尤富儀 朱倩倩

江蘇省連云港工貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省連云港市 222006

當(dāng)前，在貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、提倡綠色低碳出行的背景下，各個(gè)國(guó)家將綠色汽車(chē)電子納入重要發(fā)展方向。面臨能源短缺和環(huán)境問(wèn)題，如何利用新能源、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是當(dāng)前研究者關(guān)注的重點(diǎn)。在新能源汽車(chē)行業(yè)領(lǐng)域，混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)也引起了世界各國(guó)的重視。從研發(fā)方向角度看，新能源汽車(chē)主要由純電動(dòng)汽車(chē)（EV）、混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）、燃料電池汽車(chē)（FEV）組成，三者具有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。從純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)看，基于電能驅(qū)動(dòng)技術(shù)的支持，此類(lèi)汽車(chē)極為環(huán)保和節(jié)能，但是受限于技術(shù)層面、配套設(shè)施因素的限制，阻礙了純電動(dòng)汽車(chē)的持續(xù)發(fā)展。對(duì)于燃料電池汽車(chē)，將氫作為主要燃料，而這一能源不僅清潔高效，還可以通過(guò)不同途徑獲取燃料，但受限于燃料制取技術(shù)，制取氫燃料需要多種能源的支持，對(duì)環(huán)境危害程度較大，制氫也需耗費(fèi)大量成本，制約了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。與前兩者相比，混合型電動(dòng)汽車(chē)擁有多種能量轉(zhuǎn)換器，其不僅保持了傳統(tǒng)汽車(chē)功率大、能量比高的優(yōu)勢(shì)，還能實(shí)現(xiàn)低碳排放?；诖耍疚暮?jiǎn)要介紹混合動(dòng)力汽車(chē)分類(lèi)，分析汽車(chē)再生制動(dòng)控制策略，提出CVT插電式混合動(dòng)力汽車(chē)再生制動(dòng)控制策略。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)的分類(lèi)

1.1 串聯(lián)式（SHEV）

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，其擁有最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，利用發(fā)電機(jī)設(shè)備、電動(dòng)機(jī)設(shè)備功能即可正常運(yùn)行。從發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理看，其通過(guò)在內(nèi)部產(chǎn)生電能，支持電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于溢出的輸出電能，則會(huì)被儲(chǔ)蓄在電池模塊。由此，要想使車(chē)輛正常被驅(qū)動(dòng)，不能只調(diào)用發(fā)動(dòng)機(jī)部件的功能，要在前者的驅(qū)動(dòng)下，使得發(fā)電機(jī)開(kāi)始進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，這也反映出此類(lèi)汽車(chē)僅具備電機(jī)驅(qū)動(dòng)一種模式?；谶@一種汽車(chē)的特點(diǎn)，其已經(jīng)在公共汽車(chē)、重型運(yùn)輸卡車(chē)上得到了應(yīng)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組的支持下，能夠延長(zhǎng)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)較短續(xù)駛里程，受能量轉(zhuǎn)換形式的限制，需要較大的電動(dòng)機(jī)功率，存在成本高、效率低的問(wèn)題。

1.2 并聯(lián)式（PHEV）

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，其驅(qū)動(dòng)源由電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)組成。在不同工況下，車(chē)輛可以選擇單獨(dú)采用一種（發(fā)電機(jī)/電機(jī)）或共同使用兩種進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)不同的方式實(shí)現(xiàn)能量傳輸，這一結(jié)構(gòu)擁有多種優(yōu)勢(shì)，不僅能夠疊加電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，提高車(chē)輛性能表現(xiàn)，還能使動(dòng)力輸出方向處在控制狀態(tài)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率處在平穩(wěn)運(yùn)行水平上。在這一類(lèi)車(chē)輛上，由于不僅具有一種動(dòng)力源，可以根據(jù)功率數(shù)值，合理選取發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)，甚至能交替使用，有效控制了成本。但由于系統(tǒng)構(gòu)架的制約影響，并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)不支持調(diào)速功能，需要再搭載變速器。

1.3 混聯(lián)式（PSHEV）

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)，這一類(lèi)汽車(chē)身上匯集了串聯(lián)式、并聯(lián)式優(yōu)點(diǎn)，折舊額使其具備了兩種不同的工作模式。所以，整車(chē)控制器根據(jù)車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行工況，科學(xué)置換或調(diào)整任意一種工作模式，使得電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到高峰值，這樣就能大大提高燃油燃燒效率，避免大量污染物被排出。在PHEV中，需要精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)支持多種工作模式，其中加載了豐富的構(gòu)成部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高。

2 再生制動(dòng)研究的關(guān)鍵問(wèn)題

混合動(dòng)力汽車(chē)中，車(chē)輛運(yùn)行中可切換再生制動(dòng)系統(tǒng)、傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，由于技術(shù)方法和原理的限制，再生制動(dòng)系統(tǒng)存在一些不穩(wěn)定因素：

