟良,張建偉,張復興,等.中國城市乘用車實際行駛工況的研究.汽車工程,2006（6）.

11 周蘇,李飛鴻,馬天才,等.車用可插拔式燃料電池增程器匹配設計研究.汽車工程，2011,33（3）:818～822.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年11月14日。

Research on Regenerative Braking Torque Distribution Strategies for Fuel Cell Range Extended Electric Vehicle Based on Cruise

Zhou Su,Yang Guo,Ren Hongwei,Zhi Xuelei
（Tongji University）

With lithium-ion batterySOC,vehicle speed and braking force as constraints,two distribution strategies for regenerative braking torque are proposed for fuel cell range extended electric vehicle(FCE-REV).These two strategies are simulated on Cruise/Simulink co-simulation platform for comparison and analysis.The results show that compared with parallel regenerative braking system,the maximal increasing rate of pure battery driving range for series regenerative braking system can be up to 11.66%,the maximal increasing rate of total driving range is 12.08%and braking energy recovery rate is increased by over 29%in four typical driving conditions.

FCE-REV,Regenerative braking,Torque distribution,Co-simulation

燃料電池增程式電動汽車 再生制動 轉矩分配 聯合仿真

U469.72+2

A

1000-3703（2015）04-0046-06