商高高， 歐昌杰， 孫欽云

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

再生制動是將汽車制動時車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能，存儲在電池或電容中，可以再次使用，因而在混合動力汽車的研發(fā)中，再生制動成為一個重要的方向．

研究表明：影響混合動力汽車的再生制動的主要因素有制動控制策略、儲能裝置的性能、再生制動系統(tǒng)的工作效率和使用環(huán)境等．其中，制動控制策略具有決定性的意義［1-2］．

文中以某前輪驅(qū)動的并聯(lián)式混合動力汽車為例，結合相關工程經(jīng)驗和邏輯控制方法，制定再生制動能量管理策略，運用Cruise和Simulink軟件對并聯(lián)式混合動力汽車再生制動控制策略建立模型，進行仿真研究．

仿真結果表明，該控制策略在選定的工況，保證安全性的前提下，能較多地回收制動能量，可為進一步實車研究提供指導和借鑒．

1 PHEV仿真平臺建立

首先利用Cruise建立PHEV整車模型，然后在Simulink下建立控制器模型．

1.1 Cruise整車模型

利用Cruise建立如圖1所示的雙軸并聯(lián)式混合動力汽車仿真模型．

圖1 整車仿真模型

AVL公司開發(fā)的Cruise是用來進行車輛仿真和傳動模擬的軟件，可以研究汽車動力性、燃油經(jīng)濟性、排放性及制動性．靈活的模塊化理念使得Cruise可以進行任意結構形式的建模和仿真，同時完善的算法程序以及與Matlab/Simulink良好的接口功能使其在車輛建模和仿真中具有非常大的優(yōu)勢［3-4］．

1.2 Simulink控制模型

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，可以方便地建立框圖式動態(tài)系統(tǒng)模型，具有直觀、方便、靈活的特點．對于控制算法的開發(fā)和策略研究，Simulink能夠非常直觀和方便地進行模擬和分析．根據(jù)設計的控制策略，利用Simulink建立如圖2所示的控制模型．

圖2 制動力分配控制模型

該模型輸入信號為制動強度、車速、電池SOC和電機所能提供的最大扭矩，輸出信號為制動信號、前輪液壓制動力、后輪液壓制動力和電機需求制動力．模型中ideal distribution子模塊為理想制動力分配模塊，modify子模塊為制動力修正模塊．

1.3 Cruise與Simulink的信號連接

圖3 Cruise與Matlab/Simulink信號通信

Cruise與Matlab/Simulink之間的信號通信是通過Cruiese軟件的Matlab API或是Matlab DLL接口，文中采用Matlab DLL接口．在定義好Simulink控制模型的輸入、輸出向量后，設置系統(tǒng)環(huán)境變量，運行AvlRtwDll_*.exe，在Matlab的命令窗口中運行Install.m，在RTW下生成DLL動態(tài)鏈接庫文件．Cruise中的各個模塊之間的信號是通過數(shù)據(jù)總線 Data-Bus傳遞的．圖 3為 Cruise與 Matlab/Simulink的信號通信．(Z≤0.1)、中等強度制動 (0.1≤Z≤0.7)和緊急制動 (0.7≤Z)．如圖4所示，小強度制動工況時，全部制動力由前軸提供，后軸制動力為0，而前軸上制動力全部由電機提供，以便能盡量多的回收能量．中等強度制動工況時，制動力由前后軸共同提供．在滿足法規(guī)界限的前提下，優(yōu)先使用電機制動，在A點前，前軸制動力全部由電機提供，后軸制動力由液壓摩擦制動提供;在A點電機達到最大制動扭矩后，前軸制動力由電機和液壓摩擦制動共同提供，后軸制動力由液壓摩擦制動提供．緊急制動工況時，由于液壓系統(tǒng)可靠性高，制動力將全部由液壓摩擦制動提供以保證緊急制動時的安全性，整車制動模式為液壓摩擦制動模式．

圖4 制動力分配控制策略曲線

2 控制策略設計

為了充分利用電機的制動能力，盡量多的回收制動能量，制定了在一定范圍內(nèi)提高前軸制動力，并且滿足ECE制動法規(guī)的制動力分配策略．該策略能在保證制動穩(wěn)定性和兼顧駕駛員制動感覺的前提下，充分利用電機的制動能力，最大限度的回收制動能量．

