徐海彤，樊亞軍，賀趙豫

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

目前，純電動汽車的最大優(yōu)勢在于其行駛過程中噪音小且對環(huán)境友好。因此，電動汽車的發(fā)展受到了重視[1]。由于車輛在行駛過程中的路況信息不確定，一方面，當(dāng)車輛通過較為復(fù)雜的路況，或者受到氣溫的影響時(shí)，將會導(dǎo)致純電動汽車的續(xù)駛里程無法達(dá)到駕駛員的預(yù)期[2]；另一方面，由于當(dāng)前電池技術(shù)不能取得較好的發(fā)展，因而影響純電動汽車的快速發(fā)展[3]。當(dāng)前再生制動技術(shù)的研究及應(yīng)用可以在很大程度上緩解電動汽車?yán)m(xù)駛里程不足的缺陷。當(dāng)車輛由于制動需求而進(jìn)入到制動狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動電機(jī)模式會切換至發(fā)電機(jī)模式，根據(jù)電機(jī)的四象限工作原理，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式時(shí)，車輪通過傳動系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)輸入動能，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，將其中的一部分能量傳輸至動力電池，從而起到能量回收的目的[4]。

近年來，針對制動能量回收技術(shù)的研究，國內(nèi)外的專家學(xué)者從不同的角度出發(fā)對該技術(shù)進(jìn)行了研究。盧秀和等人[5]針對某款純電動汽車，提出通過采用模糊控制理論，在建立的再生制動控制策略中引入三輸入單輸出的模糊控制器，仿真結(jié)果表明，能量回收效率可提高6.55%。郭金剛等[6]提出依據(jù)制動強(qiáng)度的不同，通過設(shè)計(jì)合理的前、后軸制動力分配策略以及采用再生制動最優(yōu)控制策略，并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，制動強(qiáng)度的大小會影響能量回收效率且該策略可以很好的回收制動能量，但是控制策略較為復(fù)雜。LI S等[7]提出采用模糊控制的方法，并考慮了電機(jī)的充電功率等對電機(jī)制動力的影響，建立了模糊控制策略并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果顯示所提出的控制策略能夠有效地回收制動能量，但是忽略了電池的安全性問題。ANDREW A等[8]設(shè)計(jì)了一種超級電容及鋰離子電池儲能模塊，采用DC/DC變換電路，在新能源汽車上實(shí)現(xiàn)了制動能量回收，但是未發(fā)揮出電機(jī)的制動潛力。

針對以上研究所存在的不足，本文提出以某款前驅(qū)式純電動汽車為研究對象，基于聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（Economic Commission of Europe,ECE）汽車法規(guī)，I曲線以及f線組的前、后軸制動力分配方法，提出以加速踏板位移、制動踏板位移、電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）值、車速及制動強(qiáng)度為判斷條件，并根據(jù)前、后軸制動力分配來計(jì)算整車制動力與前、后軸制動力的關(guān)系，在Simulink中建立制動能量回收控制策略，根據(jù)本文提出的控制策略，合理分配電機(jī)制動力占比，在進(jìn)行制動能量回收時(shí)，還應(yīng)保證車輛的制動安全性。分別在AVL Cruise和Simulink中建立整車模型和再生制動控制策略模型，將控制策略模型編譯為動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library,DLL）文件并導(dǎo)入至AVL Cruise整車模型中并進(jìn)行聯(lián)合仿真，使其達(dá)到制動能量回收的目的。

1 制動力分析

圖1為車輛在水平路面上制動時(shí)的受力狀況，圖中忽略了車輛的滾動阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩[9]。

圖1 車輛制動過程受力分析

其中，v為汽車的行駛速度，km/h；Fx1為汽車前輪地面制動力，N；Fx2為汽車后輪地面制動力，N；Fz1為地面對前輪的法向反作用力，N；Fz2為地面對后輪的法向反作用力，N；aj為制動減速度，m/s2；L為汽車軸距，mm；a為汽車質(zhì)心至前軸距離，mm；b為汽車質(zhì)心至后軸距離，mm；hg為汽車質(zhì)心高度，mm；m為汽車質(zhì)量，kg。

