胡紅頂，高進，姚勝華

（湖北汽車工業(yè)學院汽車工程學院，湖北十堰 442002）

再生制動能量回收技術(shù)在不提高汽車成本的前提下能有效提高續(xù)航里程，成為純電動汽車研究的重點。串聯(lián)制動因其較高的制動能量回收成為國內(nèi)外主流發(fā)展方向。國外特斯拉model系列、寶馬i3、別克蔚藍6等主流車型均采用基于智能剎車系統(tǒng)的單踏板控制模式，利用最大能量回收串聯(lián)制動策略來提高整車續(xù)航能力。國內(nèi)小鵬P7、蔚來ES8、理想one等車型也逐步采用單踏板模式，部分傳統(tǒng)車企推出的新能源車型如東風嵐圖Free、金康SF5、北汽極狐阿爾法S 等車型則在保留制動踏板的同時，采用滑行、制動結(jié)合的串聯(lián)制動模式最大化回收制動能量。相比于串聯(lián)制動，并聯(lián)制動能量回收效率低，但對傳統(tǒng)機械制動系統(tǒng)改動少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，廣泛應用于各種貨車及傳統(tǒng)車型，如長安星卡、五菱電卡、瑞馳EC31等［1］。文中研究對象為油改電的后驅(qū)型純電動微車，旨在通過仿真技術(shù)制定合理的再生制動控制策略，達到提高整車續(xù)航的目的。在滿足制動穩(wěn)定性，符合相關(guān)法規(guī)，及對車輛開發(fā)成本、周期的考慮，提出基于制動I 曲線的并聯(lián)混合制動策略，分析控制策略對整車續(xù)航能力的貢獻度，根據(jù)制動強度大小對制動力進行分配。整體策略在MATALB/Simulink中完成搭建，并導入Cruise的整車模型中進行聯(lián)合仿真。

1 純電動汽車再生制動系統(tǒng)

1.1 整車制動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

文中的純電動汽車沿用原車4 通道獨立控制的防抱死制動系統(tǒng)（antilock brake system，ABS），前制動器為實心盤式制動器，后制動器為領(lǐng)從蹄式鼓式制動器，制動踏板為吊掛式。仿真時，電機類型為永磁同步電機，電池類型為磷酸鐵鋰電池，整車基本參數(shù)如表1所示。

表1 純電動整車基本參數(shù)

1.2 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

車輛再生制動系統(tǒng)由ABS 系統(tǒng)、整車控制器（vehicle control unit，VCU）、電機控制器（motor con?trol unit，MCU）、電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）等組成。各控制器間采用CAN 總線進行實時信息交互，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

純電動汽車的再生制動是指車輛在減速或制動時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)化為發(fā)動機狀態(tài)，將制動能量轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池內(nèi)已備驅(qū)動時使用的過程［1］。電機的驅(qū)動和制動是由電機控制器內(nèi)脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動單元，進而控制絕緣柵雙極型晶體管完成。以單相電路為例進行說明，再生制動電氣原理如圖2所示，電機的定子繞組簡化為電阻電感電路，T1、T2 為2 個IGBT 器件，C 為濾波電容，D 為二級管。車輛行駛時，T1 打開，T2 關(guān)斷，電流方向如路徑①所示。車輛制動過程分為能耗制動階段和再生制動階段。能耗制動時，T1 關(guān)斷、T2 打開，在電動機反電動勢的作用下，電樞電流逐漸增大，開始儲存能量，電流方向如路徑②所示。再生制動時，T1和T2關(guān)斷，由于電動機電感的作用，電樞電流不能突變，產(chǎn)生較高的電壓通過T1 的續(xù)流二級管D1 向電池組充電，電樞電流逐漸降低，釋放能量，電流方向如路徑③所示［1］。

圖2 再生制動電氣原理圖

2 整車制動力分配

車輛踩下制動踏板后，整車控制器根據(jù)踏板的位置、輪速傳感器的信號以及電機、電池的狀態(tài)，決定如何在前后軸、再生制動以及液壓制動之間分配制動力。制動力的分配決定著車輛的方向穩(wěn)定性和附著條件利用程度，制動系統(tǒng)滿足安全性、穩(wěn)定性和相關(guān)法規(guī)要求是研究再生制動的前提。

