兩檔式純電動汽車制動節能策略仿真研究

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(1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064; 2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

在世界經濟迅速發展的今天，環境污染、能源短缺問題逐漸顯露，嚴重制約了我國經濟的發展。新能源汽車技術可實現良好的節能減排效果，但由于目前車用電池發展尚不成熟，純電動汽車行駛的續駛里程一直是阻礙電動汽車廣泛普及的主要瓶頸。如何通過節能技術增加純電動汽車的續駛里程，是電動汽車行業領域現階段急需解決的關鍵問題。

針對新能源車輛的節能技術是新能源汽車領域的研究熱點。文獻[1]根據預估速度，提出反饋分級控制器以跟蹤期望的速度并將制動轉矩分配到四個車輪以改善能量回收，仿真結果表明了模塊化觀測器和分層控制器的有效性。文獻[2]對機械飛輪再生制動系統(RBS)、彈性飛輪(RBS)和液壓動力輔助(RBS)的性能進行了典型的數學分析，并對不同的車型研究比較了這些系統的效率和節能效果，發現彈性飛輪(RBS)效率最高，其次為液壓動力輔助(RBS)和機械飛輪(RBS)。文獻[3]日本Toyota-Prius乘用車通過一套ECB制動系統實現在四輪單獨控制、常規制動、緊急制動、制動能量回收以及防加速打滑控制等技術的突破，能量利用率被提高了20%以上。文獻[4]針對雙源純電動汽車引入基于模糊控制的能量管理策略，提高蓄電池的循環利用次數，有效的保證了純電動汽車長時間的穩定。文獻[5]考慮國家安全法規和純電動公交客車實際運行工況，提出了一種可以大幅度提高制動能量回收率的制動力分配控制策略。文獻[6]提出一種根據電機轉矩特性分配電動汽車前軸制動力的再生制動控制策略，基于制動力變比值優化分配算法。文獻[7]提出一種根據路面附著系數合理分配再生制動力的回饋能量可控型再生制動控制策略，可最大限度地回收回饋能量。

迄今為止，國內外針對純電動汽車再生制動控制策略已進行了多角度、多方面的研究分析。國外再生制動技術由于發展較早已經小有成效，再生制動控制策略和相關節能技術已得以應用，國內相關研究雖起步相對較晚，但目前也已取得了巨大進步。然而，在眾多純電動汽車再生制動控制策略以及節能技術的各類研究中，針對兩檔式純電動汽車特點、考慮制動過程中進行檔位切換的再生制動力分配控制策略闡述和相關仿真結果及分析卻還鮮有。因此，本文在查閱國內外相關文獻、學習借鑒典型再生制動策略和傳統車輛制動力分配方法的基礎上，選取某品牌兩檔式mini純電動汽車為研究對象，針對其兩檔式的特點提出一制動過程換擋策略，對其再生制動過程進行了再生制動力分配控制策略相結合，并通過Matlab/simulink平臺對結合換擋策略后的串聯式和并聯式兩種再生制動力分配控制策略進行仿真，得到目標兩檔式純電動汽車在兩種制動控制策略下能量回收效率結果，以期為同級別相似車型和相關汽車產業針對提升純電動汽車續駛里程的再生制動控制策略與技術層面提供一定的參考依據。

1 再生制動原理及修正模型

再生制動是可以實現制動能量的再生利用，同時發電過程中產生的電機制動力矩又可通過傳動系統對驅動輪產生制動效果的技術[8]。當汽車需要減速制動時，駕駛員控制制動踏板，制動控制器根據制動踏板信號傳感器傳來的制動踏板行程信號計算出制動要求，同時接收車速、檔位、電池狀態、電機功率等信號，依據這些控制信號將電機切換為制動狀態，進而通過功率變換器為蓄電池充電，實現制動能量回收。與傳統汽車相比，再生制動是電動汽車的一大顯著優點。

考慮ECE制動法規、電池荷電狀態(SOC)以及電機峰值轉矩等因素來對再生制動力矩進行修正[9]。無論是傳統內燃機汽車還是電動汽車，制動性能都應滿足相應的法規要求，由汽車理論計算得本文研究的mini純電動汽車滿足ECE法規的制動力分配系數范圍為：0.72≤β≤0.86，即本車型在實現并聯再生制動策略下的制動過程時，前輪總制動力不得超過總制動力的86%。根據汽車理論相關知識并合理的簡化計算，當制動力分配系數β取到ECE法規規定的最大值0.86時，對于前輪驅動汽車的再生制動系統的中電機能提供的最大再生制動力為

(1)

從而可以得到ECE法規限制下的電機最大再生制動轉矩

(2)