1.1 理想制動力分配曲線

車輛行駛在任何附著系數(shù)的路面上，當(dāng)車輛進(jìn)行制動時(shí)，此時(shí)由于前、后輪的制動強(qiáng)度相同。因此，前、后軸制動力分配曲線被稱為理想制動力分配曲線。為保證制動時(shí)的安全性，前、后輪處于同時(shí)抱死的狀態(tài)，在車輛進(jìn)行緊急制動時(shí)，由于車輛初始減速度較大，對路面附著條件的利用以及車輛制動時(shí)的方向穩(wěn)定性較好。理想制動力分配曲線也稱為I曲線[10]，表達(dá)式為

式中，F(xiàn)b1為前輪制動器制動力，N；Fb2為后輪制動器制動力，N；G為汽車重力，N。

1.2 ECE制動法規(guī)曲線

為了保證制動時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性和有足夠的制動效率，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會制定的 ECE R13制動對雙軸汽車前、后輪制動器制動力提出了明確的要求，對于附著系數(shù)φ=0.2～0.8的各種車輛，其制動強(qiáng)度z要滿足z≥0.1+0.85（φ-0.2），此時(shí)，前軸利用附著系數(shù)曲線φf應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線φr之上，經(jīng)過公式推導(dǎo)，可得出前、后軸制動力關(guān)系式為[10]

在車輛進(jìn)行制動的過程中，路面所能提供的最大制動力由路面的附著系數(shù)來決定，另一方面，當(dāng)車輛前輪先抱死拖滑，后輪還未抱死但趨向抱死狀態(tài)，在該條件下，前、后地面制動力關(guān)系曲線稱為f線組，而本文采用常見的瀝青、混凝土路面，其附著系數(shù)為0.7，f線組的表達(dá)式為[11]

1.3 前后軸制動力分配

在進(jìn)行制動能量回收時(shí)，應(yīng)首先確保車輛制動時(shí)的穩(wěn)定性及安全性，其次進(jìn)行能量回收[12]。在進(jìn)行制動能量回收時(shí)，只有驅(qū)動輪所產(chǎn)生的制動能量能夠被回收，即本文研究對象只有前輪所產(chǎn)生的制動能量可被回收。

結(jié)合分析上述理想制動力分配曲線關(guān)系式、ECE制動法規(guī)曲線關(guān)系式以及路面附著系數(shù)等于0.7時(shí)的f線組關(guān)系式，按照給出的某款前驅(qū)式純電動汽車參數(shù)，利用繪圖工具可以作出如圖 2所示的前、后軸制動力分配曲線。一方面，根據(jù)該分配曲線，可以計(jì)算前、后軸制動力與整車需求制動力之間的關(guān)系，為后續(xù)的再生制動控制策略建模提供理論基礎(chǔ)；另一方面，本文所設(shè)計(jì)的再生制動控制策略采用的前、后軸制動力分配可以按照圖中ABCDE線段進(jìn)行分配。在該分配曲線下，不但能夠確保車輛的制動安全性和穩(wěn)定性，還能夠有效地提升制動能量回收效率。

圖2 制動力分配曲線

本文中需要定義一個(gè)臨界制動強(qiáng)度z，根據(jù)該制動強(qiáng)度進(jìn)行制動能量回收的判別。當(dāng)制動強(qiáng)度較小時(shí)，能夠判別此時(shí)車輛處于輕度制動狀態(tài)，電機(jī)可以提供整車需求制動力；當(dāng)制動強(qiáng)度大于z時(shí)，前、后軸制動力分配曲線依照圖 2所示進(jìn)行分配。假定本文采取的制動強(qiáng)度為0.2，在此制動強(qiáng)度下，車輛在進(jìn)行制動時(shí)符合再生制動的要求。當(dāng)制動強(qiáng)度小于 0.2時(shí)，此時(shí)車輛的制動需求較小，電機(jī)制動力可以提供整車需求制動力，此時(shí)后軸制動力為 0，前、后軸制動力分配按照圖 2中的AB段進(jìn)行分配；當(dāng)制動強(qiáng)度大于0.2且小于0.7時(shí)，隨著制動強(qiáng)度的增加，車輛容易進(jìn)入抱死，而在制動強(qiáng)度增加的過程中，應(yīng)使前軸分配更多的電機(jī)制動力，能夠確保車輛制動時(shí)的能量回收效率和車輛制動安全性，如圖2中BC、CD段所示；當(dāng)制動強(qiáng)度大于0.7時(shí)，車輛此時(shí)進(jìn)入緊急制動狀態(tài)，為確保車輛制動安全性，此時(shí)電機(jī)制動退出工作，整車需求制動力全部由液壓制動力提供。

