章 儼 楊義勇 李 亮 李衛(wèi)兵 吳 瓊

1.中國地質(zhì)大學(北京)工程技術(shù)學院，北京,1000832.清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京,1000843.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點實驗室，合肥,230601

0 引言

再生制動是指車輛在減速或剎車的過程中，將汽車行駛的慣性能量通過傳動系統(tǒng)傳遞給電機，電機產(chǎn)生負扭矩從而以發(fā)電的方式工作，產(chǎn)生電流為車載電池充電，從而達到慣性制動能量回收利用的目的，同時產(chǎn)生的電機制動力矩也能為車輛制動提供力矩(甚至在制動強度不太大的情況下可以只靠電機力矩制動)。再生制動可提高車輛的能量利用效率。這既可以減小混合動力汽車對化石能源的依賴度，緩解不可再生能源短缺的問題同時減少環(huán)境污染特別是空氣污染，又可以提高混合動力車輛的續(xù)航里程。由于再生制動的加入，在正常或輕微制動強度時，機械制動可以退出，完全由電機提供制動扭矩，這樣就減小了摩擦片的損耗，有一定的經(jīng)濟效益。

插電式混合動力客車(PHEB)近年來因其更大的電量和更好的公共交通燃油經(jīng)濟性而得到了很好的發(fā)展[1]。PHEB的動力系統(tǒng)一般有3種類型的架構(gòu)，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。其中，混聯(lián)架構(gòu)在靈活的操作模式和驅(qū)動周期的適應(yīng)性方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。同時，再生制動是提高電動車輛(EV)燃油經(jīng)濟性的重要技術(shù)[2]。研究表明，超過一半的能源消耗用于城市道路條件下的制動[3]，并且在典型的城市駕駛循環(huán)中制動能量的60%以上可以被回收[4]。根據(jù)不同的再生策略和結(jié)構(gòu)，燃油效率可以提高19%～40%[5-7]。 對于具有有級變速器的混合動力汽車或電動汽車(如雙離合器變速器(DCT)、自動變速器(AT)和電控機械式自動變速箱(AMT))，當車輛通過電機(EM)制動時，需通過控制方法保持變速器擋位不變，以確保穩(wěn)定性和安全性，直至制動過程結(jié)束[8]。然而，由于電機再生制動最大轉(zhuǎn)矩的影響，當電機提供的最大制動力矩不能滿足駕駛員制動需求時，機械制動彌補的這一部分就造成了再生能量回收的損失，所以，通過降擋來改變電機的工作點以最大化制動能量回收就非常有必要。

制動時換擋不僅可以提高能量回收率，還能提高車輛的再加速性能[9-10]。LI等[11]提出了基于規(guī)則與DP算法的降擋策略，建立了基于實驗數(shù)據(jù)的液壓制動系統(tǒng)(HBS)近似動力學模型，優(yōu)化了換擋時電機扭矩與液壓扭矩的相互補充，并且通過仿真和硬件在環(huán)試驗來驗證其效果。JO等[12]從經(jīng)濟性和舒適性兩方面開發(fā)了AMT降擋優(yōu)化控制策略。RUAN等[13]基于仿真和實驗驗證了2速DCT對電動汽車再生制動能量恢復的影響。另外由于混合動力車輛在制動時有電機參與，不可避免地會對防抱死系統(tǒng)(ABS)產(chǎn)生影響，所以有必要對ABS控制方式進行改進以適應(yīng)與電機制動和機械制動的相互協(xié)調(diào)。陳慶樟等[14]對汽車再生制動與ABS制動系統(tǒng)進行聯(lián)合控制。LI等[15]結(jié)合單軸并聯(lián)混合動力公交車復合制動過程的特點，構(gòu)建車輛縱向動力學的七自由度模型，考慮車輛模型的非線性特性和再生制動系統(tǒng)的效率，采用改進的非線性模型預測控制中的粒子群優(yōu)化算法，優(yōu)化車輪處再生制動系統(tǒng)和氣動制動系統(tǒng)之間的扭矩分配。

