麥明珠

摘 要：文章主要對(duì)混合動(dòng)力汽車在驅(qū)動(dòng)循環(huán)下的實(shí)際工作特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并以傳統(tǒng)汽車制動(dòng)理論為基礎(chǔ)，探究了制動(dòng)安全性和高效制動(dòng)能量回收情況。提出了較為有效的混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)控制策略。同時(shí)對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行了系統(tǒng)建模以及程式驅(qū)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表示目前符合制動(dòng)汽車的分配策略能夠更好地符合車輛動(dòng)力要求，提升能量使用效率。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 建模 仿真

1 引言

混合動(dòng)力汽車中采用了不同的動(dòng)力裝置，其中主要有內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行過程中可以通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)儲(chǔ)能裝置的有效時(shí)間控制和能量分配提升能量使用效率。其主要特點(diǎn)在于當(dāng)車輛減速和制動(dòng)時(shí)，車輛的動(dòng)能通過電動(dòng)機(jī)發(fā)電的形式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)性能，在電能儲(chǔ)存的過程中實(shí)現(xiàn)能量回收，既實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)和減速，又有效降低整車的耗能，降低燃油消耗。

2 混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)分析

在混合動(dòng)力汽車中不但有液壓制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)也包含再生制動(dòng)系統(tǒng)，再生制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中會(huì)依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電來運(yùn)行，可以將制動(dòng)過程中汽車動(dòng)能勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，在電池中儲(chǔ)存。大部分情況下再生制動(dòng)系統(tǒng)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)都處于運(yùn)行狀態(tài)，一同向汽車提供動(dòng)能，因而混合動(dòng)力汽車制動(dòng)系統(tǒng)屬于復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，需要對(duì)其進(jìn)行一定的系統(tǒng)控制。在混合動(dòng)力汽車中運(yùn)用制動(dòng)技術(shù)時(shí)還需要控制其保持最佳制動(dòng)能量回收效率。另外，為了提升混合動(dòng)力汽車制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，液壓制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，避免互相影響，此時(shí)一旦再生制動(dòng)系統(tǒng)存在內(nèi)部故障，可通過液壓制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)完成制動(dòng)需求。

3 再生制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)行機(jī)理

車輛內(nèi)部制動(dòng)系統(tǒng)主要分為制動(dòng)控制器、再生制動(dòng)控制器和液壓控制器。汽車在實(shí)際制動(dòng)中，內(nèi)部制動(dòng)踏板單元傳感器檢測(cè)踏板行程會(huì)將其轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，并將其傳輸給車輛內(nèi)部制動(dòng)器，進(jìn)而結(jié)合設(shè)定好的制動(dòng)力分配進(jìn)行控制計(jì)算，得出前輪、后輪制動(dòng)力，并將相關(guān)信號(hào)分別傳遞給再生制動(dòng)控制器與液壓制動(dòng)控制器。

再生制動(dòng)控制器通過和電機(jī)控制器合并能夠更好地調(diào)節(jié)再生制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部所需要的制動(dòng)力;而液壓制動(dòng)控制器則可以通過調(diào)整電磁比例閥的情況調(diào)節(jié)前后輪制動(dòng)液，對(duì)前后輪制動(dòng)液制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，混合動(dòng)力汽車內(nèi)部系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可通過傳感器實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)內(nèi)部的不同零件參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際制動(dòng)需求調(diào)整制動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài);其優(yōu)勢(shì)主要在于能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)，即在車輛進(jìn)行降速或制動(dòng)時(shí)能夠確保車輛的性能，同時(shí)通過車輛動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，使其轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于電池中，從而更好地回收能量。

4 再生制動(dòng)系統(tǒng)控制策略

4.1 仿真模型建立及模型原理

文章以某輕度混合動(dòng)力轎車為研究對(duì)象，并結(jié)合車輛的不同行駛情況和路面抓地條件，通過Advisor軟件進(jìn)行了車輛制動(dòng)力學(xué)仿真模型建立，在仿真模型中涵蓋了蓄能器再生能量、馬達(dá)損耗、變量泵、變速機(jī)構(gòu)損耗、空氣阻力損耗以及滾動(dòng)阻力損耗等相關(guān)仿真模型數(shù)據(jù)，具體參數(shù)如表1所示：

在仿真模型實(shí)驗(yàn)中，提出了較為實(shí)用的車輛制動(dòng)能量回收策略，從而實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力汽車的建模與仿真，使車輛能源消耗得到有效證實(shí)，為混合動(dòng)力再生系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考依據(jù)[1]。整車仿真模型圖如圖1：

4.2 仿真結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)主要以輕度混合動(dòng)力汽車為基礎(chǔ)，汽車啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)和直流機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)輪直接相連，汽車電機(jī)在實(shí)際工作過程中可以結(jié)合汽車的行駛條件進(jìn)行工作模式的隨意變換?；旌蟿?dòng)力汽車制動(dòng)過程中減速不但可以進(jìn)行摩擦制動(dòng)，還可以進(jìn)行電機(jī)再生制動(dòng)，在產(chǎn)生制動(dòng)感應(yīng)時(shí)液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)都會(huì)參與到制動(dòng)過程中進(jìn)行協(xié)調(diào)制動(dòng)[2]。