2.1 制動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題

車(chē)速、變速器速比等因素，都會(huì)影響電機(jī)制動(dòng)力矩的大小?；谇拜S驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛，若出現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)力矩過(guò)大的情況，容易導(dǎo)致前輪提前抱死現(xiàn)象，不僅會(huì)導(dǎo)致前輪轉(zhuǎn)向能力喪失，還降低了附著利用率延長(zhǎng)制動(dòng)距離，影響了行車(chē)的安全性。對(duì)于驅(qū)動(dòng)在于后軸的情況，類(lèi)似于前面的抱死情況也會(huì)在后輪出現(xiàn)，極大程度上影響了后軸側(cè)滑的穩(wěn)定?；谇昂箅p電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四驅(qū)車(chē)輛，若出現(xiàn)以上任意一種情況，都會(huì)降低行車(chē)安全性，甚至出現(xiàn)交通事故。

2.2 充分回收制動(dòng)能量的問(wèn)題

在保持車(chē)輛原有制動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，合理地回收制動(dòng)能量，稱(chēng)為充分回收能量。再生制動(dòng)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)性過(guò)程，涉及到多個(gè)系統(tǒng)的相互作用。在混合動(dòng)力汽車(chē)中，影響再生能量回收能力的因素有電機(jī)工作特性、電池充電效率、電池SOC等。在車(chē)輛進(jìn)行再生制動(dòng)的過(guò)程中，需要保持較大的制動(dòng)功率，以較短持續(xù)時(shí)間實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，這就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)發(fā)電功率過(guò)高，帶來(lái)急速充電、過(guò)充等現(xiàn)象。這時(shí)，急需合理的控制策略，控制發(fā)電過(guò)程。只有制定正確合理的控制策略，保證再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作效率，才能盡可能地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的充分回收。

2.3 制動(dòng)的平順性問(wèn)題

制動(dòng)平順性，主要由以下兩方面。除了車(chē)輛原本的傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，在融入電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)后，在執(zhí)行制動(dòng)操作時(shí)，很難類(lèi)似于常規(guī)制動(dòng)的感受。因此，保證駕駛?cè)藛T的體驗(yàn)感、整車(chē)運(yùn)行的平順性，必須要對(duì)原有制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。另外，從動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性方面看，液壓制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)的力矩存在差異，在切換制動(dòng)模式時(shí)，為了避免電機(jī)制動(dòng)力（或液壓制動(dòng)力）突變帶來(lái)的汽車(chē)減速突變，需要采取合理的控制方法，提高制動(dòng)過(guò)程中的舒適性。

3 基于CVT下插電式混合動(dòng)力汽車(chē)再生制動(dòng)控制策略

3.1 CVT傳動(dòng)機(jī)理

在傳遞再生制動(dòng)能量的過(guò)程中，變速器占據(jù)著不可或缺的地位，其要按照運(yùn)行機(jī)理傳輸能量，并對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)加以調(diào)整。所以，為保證能量在系統(tǒng)中得到高效傳遞，必須從變速器的扭矩?fù)p失、傳動(dòng)機(jī)理切入展開(kāi)研究。從金屬鋼帶式CVT的部件組成看，有主、從錐輪和金屬鋼帶組。金屬帶包含了兩組鋼環(huán)、數(shù)百個(gè)金屬片，9-11片單個(gè)金屬環(huán)又組成了各組鋼環(huán)。在鋼環(huán)組中，金屬帶不僅對(duì)金屬片運(yùn)動(dòng)方向具有引導(dǎo)作用，還能夠承擔(dān)全部張緊力。承擔(dān)推力作用的是金屬片，以傳遞扭矩。金屬帶式CVT是摩擦式CVT的一種，通過(guò)輸入軸，將動(dòng)力傳輸?shù)浇饘馘F輪上，憑借金屬片與主動(dòng)錐輪產(chǎn)生的摩擦力，金屬片得以運(yùn)動(dòng)，使相鄰金屬片產(chǎn)生推力，再由鋼帶將推力傳遞到動(dòng)錐輪上，動(dòng)錐輪與金屬片產(chǎn)生的摩擦力會(huì)帶動(dòng)從動(dòng)錐輪旋轉(zhuǎn)，動(dòng)輪能夠接收到傳遞來(lái)的扭矩。

