李博溪，譚立真

Li Boxi，Tan Lizhen

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）具有節(jié)能、環(huán)保等方面的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在制動(dòng)能量的回收與利用。制動(dòng)能量回收就是將汽車制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能（下坡時(shí)為動(dòng)能和勢能）轉(zhuǎn)化為其他形式的能量[1]儲(chǔ)存起來再利用。研究表明，城市路況下汽車由于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，消耗大約 50%的牽引能量[2-3]，而有效的制動(dòng)能量回收策略可將汽車行駛里程延長10%～30%[4]。

文獻(xiàn)[5]針對前輪驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)汽車，提出了一種前、后輪制動(dòng)力分配控制策略；文獻(xiàn)[6]針對具有雙軸雙電機(jī)四驅(qū)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車，設(shè)計(jì)了一種基于 I曲線的制動(dòng)力分配策略。這些控制策略可實(shí)現(xiàn)一定的能量回收，但具有一定的局限性，對于客車或貨車，在空載制動(dòng)過程中踏板力逐漸加大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)前輪沒有抱死而后輪先抱死的不安全情況。

傳統(tǒng)汽車前、后輪制動(dòng)力分配按滿載情況分配。通過載荷狀態(tài)識別，合理分配制動(dòng)力，汽車在輕載或中載時(shí)比滿載可以分配更多的電機(jī)制動(dòng)力，進(jìn)而回收更多的制動(dòng)能量，同時(shí)也提高了制動(dòng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]詳盡描述了汽車載荷狀態(tài)識別的基本思想。文中根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)力、加速度以及車速估算汽車當(dāng)前質(zhì)量，提出了基于載荷狀態(tài)識別的HEV（公交車）并聯(lián)式制動(dòng)能量回收策略。

1 載荷狀態(tài)識別

載荷狀態(tài)識別的基本思想：在汽車起步加速時(shí)，依據(jù)汽車車輪驅(qū)動(dòng)力、加速度以及車速估算汽車當(dāng)前質(zhì)量。整車加速度和車速由車載傳感器采集獲得。車輪處的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)主電機(jī)轉(zhuǎn)矩TPM、ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩TISG、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Te和離合器狀態(tài)Sc計(jì)算得到，如式（1）。

式中，i0為主減速器傳動(dòng)比，η為傳動(dòng)效率，r為車輪半徑，J1為發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J2為主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J3為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，we為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度，wPM為主電機(jī)角速度，wwh為車輪角速度。

由汽車?yán)碚揫8]知識可知汽車在t時(shí)刻的行駛方程式如式（2）。

在汽車驅(qū)動(dòng)力、車速、加速度已知的條件下，式（2）存在2個(gè)未知量，即m和α，求該未知量，僅需 2個(gè)方程，即可利用 t-1、t-2 時(shí)刻的方程來求解，具體如式（3）、式（4）所示。

為了保證整車質(zhì)量估算值在合理范圍內(nèi)，對識別結(jié)果m進(jìn)行判斷，如果不在合理范圍內(nèi)，則采用上一次識別的結(jié)果。文中整車質(zhì)量估計(jì)的精度要求不是很高，所需要的載荷信息只需輕載、中載和滿載3種狀態(tài)。當(dāng)m1≤m≤m2時(shí)，判斷為輕載；當(dāng)m2≤m≤m3時(shí)，判斷為中載；當(dāng)m3≤m≤m4時(shí)，判斷為滿載。

2 制動(dòng)能量回收策略

在制定制動(dòng)能量回收策略時(shí)，需要考慮各種約束條件。當(dāng)SOC（State of Charge，電池荷電狀態(tài)）值過高或車速低于 10km/h時(shí)不進(jìn)行能量回收，同時(shí)制動(dòng)力分配需滿足 ECE（Economic Commission of Europe，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)）制動(dòng)法規(guī)的要求。

在滿足約束條件時(shí)，制定的策略為：針對并聯(lián)式前驅(qū)HEV，首先對前、后輪制動(dòng)力進(jìn)行分配，在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能多地把制動(dòng)力分配在前輪；再對前輪電機(jī)制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力進(jìn)行分配，在滿足電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的前提下，盡可能多地把制動(dòng)力分配給電機(jī)制動(dòng)力。

2.1 前、后輪制動(dòng)力分配

針對汽車不同的載荷狀態(tài)，基于I曲線合理分配前、后輪制動(dòng)力，并保證將總制動(dòng)力盡可能多地分配給前輪；同時(shí)，由于電機(jī)所能發(fā)出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩有限，只能盡可能多地把前輪制動(dòng)力分配給電機(jī)制動(dòng)力，其他的制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)力提供。

理想前、后輪制動(dòng)力分配關(guān)系如式（5）所示。

式中，F(xiàn)u1為前輪制動(dòng)力，F(xiàn)u2為后輪制動(dòng)力，m為整車質(zhì)量，hg為汽車質(zhì)心高度，b為汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離，L為軸距。