為了克服單電機構(gòu)型在換擋過程中不可避免的扭矩損失[11]，提高制動能量的回收效率，本文研究了一種新型的單軸串聯(lián)并聯(lián)動力系統(tǒng)。在單軸平行動力傳動系統(tǒng)的AMT[16-17]的輸出軸上增加了一個額外的電機。與文獻[18]中的一般單軸串并聯(lián)配置(在離合器兩側(cè)裝有兩個電機)不同，這種新型結(jié)構(gòu)的兩個電機安裝在AMT的兩側(cè)。發(fā)動機和兩臺電機滿足駕駛者的動力需求。

1 配置及仿真模型

單軸串并聯(lián)動力系統(tǒng)的原型見圖1。對于只有電機1的并聯(lián)系統(tǒng)，換擋過程中AMT需要斷開與電機1的機械連接，這必然會導致動力中斷，駕駛員的行車體驗變差，能量回收效率降低。本文提出的這種雙電機架構(gòu)的主要優(yōu)點是可以部分甚至完全解決AMT不連續(xù)傳輸造成的換擋過程中動力中斷問題，顯著改善乘客的舒適體驗。在換擋過程中，電動機2繼續(xù)為車輛供電，電機1調(diào)整AMT輸入軸的轉(zhuǎn)速以換擋；而在其他情況下，電機1是為車輛供電的輔助設(shè)備，因此，電機2的功率比電機1的功率大得多。主要部件參數(shù)見表1。

圖1 單軸串并聯(lián)動力總成的原型Fig.1 The prototype of a single shaft series parallel powertrain表1 部件的主要參數(shù)Tab.1 Paramount parameters of the components

發(fā)動機YC6G230N,CNG,6.454L,額定功率170 kW電機1永磁同步電機,最大扭矩為500 N·m,額定功率40 kW,峰值功率60 kW電機2永磁同步電機,最大扭矩750 N·m,額定功率94 kW,峰值功率121 kW電池鈦酸鋰,容量50 Ah傳輸4速AMT,齒輪比為2.92/1.63/1/0.73最終驅(qū)動比率5.571

1.1 車輛縱向動力學模型

采用三自由度車輛模型來說明車輛動力學，包括縱向運動和前后輪轉(zhuǎn)動。當車輛在地面水平運動時，行駛阻力主要來自車輛的滾動阻力和風阻，表達式如下：

(1)

(2)

車輛縱向動力學總阻力

Fre=Ff+Fw

(3)

(4)

式中，F(xiàn)x1、Fx2分別為前輪和后輪受到的地面阻抗力。

前后輪的旋轉(zhuǎn)運動公式如下：

(5)

式中，ω1、ω2分別為前后輪角速度；J1、J2分別為前后輪的轉(zhuǎn)動慣量；Tb1、Tb2分別為前后輪氣動制動轉(zhuǎn)矩；Tr為再生制動轉(zhuǎn)矩。

同時整車模型中還考慮了制動時載荷的轉(zhuǎn)移問題，對前后輪接地點取矩，前后輪的垂向力表示如下：

(6)

(7)

式中，F(xiàn)z1、Fz2分別為前后輪垂直力；L為前輪到后輪的縱向距離；hg為車輛重心到地面的垂直距離；a為車輛重心到前軸的縱向距離；b為車輛重心到后軸的縱向距離。

縱向輪胎力由魔術(shù)公式(magic formula，MF)輪胎模型[19]計算，表達式為

Fxi=FzDsin(Carctan(Bδ-E(Bδ-arctan(Bδ))))

(8)

式中，δ為縱向滑移率；D為峰值系數(shù)；C為形狀系數(shù)；B為剛度系數(shù)；E為曲率系數(shù)。

1.2 電機與AMT模型

電機的動態(tài)特性不是研究重點，所以可以將它簡化為一階時間延遲模型[20]：

(9)

就電機而言，它們可以作為發(fā)電機和電動機工作，因此可寫為

(10)

其中，PEM為電機功率；當TEM>0時，電機作為電動機工作，反之則作為發(fā)電機工作；ωEM為電機角速度；ηEM為電機效率，表示EM處于發(fā)電模式時的效率，其倒數(shù)表示驅(qū)動模式下的效率，并且它們的值都可通過對電機穩(wěn)態(tài)效率MAP圖(圖2、圖3)插值得到。