1）前后輪受力分析 由汽車理論［2］可知，車輛制動時前后輪受力情況為

式中：L為前后軸距離；m為整車質(zhì)量；a和b分別為前后軸到質(zhì)心的距離；φ為附著系數(shù)；hg為車輛質(zhì)心高度；FZ1為地面對前輪的法向作用力；FZ2為地面對后輪的法向作用力。

2）制動力分配曲線 為了實現(xiàn)前后輪同時抱死，前后輪地面制動力應滿足理想制動力分配曲線（I線），前后制動力受力［2］情況為

式中：Fbf和Fbr分別為前后輪制動力；z為制動強度。車輛制動時，前輪抱死、后輪未抱死時的制動力分配線為f線，制動力受力情況為

3）ECE 法規(guī)曲線 ECE R13 法規(guī)和GB/T12676—1999對雙軸汽車前后輪制動系統(tǒng)制動力的分配提出了明確規(guī)定［2］，由此得到ECE線：

綜上所述，為保證汽車制動穩(wěn)定性和制動效能，前后輪制動力的分配應處于I線、橫軸、ECE線以及f 線圍成的區(qū)域內(nèi)。結(jié)合車輛參數(shù)，利用MA?TALB繪制圖形區(qū)域如圖3所示。

圖3 制動力分配區(qū)域圖

3 再生制動控制策略設計

典型的制動力分配策略有并聯(lián)混合制動控制策略、理想制動力分配串聯(lián)控制策略和最大制動能量回收控制策略。由于并聯(lián)制動策略具有改動小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，結(jié)合車輛實際情況，采用并聯(lián)混合制動控制策略進行仿真分析。

3.1 前后軸制動力分配策略

采用基于I 線、ECE 線進行制動力分配的并聯(lián)混合制動策略，機械制動和電機制動的分配比例采用模糊控制進行輸出。因汽車在行駛中制動時的制動強度不同，在保證制動安全、穩(wěn)定的前提下，根據(jù)制動強度劃分制動力，分配曲線圖見圖4。z不大于0.11時，屬于輕度制動，制動力分配按縱軸OC段執(zhí)行，即整車制動力由驅(qū)動軸后軸提供。因制動強度小，后輪提供的再生制動力滿足制動需求，制動能量能最大程度地回收。當z不大于0.7 時，屬于中度制動，此時制動力分配按I線的BD段執(zhí)行，即整車制動力由前后輪制動力和電機制動力共同提供。其中電機再生制動力由后輪制動力按模糊控制的比例輸出，制動能量回收受模糊控制輸出比例影響較大。z大于0.7 時，屬于大強度緊急制動，制動力分配按I線DE段執(zhí)行，即電機不參與制動，全部采用前后輪的機械制動，制動能量回收為零。

圖4 制動力分配曲線圖

3.2 再生制動力的模糊控制策略

模糊控制不依賴被控對象的精確數(shù)學模型、便于實現(xiàn)、魯棒性和適應性好，廣泛應用于控制系統(tǒng)。利用MATALB 內(nèi)Fuzzy Logic Designer 模塊實現(xiàn)模糊控制，將需求制動壓力F、車速V、電池剩余電量（state of charge，SOC）作為模糊控制器的輸入量，再生制動分配系數(shù)k作為輸出量。F和SOC 的模糊子集為{L，M，H},V和k的模糊子集為{S,M,B,VB}，各個模糊子集的定義為L（低）、M（中）、H（高）、S（?。?、M（中）、B（高）、VB（很高）。圖5～8為輸入和輸出的隸屬度函數(shù)規(guī)則設計，隸屬度函數(shù)的模糊控制規(guī)則如表2所示。

圖5 F隸屬度函數(shù)

圖6 V隸屬度函數(shù)

圖7 電池組SOC隸屬度函數(shù)

圖8 k隸屬度函數(shù)