下面以30km/h初始車速為例，針對(duì)其小強(qiáng)度制動(dòng)及中等強(qiáng)度制動(dòng)工況的仿真結(jié)果進(jìn)行分析（路面附著系數(shù)為0.7）：

（1）小強(qiáng)度制動(dòng)情況下仿真結(jié)果如圖2、圖3，其制動(dòng)模式為輕度制動(dòng)（a<1m/s2）時(shí)，參數(shù)仿真曲線如下：

通過該仿真結(jié)果能夠看到，在車輪滑移率相對(duì)較小的時(shí)候并沒有出現(xiàn)車輪抱死情況。在此作用下，電機(jī)制動(dòng)力矩和液壓制動(dòng)力矩可以在控制策略作用下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，能夠滿足穩(wěn)定制動(dòng)的需求。在整個(gè)制動(dòng)中，電機(jī)作為施加力矩的主要?jiǎng)恿碓?，而液壓制?dòng)力矩則起到輔助制動(dòng)作用，當(dāng)車速達(dá)到最低穩(wěn)定車速后，由于電機(jī)不再持續(xù)回收制動(dòng)能量，也就停止了制動(dòng)力的施加，停車制動(dòng)力矩轉(zhuǎn)而由液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供。在這一過程中，回收能量約為22513J。

（2）中等強(qiáng)度制動(dòng)情況下仿真結(jié)果如圖4、圖5，其制動(dòng)模式為中等強(qiáng)度制動(dòng)（1m/s2

通過仿真圖像可以看到，在車輪滑移率相對(duì)較小的情況下，同樣未出現(xiàn)車輪抱死，此時(shí)仍在電機(jī)制動(dòng)力矩以及液壓制動(dòng)力矩控制策略下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)穩(wěn)定性要求。在最初制動(dòng)階段，制動(dòng)力矩的施加主要由電機(jī)提供，但相比小強(qiáng)度制動(dòng)其回收的能量要少一些。產(chǎn)生這一結(jié)果主要是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下電機(jī)能夠提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較有限，因而難以滿足駕駛員的制動(dòng)需求，此時(shí)就要求液壓制動(dòng)力矩參加制動(dòng)過程，從而導(dǎo)致回收能量降低。

綜合以上情況，想要進(jìn)一步提升汽車制動(dòng)能量回收效率，符合汽車這個(gè)安全性需求，就需要對(duì)車輛制動(dòng)能量進(jìn)行有效分配，也就是對(duì)車輛制動(dòng)力進(jìn)行相應(yīng)的分配，調(diào)節(jié)汽車的再生制動(dòng)，摩擦制動(dòng)控制協(xié)調(diào)性。若不考慮滾動(dòng)阻力，空氣阻力和坡道阻力的影響，汽車的減速主要是由制動(dòng)力F1、F2提供，則：

F1+F2=m du/dt （1）

式中，F(xiàn)1為前輪產(chǎn)生的制動(dòng)力;F2為后輪產(chǎn)生的制動(dòng)力;m 為汽車整備質(zhì)量;du/dt為汽車減速度。在汽車制動(dòng)過程中，前后輪所受法向反力為：

FZ1=（G+m du/dthg）/L （2）

FZ2=（G-m du/dt*hg）/L （3）

式中，F(xiàn)Z1、FZ2分別為地面對(duì)前輪、后輪的法向反作用力，G為汽車所受重力。在仿真建模實(shí)驗(yàn)中，混合動(dòng)力汽車各工況下制動(dòng)消耗能量與總能量的對(duì)比關(guān)系如表2所示：

在對(duì)程式內(nèi)部驅(qū)動(dòng)循環(huán)分析后可以得出，滿足汽車制動(dòng)安全性的基礎(chǔ)上可以重新調(diào)節(jié)汽車前后輪驅(qū)動(dòng)力，而汽車主要是在較小的制動(dòng)強(qiáng)度下進(jìn)行減速，在不同程式驅(qū)動(dòng)循環(huán)下其制動(dòng)強(qiáng)度也各不相同。車輛使用的啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)最大制動(dòng)扭矩為45N每米，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的影響可以得知，不同檔位下汽車內(nèi)部電機(jī)的最大轉(zhuǎn)距會(huì)隨著車速變化而變化，程式內(nèi)部驅(qū)動(dòng)循環(huán)下車速會(huì)普遍較低，在絕大部分情況下汽車會(huì)處于較低檔位運(yùn)行時(shí)這使其制動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)逐漸下降，所以混合動(dòng)力汽車內(nèi)部制動(dòng)力的分配需要盡可能地利用電機(jī)制動(dòng)力來促使能量大范圍回收，在不同制動(dòng)強(qiáng)度下，動(dòng)力分配可以按照制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行再生制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真結(jié)果表示在混合動(dòng)力汽車內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)循環(huán)下可以使用合理的再生控制策略，從而使車輛在運(yùn)行過程中制動(dòng)力得到有效分配，不但能夠提升制動(dòng)安全性，同時(shí)也能夠提升車輛的能源回收率，具有較好的使用價(jià)值。

基金項(xiàng)目：廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目（2019GKQNCX93）。

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