圖2 電機1 MAP圖Fig.2 Efficiency MAP of motor 1

圖3 電機2 MAP圖Fig.3 Efficiency MAP of motor 2

AMT的典型換擋過程可分為電機轉(zhuǎn)矩降低、脫擋、上擋、電機轉(zhuǎn)矩恢復4個階段。在第一階段，電機1在降擋時開始降低其轉(zhuǎn)矩。在第二和第三階段中，換擋馬達將撥叉驅(qū)動到目標位置。在第四階段，電機1開始恢復其制動扭矩。在第二、第三階段缺少電機1制動力的情況下，由電機2補充，若是仍然不能達到所需求制動力，則由機械制動力參與補充。再生制動轉(zhuǎn)矩的表達式為

Tr=TEM1i0/η0+TEM1i0ig/(η0ηT)

(11)

(12)

式中，i0、ig分別為輪邊傳動比和AMT傳動比；η0、ηT分別為輪邊傳動效率和AMT傳動效率;rw為車輪半徑。

1.3 電池模型與氣壓制動系統(tǒng)模型

本文不考慮溫度對電池的影響，重要參數(shù)(開路電壓、充電電阻和放電電阻)的特性如圖4所示[21]。考慮到電池的健康狀況，假定荷電狀態(tài) (SOC)[22]在0.50～0.75范圍內(nèi)。

圖4 電池重要參數(shù)與SOC之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between some parameters and SOC

從圖4中可以看出，當SOC從0.5變化到0.75時，參數(shù)變化不大，所以將它們視為常數(shù)是合理的。電池簡化模型見圖5，等效電路由電壓源和內(nèi)部電阻組成，表達式如下：

(13)

式中，Ubat、Rbat、Qbat分別為開路電壓、內(nèi)部電阻、電池容量；Pbat為電池充電功率。

本文利用SOC的增量或變化率來評估再生效應(yīng)。

在制動過程中，應(yīng)調(diào)整氣壓制動系統(tǒng)(PBS)來補償電機制動轉(zhuǎn)矩，以保證整個制動轉(zhuǎn)矩最大。在本文中，制動力矩的動態(tài)調(diào)整并不是主要關(guān)注的問題，因此不考慮氣動壓力特性，則PBS響應(yīng)模型簡化為

(14)

1.4 發(fā)動機模型

發(fā)動機的主要問題是它的燃料消耗和運行效率，通過制造商提供的準靜態(tài)圖可獲得發(fā)動機制動比燃料消耗(BSFC)，本文在建立發(fā)動機模型時忽略其遲滯和振動等瞬態(tài)特性，將其視作動力輸出的執(zhí)行部件。發(fā)動機模型如下：

(15)

式中，Qg為發(fā)動機每秒的燃料消耗量,mL/s；Pe為發(fā)動機功率，kW；be為發(fā)動機的燃料消耗率，g/(kW·h)，可通過Pe和發(fā)動機轉(zhuǎn)速獲得；ρCNG為CNG密度,kg/L。

BSFC和發(fā)動機外特性曲線見圖6。

圖6 發(fā)動機BSFC圖Fig. 6 BSFC map of engine

2 實時優(yōu)化制動能量回收策略

再生制動過程中的降擋是一個復雜的過程，涉及最佳降擋點的計算、再生和液壓制動扭矩的分配以及電機和混合動力整車控制器(HCU)的協(xié)調(diào)控制，必須考慮制動和計算中的不確定性以確定最佳降擋點，并且考慮再生制動和液壓制動的分配隨著車輛速度和制動強度而變化。

2.1 制動過程中降擋的優(yōu)勢

在再生制動過程中降擋可提高再加速性能和增加再生能量。一般情況下是制動過程中擋位保持不變，此時車輛制動后擋位較高，速度較低，加速性能不理想。如果AMT在制動過程中降擋，則不會發(fā)生這種情況。同時，如果AMT正常降擋，則節(jié)能效果將會明顯提高[11]。