表2 k模糊控制規(guī)則

4 再生制動影響因素和控制邏輯

4.1 再生制動主要影響因素

1）ABS 制動系統(tǒng) 為確保車輛ABS 系統(tǒng)工作的可靠性和考慮控制器成本，純電動車輛在ABS處于激活狀態(tài)下，關(guān)閉制動能量回收功能。

具體來講，劉德平教授的“桑葉苦瓜糖果壓片”是通過四步來完成安全、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)血糖功能的：第一步：激活胰島?！吧Ｈ~苦瓜糖果壓片”通過激活胰島、激活胰島素受體，提高胰島素有效利用率，使血糖調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮正常作用。第二步：調(diào)節(jié)血糖。胰島素、胰島素受體的激活，恢復了機體正常血糖代謝能力，實現(xiàn)降低血糖的目的。第三步：調(diào)整代謝系統(tǒng)。由于胰島素的激活和有效利用，機體的蛋白代謝系統(tǒng)、脂代謝系統(tǒng)也逐步由紊亂狀態(tài)調(diào)整到正常狀態(tài)。第四步：穩(wěn)定。隨著糖、蛋白質(zhì)、脂肪三大代謝系統(tǒng)趨于正常，機體內(nèi)部的各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)逐漸進入良性循環(huán)狀態(tài)，糖尿病患者的各種癥狀因此逐步減輕和消失。

2）電機最低轉(zhuǎn)速 根據(jù)電動機工作原理可知，當車速較低或車輪可能發(fā)生抱死而造成電動機輸出軸轉(zhuǎn)速很低時，電動機產(chǎn)生的反電動勢較小，此時電動機很難給電池組充電［1］。當電機的轉(zhuǎn)速小于500 r?min-1時禁止電機再生制動系統(tǒng)，采用液壓制動系統(tǒng)制動。

3）電池SOC 當電池組SOC 過高時，應禁止給電池組充電，以免過充，縮短電池壽命。當電池組SOC 大于90%時禁止電機再生制動，采用液壓制動系統(tǒng)制動。

4）電機最大制動力 電機可提供最大制動力：

式中：Tmax為電機最大轉(zhuǎn)矩；i為減速比，取10.5；r為車輪滾動半徑；η為機械傳動效率，取0.95。代入整車基本參數(shù)求得Fzmax為6995 N?m。當z不大于0.11時，整車制動力由電機制動提供。z取0.11時，整車所需最大制動力為

計算得Fz為1732.5 N?m，小于Fzmax，可以實現(xiàn)完全電機制動。當z為（0.11, 0.7］時，整車制動力由電機再生制動和液壓制動共同完成，制動器制動力矩與制動器參數(shù)之間關(guān)系［3］為

式中：PB為制動壓力；AB為制動器活塞缸面積；ηB為制動器效率；μB為制動器摩擦系數(shù)；rB為有效摩擦半徑；cB為制動因子。各參數(shù)取值如表3所示?？傊苿恿?/p>

表3 制動器參數(shù)

5）充電功率限制 當電機的最大發(fā)電功率大于電池組最大充電功率時，為保護電池組，只能以最大充電功率進行充電。反之則表明電池組完全能夠滿足電機的發(fā)電功率需求，此時以電機的實際發(fā)電功率進行充電。

4.2 再生制動控制邏輯

根據(jù)再生制動主要影響因素，設計再生制動控制邏輯如圖9所示。

圖9 再生制動控制邏輯圖

5 再生制動控制策略建模仿真

利用MATALB/Simulink 搭建再生制動控制策略模型，在Cruise 內(nèi)搭建純電動汽車整車模型，進行聯(lián)合仿真。

5.1 搭建模型

根據(jù)控制策略建立再生制動力模型如圖10所示。圖10為頂層模型，包含驅(qū)動模塊和制動模塊。制動模塊如圖11 所示，總需求制動力計算模塊的輸入為PB，輸出為Fz和z，z可以通過式（10）計算得到。條件判斷模塊中，輸入為z、電機轉(zhuǎn)速和電池組SOC，輸出為再生制動影響因素條件觸發(fā)信號。模型中按z進行制動力分配，分為z≤0.11 模塊、0.110.7 模塊。聯(lián)合仿真時，由于Cruise自帶模型控制器為串聯(lián)制動模式，不適用于文中設計的策略，利用MATALB DLL模塊取代Cruise自帶模型中eBrake&mBrake Unit（制動控制模塊）和eDrive Control System（驅(qū)動控制模塊）。