本車型所用的電機額定功率為32 kW，其峰值轉矩為152.8 Nm，額定轉速為2 000 r/min，結合電動機相關理論知識，電機最大轉矩公式如式(3)

(3)

式中Pm——電機功率。

鋰離子電池的充電特性可由實驗得到，可知其充電特性為先恒流再恒壓[10]。又由電池的充電功率公式Pb=U·I，可得在電池SOC影響下，實際電機產生的再生制動轉矩為

(4)

式中Pbmax——電池最大充電功率。

(5)

(6)

綜上所述，修正后的實際電機產生最大再生制動力矩為Tm_ac_reg=min{Tbat,Tmot}w1·w2，設對應的電機所能產生的最大再生制動力為Fm_ac_reg。

2 控制策略及模型構建

本文的研究對象為某品牌的mini純電動汽車，其具體參數見表1。對于兩檔式純電動汽車而言，制動過程擋位的變化可引起再生制動能量回收的效果變化。通過對本車型的相關參數進行計算，該款車型一檔位時所能達到的最大車速為7.7 m/s，電機峰值轉速下可傳遞到車輪的制動力矩為924.1 N·m。當在制動強度z=0.1時，由于車輛所需的制動力矩為246.9 N·m，因此在低制動強度時(z≤0.1)車輛制動所需的力矩理論上完全可以只用電機來提供。下面對本研究中的串聯式和并聯式再生制動力分配控制策略以及制動過程中所開發的換擋策略分別進行闡述，設制動信號為Fb，實際再生制動力為Fwreg,再生制動力分配策略模塊中計算所需再生制動力為Fxy。

2.1 再生制動力分配策略

2.1.1 串聯式分配策略

當制動強度z≤ 0.1時，前軸機械制動力為Ff=0，后軸機械制動Fr= 0，再生制動力Fwreg=Fb；當0.1≤z≤0.7時，首先將總需求制動力Fb按β=0.75分配至前后軸且Fb=Fwreg+Ff+Fr，根據再生制動優先的原則，前軸機械制動力Ff=0.75Fb-Fwreg，后軸的機械制動力Fr=0.25Fb，再生制動力Fwreg=min{Fxy,Fm_ac_reg}；當z>0.7時，關閉再生制動，所需制動力完全由機械制動提供，前軸機械制動力為Ff=0.75Fb,后軸機械制動力矩為Fr=(1-0.75)Fb，再生制動力Fwreg=0。

表1純電動汽車參數

參數名稱指標整車參數整車整備質量/kg950滿載質量/kg1 100空氣阻力系數0.33輪胎動態滾動半徑/m0.262迎風面積/m22.1軸距/m2.365質心到后軸的距離/m1.149質心高度/m0.48變速器形式AMT一檔傳動比4.073 9二檔傳動比1電機類型永磁電機額定功率/kW32額定轉速/r·min-12 000峰值轉速/r·min-15 500峰值轉矩/N·m152.8蓄電池類型鋰離子電池總電壓/V364.8容量/kW·h24

2.1.2 并聯式制動力分配策略

當制動強度z≤0.1時，前軸機械制動力為Ff=0，后軸機械制動Fr=0，再生制動力Fwreg=Fb；當制動強度0.1≤z≤0.7時，采取電機制動以及機械制動相結合的方式，前軸機械制動力Ff=0.75(Fb-Fwreg)，后軸機械制動力Fr=0.25(Fb-Fwreg)，再生制動力Fwreg=min{Fxy,Fm_ac_reg}；當z>0.7時，關閉再生制動，此時的制動力完全由及機械制動系統提供，前軸機械制動力為Ff=0.75Tb，Fr=(1-0.75)Fb，再生制動力Fwreg=0。

2.2 再生制動過程換擋策略

汽車在某一車速v時進行制動，此時可通過公式計算得到電動機在該車速下，一檔和二檔時對應的兩個不同電機轉速，記作n1、n2。通過電機的轉矩轉速特性圖查表可得到分別對應的此車速下一、二檔的電機轉矩Tm1、Tm2，結合影響因子不計傳動損失，兩個轉矩經過傳動系傳遞至車輪，作用給車輪的理論再生制動力分別為F1、F2。當v>7.7 m/s時，由于此時一檔無法達到該車速，因此只選用二檔為制動檔位。將得到的F1和F2進行比較，判斷出最大制動力Fmax=max{F1,F2}和最小制動力Fmin=min{F1,F2}以及Fmax對應檔位kmax和傳動比ikmax。當策略模塊中計算輸出所需的再生制動力Fxy小于Fmin時，電機所能提供的實際再生制動力為Fwreg=Fxy，擋位k可保持不變；當策略模塊中計算輸出所需的再生制動力Fxy小于Fmax時，電機所能提供的實際再生制動力為Fwreg=Fxy，擋位切換到k=kmax；當策略模塊中計算輸出所需的再生制動力Fxy大于Fmax時，電機所能提供的實際再生制動力為Fwreg=Fmax，擋位切換到k=kmax。