2.2 換擋策略設(shè)計

由于雙電機的混合動力混聯(lián)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)比較復雜，為了使所提出的算法能在行車過程中快速給出當前所需要的擋位，故本文采用了基于規(guī)則的策略?；谝?guī)則的策略的原則是在當前條件下選擇具有最大再生效果的擋位，其計算量小，適用于實時控制，換擋邏輯設(shè)計如圖7所示。首先，獲取車輛的當前狀態(tài)，包括車輛速度v、制動程度z、擋位i、電池的SOC值SSOC等，如果車速或制動程度為零，則制動過程結(jié)束；然后，根據(jù)第1節(jié)中的車輛電流狀態(tài)和方程，可以得到當前條件下SOC的變化率，同時計算在較低擋位條件下SOC的變化率，如果當前擋位的SOC變化率最大，則AMT保持當前的擋位，否則AMT轉(zhuǎn)換到SOC最大變化率的擋位。對于換擋過程中電機1需要暫時退出制動并由液壓制動補充的問題，由于本文采用的仿真工況時間較長，而換擋過程一般時間只持續(xù)0.1～0.2 s，所以將其影響忽略不計。

圖7 換擋邏輯圖Fig.7 Rule-based downshifting strategy flow chart

3 仿真分析

為了驗證所提出策略的有效性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下進行仿真分析。仿真所采用的設(shè)計車輛部分參數(shù)見表2。

仿真駕駛公交工況如圖8所示。電池SOC曲線對比如圖9所示(基準SOC曲線代表車輛行駛過程中只進行行車充電而不進行制動能量回收)。由圖9可知，在長下坡工況條件下，由于換擋策略的減速過程中進行了降擋，電機1的工作點更多地集中在高效率區(qū)，提高了制動能量回收的效率，從而提高了電池SOC。非換擋策略下的最終電池SOC值為52.75%，而使用換擋策略在跑完駕駛工況后SOC值為53.3%。對比不回收制動能量的基準SOC曲線(51.03%)，非換擋策略SOC提高了1.72%，而換擋條件下SOC提高了2.27%，后者比前者要高效31.98%。3種策略最終SOC和百公里電耗對比見表3。

表2 整車模型部分參數(shù)Tab. 2 Part parameters of the HEV

圖8 仿真公交工況Fig.8 Simulation bus conditions

圖9 電池SOC對比曲線Fig.9 BatterySOC Comparison Curve

表3 百公里電耗及SOC對比Tab.3 power consumption per 100Km and SOC comparison

圖10 不換擋條件下的車速跟隨與扭矩分配曲線Fig.10 Speed-following and torque distribution curves without shifting

圖11 換擋條件下扭矩分配曲線Fig.11 Speed-following and torque distribution curves with shifting

換擋和不換擋條件下的車速跟隨與扭矩分配曲線分別見圖10和圖11。由圖10和圖11可以看出，兩種策略的車速曲線幾乎重合。對比兩種策略的扭矩分配曲線可知，換擋使得電機1工作點發(fā)生變化，從而提高了效率，由圖11的扭矩分配可明顯看到，電機1(AMT換擋時影響更大的電機)所占的比例更大，也從另一面反映了換擋使得能量回收效率提高。表4所示為3種策略下折算后的百公里油耗對比，可以看到普通制動能量回收策略下能節(jié)省26.89%的油耗，而換擋策略應(yīng)用后節(jié)油率達31.42%，高于我國所制定的25%。

表4 百公里油耗對比Tab.4 100 km fuel consumption comparison

圖12所示為兩種策略下電機1的工作點，可更直觀地看出兩種策略下電機1的工作效率。由圖12可以看出，在換擋策略下，電機1在制動回收能量時(電機轉(zhuǎn)矩小于零)，其工作點能集中發(fā)生在高效區(qū)，可有效提高工作效率，回收更多的制動能量，避免能量浪費。結(jié)合圖11的扭矩分配曲線，電機1的扭矩在換擋策略下工作的扭矩更大，時間更長，可回收更多的制動能量。

(a)非換擋策略

(b)換擋策略圖12 兩種策略下電機1的工作點對比Fig.12 Comparison of EM1 operating points under two strategies

4 結(jié)語

本文綜合考慮了城市公交工況的特點及基于AMT的雙電機混聯(lián)的特點，建立了基于雙電機混聯(lián)的簡化車輛運動學模型，分析了非緊急制動情況下降擋所帶來的優(yōu)勢，并基于雙電機設(shè)計了基于規(guī)則的能量回收策略，最后通過仿真工況給出了不同策略下的百公里油耗，換擋策略比不換擋策略節(jié)油率提高了16.8%。結(jié)果表明，所提出的策略不但更好地匹配了動力系統(tǒng)，且整車的能量回收率也得到了綜合優(yōu)化。