3.2 聯(lián)立電池-電機(jī)-CVT最優(yōu)效率模型

除了鋰電池組的充電效率，再生制動(dòng)系統(tǒng)能量回收與CVT傳動(dòng)效率、ISG電機(jī)的發(fā)電效率具有顯著的相關(guān)性。電機(jī)輸出功率攀升至較高水平，也需要電池模塊的大幅度的電能輸出，但此時(shí)充電電流的增加并不帶動(dòng)電池充電效率提高。所以，若出現(xiàn)電池充電電流較大的情況，容易降低電池和電機(jī)的聯(lián)合工作效率。電機(jī)工作效率主要受電機(jī)工作點(diǎn)影響，而調(diào)節(jié)CVT的速比恰好改變了電機(jī)工作點(diǎn)，同時(shí)，再生制動(dòng)量的回收率與CVT自身工作效率存在相關(guān)性。將CVT、電機(jī)和電池視為整體，通過(guò)分析三者之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，CVT速比、電池SOC、系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)影響系統(tǒng)效率，基于三者的工作參數(shù)計(jì)算公式，聯(lián)立電池-電機(jī)-CVT聯(lián)合工作效率的數(shù)學(xué)模型：

在這一仿真模型中，通過(guò)輸入不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩組合，可以擬合不同SOC值下的聯(lián)合工作效率特性曲線、電池-電機(jī)-CVT的聯(lián)合工作效率特性曲線。在圖1中，呈現(xiàn)了SOC為0.7、輸入轉(zhuǎn)速分別為1500r/min和3000r/min的情況下得出的聯(lián)合效率曲線。分析：紅線表示三者聯(lián)合高效工作線，借此，可以根據(jù)再生制動(dòng)的輸入功率，得出對(duì)應(yīng)的目標(biāo)CVT速比。在處于較低的輸入功率下，聯(lián)合效率較低，這是由于在轉(zhuǎn)速一定的情況下，輸入扭矩較低，扭矩降低帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。當(dāng)CVT速比低于1時(shí)，速比帶動(dòng)聯(lián)合效率迅速降低，據(jù)圖可見(jiàn)，此時(shí)的傳動(dòng)效率也在迅速下降，進(jìn)而導(dǎo)致聯(lián)合工作效率呈現(xiàn)出極劇下降趨勢(shì)。由此，基于電機(jī)效率隨轉(zhuǎn)速增加而上升的原理，若輸入轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)聯(lián)合效率也隨之提高。

圖1 電池-電池-CVT聯(lián)合效率曲線（SOC=0.7）

同時(shí)，電池SOC是再生制動(dòng)系統(tǒng)能量回收效率的重要因素，現(xiàn)將系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速為2500r/min，分別計(jì)算不同SOC值，形成了系統(tǒng)的綜合效率（圖2）。其中，在系統(tǒng)效率最高是SOC=0.5時(shí)，電池的充電效率在此時(shí)達(dá)到最高，若SOC出現(xiàn)浮動(dòng)，效率也會(huì)下降。

圖2 電池-電機(jī)-CVT聯(lián)合效率曲線（輸入轉(zhuǎn)速 2500r/min）

根據(jù)圖1圖2發(fā)現(xiàn)，再生制動(dòng)時(shí)，電機(jī)電池的CVT聯(lián)合效率穩(wěn)定在40%-80%區(qū)間，若能調(diào)節(jié)CVT速比，使其維持在較高的工作效率，即可大幅提升再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量回收效率。

3.3 CVT速比控制策略

3.3.1 電機(jī)制動(dòng)力補(bǔ)償策略

變速器傳遞中會(huì)出現(xiàn)功率損失，再生制動(dòng)功率也會(huì)隨之減小。所以，要采取以下分配策略分配制動(dòng)力。其一，理想制動(dòng)力分配策略：基于再生制動(dòng)門(mén)限值的確定，制定理想再生制動(dòng)力分配策略。根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度和電池SOC，了解不同狀態(tài)下液壓系統(tǒng)、電機(jī)需要提供的制動(dòng)力。在前、后輪同時(shí)承擔(dān)制動(dòng)力時(shí)，二者制動(dòng)力的分配是按照I曲線，在前輪制動(dòng)力時(shí)，由電機(jī)輸出最大制動(dòng)力，補(bǔ)償其余制動(dòng)力的是液壓系統(tǒng)；其二，最大能量回收制動(dòng)力分配：若前后輪并未抱死，前軸可以在制動(dòng)時(shí)接受電機(jī)的最大制動(dòng)力分配，最大程度上利用電機(jī)制動(dòng)力，最大化能量回收率；其三，并行制動(dòng)力分配：其主要是基于傳統(tǒng)汽車(chē)固定比例制動(dòng)力分配策略，只需改進(jìn)傳統(tǒng)車(chē)的液壓系統(tǒng)，可以運(yùn)用到插電式混合動(dòng)力汽車(chē)中，不僅成本低、控制策略結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單。基于此，盡管電機(jī)峰值功率會(huì)低于總制動(dòng)功率，但經(jīng)過(guò)變速器后，電機(jī)制動(dòng)功率需要減去變速器損耗的部分。