圖10 頂層模型

圖11 制動模塊

5.2 仿真結(jié)果分析

1）電池組SOC 選擇新歐洲行駛工況（new european driving cycle，NEDC）［4］進行仿真測試，SOC初始值設置為100%，前4個NEDC工況循環(huán)如圖12 所示。電機正扭矩代表驅(qū)動狀態(tài)，負扭矩表示制動狀態(tài)下電機負載信號為負，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機對電池組進行充電。電池組SOC 大于90%時，在制動狀態(tài)下電機無負扭矩，關(guān)閉再生制動，整車制動力由前后輪制動力提供；SOC 小于90%時，電機有負扭矩，進行制動能量回收。曲線波動情況符合策略中的SOC對再生制動的影響。

圖12 前4個NEDC工況循環(huán)

2）制動強度 在Cruise 的NEDC 循環(huán)工況中SOC初始值設為80%，以完成1個工況循環(huán)為例進行分析。當z不大于0.7時，整車制動力分配情況見表4。當z不大于0.11時，車速從30.5 km?h-1降低至19.0 km?h-1，z最大值為0.086，最小值為0.075。此階段z小于0.11，F(xiàn)bf、Fbr均為0說明機械制動沒有起作用；電機負載T為負值,說明電機為發(fā)電機狀態(tài)，電機再生制動提供制動時的全部制動力。當z為（0.11,0.7］時，車速由45.8 km?h-1降至17.29 km?h-1，z均大于0.11。Fbf、Fbr均大于0，T小于0，說明整車制動力由前后輪制動力和電機的再生制動力共同提供。文中NEDC 工況內(nèi)z最大為0.14，屬于中度制動，因此z大于0.7時制動力分配情況暫不討論。

表4 不同制動強度下制動力分配情況

5.3 評價

QC/T1089—2017指出汽車制動能量回收效能用于評價制動能量回收有效性，包括制動能量回收效率、制動能量回收系統(tǒng)續(xù)駛里程貢獻度。制動能量回收效率指再生制動系統(tǒng)回收最終回饋至可充電儲能系統(tǒng)的能量與汽車減速過程中所施加的制動能量之間的比值。［5］在Cruise 模型中設定SOC 初始值80%，完成1 個NEDC 循環(huán)，制動回收能量為1304 kJ，輸出消耗總能量為6658 kJ，制動能量回收效率約為19.6%，如圖13所示。

圖13 制動回收能量與制動消耗總能量

制動能量回收系統(tǒng)續(xù)航里程貢獻度是指開啟和關(guān)閉制動能量回收功能時電動汽車運行里程的差值與關(guān)閉制動能量回收的里程的比值［5］。在Cruise 模型中設定SOC 初始值為100%，仿真終止SOC值為0，連續(xù)運行多個NDEC工況，仿真結(jié)果如圖14所示。關(guān)閉和開啟再生制動整車續(xù)航里程分別約為247 km 和299 km，制動能量回收系統(tǒng)續(xù)航里程貢獻度約為21%，開啟再生制動后約299 km的續(xù)航里程接近滿足中純電動乘用車NEDC 續(xù)航里程不低于300 km的要求。

圖14 再生制動開關(guān)續(xù)航里程對比

6 結(jié)論

針對后驅(qū)純電動車輛，采用并聯(lián)混合再生制動控制策略，結(jié)合制動I曲線、f曲線、ECE法規(guī)以及再生制動影響因素，在不同制動強度下討論前后輪制動力及電機再生制動力的分配情況。通過Cruise整車模型和MATALB/Simulink 控制策略模型的聯(lián)合仿真，驗證了該控制策略的有效性和合理性。文中只研究了制動工況下的再生制動策略，未對滑行再生制動及電池充放電特性、功率等因素對制動力分配的影響進行展開，結(jié)合電池充放電特性制定滑行工況下的能量回收策略是后續(xù)研究重點。