首先根據(jù)制動踏板開度信號、電池SOC信號以及車速信號判定是否采用電機制動，如符合設定的條件再根據(jù)制動強度對制動力進行分配．

將制動強度分為以下3種形式：小強度制動

為了優(yōu)化制動感覺，減少制動模式切換時電機扭矩突變給整車帶來的沖擊，使制動更加平穩(wěn)，在控制策略中，加入了制動力修正模塊．當SOC達到0.8時，給予電機的轉(zhuǎn)矩會隨著SOC值的增加而遞減，減少的部分由液壓摩擦制動提供．圖5為制動力分配控制策略的流程圖，其中，Tm為電機扭矩，Thyd為液壓摩擦制動力，Treq為需求制動力，Tf為前軸制動力，Tr為后軸制動力．

電機制動力修正控制函數(shù)如下

式中：SOCLowLimit值為 0.8;SOCHighLimit值為 0.9;TmModify為修正電機轉(zhuǎn)矩．

再生制動時，電機可提供的最大再生制動轉(zhuǎn)矩是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速信號，結合電機特性信號，通過查表獲得．

圖5 制動力分配控制策略流程圖

3 仿真及結果分析

在Cruise的Matlab DLL模塊中指定前面所生成的DLL文件的位置后，可以進行整車仿真計算，并對控制策略進行驗證和評價．

整車主要參數(shù)見表1．

表1 整車仿真參數(shù)表

電池初始SOC取0.7和0.8，SOC取0.8時用以驗證優(yōu)化制動感覺的控制策略能否實現(xiàn)．所選取的起止車速如表2所示，同時，由于我們的控制策略中分為不同的制動模式，為了驗證控制策略的可行性，在良好平直路面，不同的起止車速條件下，選取小強度、中等制動強度、緊急制動3種典型制動工況對整車再生制動系統(tǒng)進行仿真．

式中：V0為初始SOC對應的充電電壓;V1為結束時SOC對應的充電電壓;C為電池容量．

仿真結果統(tǒng)計如表2所示．

表2 Cruise制動仿真統(tǒng)計表

通過上表可以看出，回收能量的多少與起止車速、制動強度、制動時間、電機均有關．文中設計的再生制動控制策略在各種制動工況下都能滿足法規(guī)要求，總體能量回收效率比較高．

輕度制動時，能量回收率在30%左右，因為此時制動力矩主要由電機施加，制動時間比較長，能量回收充分．當車速從30 km/h降低到0時制動效率較低，這是由于制動初始車速低，而電機低轉(zhuǎn)速時無法提供高的充電電壓造成的［5］．

中度制動時，能量回收率較低，因為制動時間較短，而且液壓制動也占一定比例的緣故．同時發(fā)現(xiàn)，輕度制動和中度制動中，起止車速為50－30 km/h和80－50 km/h時，能量回收率高于對應的其它項目，這是因為電機在低轉(zhuǎn)速時，無法提供高的充電電壓，在較高轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩降低，此起止車速范圍內(nèi)電機提供的轉(zhuǎn)矩較高，能量回收率較高．

緊急制動時，能量回收率為0，說明電機沒有參加制動，符合設計目標．

初始SOC為0.8時，輕度制動的能量回收率比初始SOC為0.7時均低，說明電機施加的力矩減少，符合設計的控制策略，使制動感覺得以優(yōu)化．

5 結論

在Cruise和Simulink聯(lián)合仿真平臺上，實現(xiàn)了根據(jù)制動踏板位置、SOC以及車速，動態(tài)控制再生制動轉(zhuǎn)矩控制策略的仿真．從仿真結果可以看出，提出的并聯(lián)制動控制策略可在保證安全和兼顧駕駛員的制動感覺的前提下較多的回收制動能量．

［1］ GAO Wenzhong， Sachin Kumar Porandla． Design Optimization of a Parallel Hybrid Electric Powertrain［C］． IEEE conference on vheicle power and propulsion，2005：530-535．

［2］ 舒 紅，秦大同，胡明輝，等．輕度混合動力汽車再生制動能量管理策略 ［J］．機械工程學報，2009，45(1)：167-173．

［3］ 喻 皓．基于Cruise的增程式純電動汽車仿真匹配分析 ［J］．機電工程技術，2010，39(8)：28-30．

［4］ 于永濤，曾小華，王慶年，等．混合動力汽車性能仿真軟件的可用性仿真驗證 ［J］．系統(tǒng)仿真學報，2009，21(2)：380-384．

［5］ Cikanek Susan R．Bailey Kathleen E．Energy recovery comparison between series and parallel braking system for electric vehicle using various drive cycles［C］．Advanced Automotive Technologies(DSC)，1995，56：17-31．