某純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收策略研究

馮海波 許恩永

摘? 要：以東風(fēng)柳州汽車有限公司某款純電動(dòng)商用車為研究對(duì)象，研究了商用車制動(dòng)能量回收策略及理論。以制動(dòng)踏板開度和制動(dòng)踏板開度變化率為模糊控制器的輸入變量，以再生制動(dòng)力分配因子為輸出變量。在Matlab/simulink軟件中搭建控制策略模型，在AVL Cruise軟件中搭建純電動(dòng)商用車的整車模型，并進(jìn)行聯(lián)合仿真與驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)商用車;制動(dòng)能量回收;模糊控制

中圖分類號(hào)：TP391.9;U469.7? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）16-0062-05

Research on Braking Energy Recovery Strategy of Pure Electric Vehicle

FENG Haibo1， XU Enyong2

（1.Concordia University，Canada Montreal? H4B IR6; 2.Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou? 545005， China）

Abstract： Taking a certain pure electric commercial vehicle of Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd. as the research object， The strategy and theory of braking energy recovery of commercial vehicles are studied. Taking the brake pedal opening and the brake pedal opening change rate as the input variables of the fuzzy controller， and the regenerative braking force distribution factor as the output variable. Build a control strategy model in Matlab/simulink software， build a complete vehicle model of a pure electric commercial vehicle in AVL Cruise software， and conduct joint simulations and verification.

Keywords： pure electric commercial vehicle; braking energy recovery; fuzzy control

0? 引? 言

隨著環(huán)境污染和資源匱乏等問題的日益凸顯，節(jié)能減排逐漸成為汽車行業(yè)發(fā)展方向[1]。純電動(dòng)汽車具有低噪音、零污染和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為車企的研究重點(diǎn)之一。制動(dòng)能量回收是純電動(dòng)汽車在制動(dòng)減速過程將浪費(fèi)的動(dòng)能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存到電池中的技術(shù)[2，3]。

目前，許多高校和科研機(jī)構(gòu)都對(duì)制動(dòng)能量回收技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，貴州大學(xué)的李家春[4]針對(duì)貴州省多山地坡道的路況，提出了一種最佳舒適性串聯(lián)制動(dòng)策略，仿真結(jié)果表明該策略在減速過程中不僅具有較好的舒適性，在制動(dòng)能量回收效率也有較大提升;山東理工大學(xué)的初敏[5]針對(duì)后驅(qū)式純電動(dòng)客車，提出了一種最佳就制動(dòng)能量回收策略，最大程度回收制動(dòng)過程中能量，仿真表明該策略有效提高了制動(dòng)能量回收效率，節(jié)能效果明顯;西北工業(yè)大學(xué)的高愛云[6]提出了基于模糊控制的制動(dòng)能量回收策略，并進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真，仿真結(jié)果表明駕駛員的制動(dòng)感覺較好，能量回收效率得到有效提高;清華大學(xué)的張抗抗[7]針對(duì)后驅(qū)式純電動(dòng)汽車進(jìn)行了串、并聯(lián)制動(dòng)能量回收策略的研究。

制動(dòng)能量回收策略的研究主要集中于純電動(dòng)乘用車，對(duì)于純電動(dòng)商用車的研究較少。本文以后驅(qū)式純電動(dòng)商用車為研究對(duì)象，提出了一種基于模糊控制的制動(dòng)能量回收策略。在Matlab/simulink軟件搭建控制策略模型，在AVL Cruise軟件中搭建純電動(dòng)商用車的整車模型，在NEDC工況下進(jìn)行聯(lián)合仿真。

1? 汽車制動(dòng)過程理論分析

1.1? 制動(dòng)能量回收原理

所研究的純電動(dòng)商用車的驅(qū)動(dòng)方式為后驅(qū)式，其制動(dòng)能量回收系統(tǒng)包括制動(dòng)踏板及傳感器、整車控制器、電機(jī)及其控制器、電池及其控制系統(tǒng)、氣壓控制器等。純電動(dòng)商用車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)會(huì)根據(jù)制動(dòng)踏板信號(hào)計(jì)算需求總制動(dòng)力，根據(jù)所制定的制動(dòng)能量回收策略完成前后輪制動(dòng)力以及驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械制動(dòng)力和再生制動(dòng)力的分配。

純電動(dòng)商用車在制動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)力由于慣性帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子切割磁感線的方向與電機(jī)狀態(tài)相反，使得轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生反向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)[8]。在此過程中，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向也會(huì)隨之發(fā)生改變，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，電機(jī)發(fā)揮制動(dòng)作用，電機(jī)的特征曲線如圖1所示。

純電動(dòng)商用車以某一車速穩(wěn)態(tài)行駛時(shí)，假設(shè)電機(jī)的特性曲線如圖1中的曲線f1所示，電機(jī)工作在A點(diǎn)，拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩為TL，處于第一象限驅(qū)動(dòng)汽車行駛;當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)開啟并控制電機(jī)的定子的頻率降低，此時(shí)電機(jī)的特性曲線由f1轉(zhuǎn)為f2，但是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由于慣性無法實(shí)現(xiàn)迅速降低，此時(shí)工作點(diǎn)由A變化到B。此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。隨著車速的下降，電機(jī)的工作點(diǎn)會(huì)沿f2曲線變化到D點(diǎn)。

若汽車?yán)^續(xù)制動(dòng)減速，電機(jī)將持續(xù)處于發(fā)電狀態(tài)，并會(huì)使電機(jī)的工作特性曲線在第二象限，電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)隨頻率的下降而下降，當(dāng)電機(jī)的頻率降為0時(shí)，電機(jī)的特性曲線如曲線f3所示，工作點(diǎn)會(huì)從E點(diǎn)變化到O點(diǎn)，表示汽車停車。