在實(shí)際中汽車前后制動(dòng)力按一固定比值分配，常用前制動(dòng)力與汽車總制動(dòng)力的比值表示，符號為β，如式（6）所示。

則可得式（7）。

當(dāng)汽車載荷狀態(tài)識別為滿載時(shí)，前、后輪制動(dòng)力分別按照比例系數(shù)β分配；當(dāng)汽車載荷狀態(tài)識別為中載、輕載時(shí)，前、后輪制動(dòng)力分別按照比例系數(shù)β1、β2分配，如圖1所示。

2.2 電機(jī)制動(dòng)力分配

制定制動(dòng)力分配策略，目的是在保證汽車制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能地提高電機(jī)制動(dòng)力的比例。

所研究車型為并聯(lián)式前驅(qū)混合動(dòng)力汽車，電機(jī)制動(dòng)力施加在前軸處，電機(jī)制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力之間以固定比分配，引入電機(jī)制動(dòng)力分配系數(shù)βreg。

式中，F(xiàn)reg為前軸電機(jī)制動(dòng)力，F(xiàn)bff為前軸機(jī)械制動(dòng)力。

汽車的總制動(dòng)力為

式中，F(xiàn)b為整車的總制動(dòng)力，F(xiàn)u2為后軸的機(jī)械制動(dòng)力。

3 仿真結(jié)果與分析

選擇中國典型城市公交循環(huán)路況作為仿真工況，如圖 2所示。中國典型城市公交循環(huán)路況是由中國汽車技術(shù)研究中心制定的城市公交車運(yùn)行工況，具有典型性。根據(jù)提出的制動(dòng)能量回收策略，基于載荷狀態(tài)識別，同時(shí)考慮電池 SOC、車速及ECE法規(guī)的要求，以某型并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)公交車為例，在Matlab/Simulink中建立相應(yīng)的仿真模型。

以中國典型城市公交循環(huán)為循環(huán)工況，設(shè)計(jì)整車質(zhì)量變化規(guī)律如下：初始時(shí)刻整車和駕駛員質(zhì)量為11600 kg，在115s 時(shí)整車質(zhì)量變?yōu)?3000 kg，在300 s時(shí)整車質(zhì)量變?yōu)?4500 kg，在400 s時(shí)整車質(zhì)量變?yōu)?15500 kg，在560 s時(shí)整車質(zhì)量變?yōu)?8000 kg，在750 s時(shí)整車質(zhì)量變?yōu)?6500 kg，在920 s時(shí)整車質(zhì)量變?yōu)?5000 kg。當(dāng)11500 kg≤m≤14000 kg時(shí)，判斷為輕載；當(dāng)14000 kg≤m≤16000 kg 時(shí)，判斷為中載；當(dāng)16000 kg≤m≤20000 kg時(shí)判斷為重載。載荷狀態(tài)識別仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖 3仿真結(jié)果中可以看出：識別得到的載荷狀態(tài)可以反映整車質(zhì)量的變化，載荷識別結(jié)果分為 3個(gè)階層，分別為輕載、中載及重載，載荷識別效果良好。同時(shí)看到：載荷狀態(tài)識別產(chǎn)生延遲，這是由于起步時(shí)刻與識別時(shí)刻具有時(shí)間差，但是該延遲不會(huì)影響控制策略。

分別按照無制動(dòng)能量回收策略、無載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略和有載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 4所示。

從圖4的仿真結(jié)果中可以看出：在中國典型城市公交循環(huán)工況下，有載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略電池SOC的值>無載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略電池SOC的值>無制動(dòng)能量回收策略電池SOC的值，進(jìn)而也可以看出有載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略所回收的能量更多。

有載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略、無載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略的制動(dòng)能量回收率見表1。從表1中可以看出，有載荷狀態(tài)識別的制動(dòng)能量回收策略其制動(dòng)能量回收率更高，為35.6%，提高了9.6%，從而驗(yàn)證了文中制動(dòng)控制策略的正確性與優(yōu)越性。

表1 制動(dòng)能量回收率

4 結(jié) 論

針對并聯(lián)式前驅(qū)HEV的制動(dòng)能量回收控制系統(tǒng)，基于載荷狀態(tài)識別，合理分配車輪前、后制動(dòng)力及前輪電制動(dòng)力、機(jī)械制動(dòng)力，制定了制動(dòng)能量回收控制策略。在此基礎(chǔ)上建立了制動(dòng)能量系統(tǒng)的仿真模型，并在Matlab/Simulink中進(jìn)行了仿真分析。通過仿真分析，驗(yàn)證了制動(dòng)力分配策略的可行性，且在該策略下車輛具有較高的能量回收率。

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