為了對結合再生制動換擋策略后的串聯式和并聯式兩種再生制動力分配控制策略進行仿真分析，找出適合本車型的實現最大能量回收的最佳再生制動控制策略，本研究基于Matlab/simulink平臺建立了車輛動力學模型、電機模型、電池模型、駕駛員模型以及變速器模型等，由于篇幅限制本次只展示整車模型(圖1)、變速器換擋策略模型(圖2)、串聯式(圖3)與并聯式(圖4)的再生制動力分配控制策略模型，其他詳細子模型不做展示。

3 仿真結果與分析

為保證仿真結果的非特殊性，本研究選用了美國標準城市循環工況UDDS和模擬制動工況兩種工況分別進行仿真并將其結果對比分析。為便于對結果進行描述，將結合再生制動換擋策略后的串聯式再生制動力分配控制策略記作“策略一”，結合再生制動換擋策略后的并聯式再生制動換擋策略記作“策略二”。

3.1 美國UDDS工況

美國標準的城市循環工況UDDS實際時間長度為4 107 s，但為了便于圖形表達分析，因此只選用了該工況的前1 000 s用于展示，該工況下電池SOC以及能量回收情況的仿真結果如圖5所示。

美國城市循環工況的前1 000 s仿真結果顯示，隨著再生制動的參與，電機有效的進行了制動能量的回收，且隨著時間的增加，再生制動回收能量也成同步上升勢態。但不同策略下，電池SOC狀態和能量回收方面都有明顯差別。其中，策略一的最終SOC值為0.709 5，策略二的最終SOC值為0.673 6，策略一的電池最終SOC值比策略二高5.3%；策略一的最終能量回收量為4.379×105J，策略二最終能量回收量為3.625×105J，策略一回收的能量比策略二多20.8%。

3.2 模擬制動工況

由于循環工況中，制動強度均在0.15以下，處于低強度制動狀態，因此為驗證所開發的再生制動力分配策略的合理性，本課題通過Matlab/simulink平臺模擬了一個50 s的中高強度制動工況(模擬制動工況)再次進行仿真分析，其結果如圖6所示。

通過對模擬制動工況不同控制策略下的仿真結果觀察可得，汽車在模擬制動工況下運行過程中，策略一下汽車的電池SOC和能量回收量效果均高于策略二。其中，策略一時的電池SOC值為0.792 8，策略二的電池SOC值為0.792 2，策略一下的能量回收量為1.322×105J，策略二下的能量回收量為8.484×104J，策略一下的能量回收量比策略二的約多56%。

綜合上述兩個工況的再生制動結果發現，結合換擋策略后的串聯再生制動控制策略與并聯再生制動控制策略相比，該款純電動汽車采用串聯式再生制動控制策略下電池的SOC更高、蓄電池回收的制動能量更多，對于本次研究的mini車型而言，策略一具有更好的節能效果，為最佳再生制動策略。

4 結論

本文選取了某品牌mini兩檔式純電動汽車為研究對象，基于其兩檔式的特點，考慮到再生制動過程不同擋位下再生制動能量回收的效果不同，在串聯式再生制動力分配控制策略和并聯式再生制動力分配控制策略基礎上結合再生制動換擋策略于Matlab/simulink平臺進行了建模仿真，并在美國標準城市循環工況UDDS以及一般模擬制動工況下分別對目標車型的兩種再生制動控制策略制動過程能量回收情況進行了研究。

對于本研究的兩檔式mini純電動汽車而言，結合換擋策略后的串聯式再生制動控制策略所能達到的能量回收效果明顯優于同工況下的并聯式再生制動控制策略，這主要是由于并聯式再生制動是將電機制動與傳統的機械液壓制動進行簡單的疊加，而串聯式再生制動方法優先使用電機制動力，不足制動力使用機械液壓制動力進行補償，因此再生制動能量回收率比較高。此外，制動過程中擋位的擇優選取，使得電動汽車實現了制動時電機可提供最大轉矩的高效利用，因此結合到擋位選擇策略后的串聯再生制動控制策略是一個可行的提升本車型電池能量回收量、延長電動車續駛里程的有效的方法，對于提高相類似款車型電動汽車節能效果具有良好的現實意義。