1.2? 汽車受力分析

汽車在水平路面上行駛，根據(jù)駕駛員需求進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，不考慮車輪打滑，附著系數(shù)只取一個(gè)定值。其受力分析圖如圖2所示。

由圖2對(duì)后輪接地點(diǎn)取力矩得：

（1）

式中，F(xiàn)Z1為地面對(duì)前輪的法向作用力，N;W為汽車重力，N;m為總質(zhì)量，kg;e為質(zhì)心至后軸的距離，m;hg為質(zhì)心高度，m;為制動(dòng)減速度，m/s2。

對(duì)前輪接地點(diǎn)取力矩得：

（2）

式中，F(xiàn)Z2為地面對(duì)后輪的法向作用力，N;d為質(zhì)心至前軸的距離，m。

令=zg，z定義為制動(dòng)強(qiáng)度，得地面法向反作用力為：

FZ1=W（d+zhg）/h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

FZ2=W（e+zhg）/h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

若前、后輪都抱死，則：

FXb=Fφ=wφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

（6）

式中，φ為路面附著系數(shù);Fφ為地面附著力，N。

此時(shí)，地面作用于前、后輪的法向反作用力為：

（7）

根據(jù)以上公式可知，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度或附著系數(shù)變化時(shí)，前、后輪法向反作用力也隨之變化。

1.3? 純電動(dòng)商用車主要參數(shù)

該款純電動(dòng)商用車的整車主要參數(shù)如表1所示。

2? 制動(dòng)能量回收策略

2.1? 制動(dòng)力分配

純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收回收的影響因素有許多，如電機(jī)發(fā)電性能、電池充電效率和控制策略的制動(dòng)力分配等。制動(dòng)能量回收策略是對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配提高電機(jī)再生制動(dòng)的占比，制動(dòng)力的分配主要分為兩部分：一是前后輪制動(dòng)力的分配，二是驅(qū)動(dòng)軸機(jī)械制動(dòng)力與電機(jī)再生制動(dòng)力的分配。

首先，為保證制動(dòng)的安全性，前、后輪制動(dòng)力按理想制動(dòng)力分配曲線（I曲線）分，能夠使得純電動(dòng)商用車在制動(dòng)過程中具有較好的制動(dòng)效果。然后設(shè)計(jì)模糊控制器，模糊控制器以制動(dòng)踏板開度和制動(dòng)踏板開度變化率為輸入變量，以再生制動(dòng)力分配系數(shù)為輸出變量，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的機(jī)械制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力進(jìn)行分配。最后將再生制動(dòng)力指令發(fā)送給電機(jī)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，并將產(chǎn)生電能儲(chǔ)存到電池里面。制動(dòng)能量回收控制策略流程圖如圖3所示。

2.2? 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器的輸入變量為制動(dòng)踏板開度和制動(dòng)踏板開度變化率，設(shè)置制動(dòng)踏板開度和制動(dòng)踏板開度變化率的論域都為[0，100]，模糊子集均為{VS極小，S小，M中，B大，VB極大};輸出變量為再生制動(dòng)力分配系數(shù)，設(shè)置其論域?yàn)閇0，1]，模糊子集為{VS極小，S小，M中，B大，VB極大}。隸屬度函數(shù)如圖4所示。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，制定25條模糊規(guī)則，模糊規(guī)則表2所示，模糊曲面如圖5所示。

3? 建模與仿真分析

3.1? 控制策略的建模

將上述制動(dòng)能量回收策略在Matlab/simulink軟件搭建出來，如圖6所示。

3.2? 整車仿真模型

AVL Cruise軟件是一款適用于汽車動(dòng)力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性仿真的專業(yè)軟件，將純電動(dòng)商用車的整車仿真模型搭建出來，如圖7所示。

3.3? 仿真分析

將電池初始值設(shè)置為70%，利用Matlab/simulink軟件和AVL Cruise軟件在NEDC工況下進(jìn)行聯(lián)合仿真。將無制動(dòng)能量回收策略作為對(duì)照，仿真結(jié)果如下，NEDC工況如圖8所示，電池SOC變化曲線如圖9所示。

根據(jù)圖9的電池SOC變化曲線可以得到，無控制策略的電池SOC終值為66.11%，有控制策略的電池SOC終值為67.09%。在純電動(dòng)商用車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量回收明顯。

4? 結(jié)? 論

在保證制動(dòng)安全的前提下，依據(jù)理想制動(dòng)力分配曲線對(duì)前后輪制動(dòng)力進(jìn)行分配;提出一種制動(dòng)能量回收策略，通過推理出合適的再生制動(dòng)力分配系數(shù)，完成對(duì)驅(qū)動(dòng)軸機(jī)械制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力的分配。

設(shè)計(jì)以制動(dòng)踏板開度和制動(dòng)踏板開度變化率為輸入變量，以再生制動(dòng)力分配系數(shù)為輸出變量模糊控制器，根據(jù)駕駛員對(duì)制動(dòng)踏板的操作，確定再生制動(dòng)力所占的比重。

將控制策略進(jìn)行Matlab/simulink軟件和AVL Cruise軟件的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明，制動(dòng)能量回收效果明顯，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

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作者簡(jiǎn)介：馮海波（1997—），男，漢族，廣西柳州人，碩士在讀，主要研究方向：新能源汽車;通訊作者：許恩永（1982—），男，漢族，山東惠民人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：汽車設(shè)計(jì)。