從功率損耗和能量散溢角度看，車(chē)輛在處于復(fù)雜工況時(shí)，CVT功率會(huì)受制動(dòng)初速度、制動(dòng)強(qiáng)度影響，能量散溢水平在正常范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，CVT能量損耗占比7%-9%，這是由于變速器功率損失導(dǎo)致的，很難最大限度地利用電機(jī)峰值功率，若預(yù)先采用制動(dòng)力分配政策加以解決，能使CVT傳遞的功率足以支持電機(jī)以峰值功率制動(dòng)，提高制動(dòng)能量回收率。

3.3.2 CVT速比控制策略

對(duì)系統(tǒng)的工作點(diǎn)，可以通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)的方式，使其處達(dá)到高效運(yùn)行狀態(tài)，能量回收情況能夠得到改善。在傳統(tǒng)的CVT速比控制策略中，多關(guān)注電池-電機(jī)的聯(lián)合高效。但是，在再生制動(dòng)過(guò)程中，CVT傳動(dòng)效率也會(huì)呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，若直接以常數(shù)計(jì)入CVT傳動(dòng)效率，或直接不計(jì)，不能確保系統(tǒng)達(dá)到高水平工作效率，能量回收效率也是如此。為發(fā)揮CVT的連續(xù)調(diào)速功能，要結(jié)合電池、電機(jī)、變速器在再生制動(dòng)中的高效曲線及綜合效率，制定CVT速比控制策略。在車(chē)輛調(diào)用再生制動(dòng)時(shí)，需要根據(jù)強(qiáng)度需求，把控踏板開(kāi)合度。這樣，在制動(dòng)強(qiáng)度一定和車(chē)速一定的情況下，可以根據(jù)制動(dòng)力分配策略得出電機(jī)的制動(dòng)力，再根據(jù)當(dāng)前車(chē)速、電機(jī)制動(dòng)力，可以得到當(dāng)前的輸入功率。通過(guò)對(duì)照?qǐng)D1和圖2中的紅線，目標(biāo)CVT速比很容易被對(duì)照起來(lái)。這次研究不再按照傳統(tǒng)控制策略，從全面角度分析電池-電機(jī)-CVT聯(lián)合效率，以補(bǔ)償分配形式分配電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)，所以，與源控制策略相比，再生制動(dòng)系統(tǒng)的輸入功率出現(xiàn)了變化，這時(shí)需要修正CVT速比控制策略。通過(guò)采用這樣的方法，模擬車(chē)輛的多種工況條件，并根據(jù)數(shù)據(jù)制作系統(tǒng)高效曲線，得到CVT速比控制曲線。若0.7z為制動(dòng)強(qiáng)度數(shù)值，這時(shí)緊急制動(dòng)是車(chē)輛的狀態(tài)，為使得電機(jī)不再參與再生制動(dòng)，保證制動(dòng)的安全性，可以調(diào)整CVT速比至最??；在車(chē)速低于一定閾值的情況下，為避免電機(jī)轉(zhuǎn)速低于500r/min，影響電機(jī)內(nèi)部運(yùn)行，便于車(chē)輛快速起步，要調(diào)整CVT速比至最大值。所以，圖3中呈現(xiàn)了目標(biāo)CVT速比與制動(dòng)強(qiáng)度、車(chē)速的關(guān)系。由圖發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電機(jī)主動(dòng)力，提高了再生制動(dòng)過(guò)程的系統(tǒng)輸入功率。所以，為維持高效率運(yùn)行的系統(tǒng)狀態(tài)，CVT在相同的制動(dòng)工況下，CVT速比要高于未修正時(shí)的數(shù)值。

圖3 效率投影圖(輸入轉(zhuǎn)速 3000r/min)

3.3.3 速比跟蹤策略

速比控制原理為：主動(dòng)帶輪的實(shí)際位移與目標(biāo)位移存在偏差（數(shù)值e），在PID模塊接收到數(shù)值后，會(huì)將特定信號(hào)傳輸下一個(gè)模塊，使得速比控制閥部分受到影響，其后，就能有效控制主動(dòng)缸內(nèi)的液壓流量，帶動(dòng)主動(dòng)帶輪的位移產(chǎn)生變化，使其向目標(biāo)值趨近，達(dá)到跟蹤目標(biāo)速比的目的。

圖4 CVT速比控制原理框圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換，還能在制動(dòng)中運(yùn)用車(chē)輪，使得電機(jī)產(chǎn)生、輸出電流，供充電電池儲(chǔ)蓄。本文利用構(gòu)建的再生制動(dòng)聯(lián)合工作模型系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)高效工資線，確保電池、電機(jī)和變速器能夠協(xié)調(diào)工作，盡可能地提高能量回收率，并結(jié)合高效工作線制定了CVT控制策略，保證制動(dòng)能量得以最大化回收。