2 制動能量回收控制策略

在駕駛員準(zhǔn)備制動的過程中，其動作可以大致分為三個(gè)部分，如：釋放油門踏板、將腳移至制動踏板上、踩下制動踏板。在駕駛員踩下制動踏板以后，此時(shí)需要判斷車輛的當(dāng)前車速、電池SOC值以及制動強(qiáng)度，根據(jù)這三個(gè)條件來判斷制動能量回收系統(tǒng)在何時(shí)介入，圖 3為制動能量回收控制策略流程圖。

圖3 制動能量回收控制策略流程

2.1 制動能量回收判斷條件

當(dāng)車輛處于正常的行駛狀態(tài)中時(shí)，要判斷其在何時(shí)制動，要通過油門踏板和制動踏板的位移來進(jìn)行判斷。當(dāng)油門踏板的位移大于 0時(shí)，表明此時(shí)車輛處于正常的加速行駛過程中，此過程不進(jìn)行制動；當(dāng)制動踏板的位移大于 0時(shí)，表明車輛有進(jìn)行制動的趨勢，但要判別車輛在何種狀態(tài)下進(jìn)行制動能量回收，仍需要判別其他因素。

2.2 電池SOC值判斷

車輛在進(jìn)行制動的過程中，判別制動能量回收系統(tǒng)在何時(shí)介入，首要判別電池SOC值?？紤]電池充電安全，本文將初始電池SOC值設(shè)置為95%，當(dāng)電池SOC值大于95%或小于5%時(shí)不進(jìn)行制動能量回收。

2.3 車輛當(dāng)前車速判斷

此外，還需要判別車輛的當(dāng)前車速，當(dāng)車輛處于低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，在車輛進(jìn)行制動時(shí)，因?yàn)槌跏贾苿訙p速度較小，電機(jī)能夠提供整車需求制動力；當(dāng)車輛速度較大時(shí)，為了盡可能多的回收制動能量，應(yīng)增加前軸電機(jī)制動力分配比例，此時(shí)電機(jī)制動力和液壓制動力提供整車需求制動力；當(dāng)車輛速度較高時(shí)，由于初始制動減速度較大，為保證車輛制動安全性，電機(jī)制動退出工作且液壓制動力提供整車需求制動力。

2.4 車輛制動強(qiáng)度判斷

另外，還需要判斷車輛制動強(qiáng)度的大小，當(dāng)制動強(qiáng)度較小時(shí)，電機(jī)可以提供整車需求制動力，該制動狀態(tài)為輕度制動；隨著車速的增加，制動減速度不斷提升，在進(jìn)行中度制動時(shí)，應(yīng)增加前軸電機(jī)制動力所占比例，剩余不足的制動力由液壓制動力提供；當(dāng)車速較高時(shí)，由于初始制動減速度也較大，因此，在車輛進(jìn)行制動時(shí)，在確保車輛安全性的前提下進(jìn)行制動能量回收，此時(shí)電機(jī)制動退出工作，液壓制動力提供整車需求制動力。

綜合加速踏板位移、制動踏板位移、電池SOC值、車速以及制動強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了本文的再生制動控制策略，圖4為再生制動控制策略圖。

圖4 制動能量回收控制策略

3 仿真分析

3.1 仿真模型的建立

本文采用 Cruise建立純電動汽車整車模型，采用Simulink建立再生制動控制策略模型，并將二者進(jìn)行聯(lián)合仿真。首先，在 Cruise中建立純電動汽車模型，主要包括差速器模塊、主減速器模塊、驅(qū)動電機(jī)模塊和電池模塊等；在 Matlab/Simulink中建立本文所設(shè)計(jì)的再生制動控制策略，配置編譯環(huán)境，并對再生制動控制策略進(jìn)行編譯，將編譯生成的DLL文件導(dǎo)入Cruise模型中進(jìn)行聯(lián)合仿真。根據(jù)控制策略所需要的信號實(shí)現(xiàn) Cruise和Simulink的數(shù)據(jù)交換[13]，汽車主要參數(shù)見表1。

表1 汽車主要參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

圖5為本文建立的整車模型在加載了制動能量回收控制策略后，在NEDC工況下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線?？梢钥闯?，當(dāng)車輛在進(jìn)行制動時(shí)，電機(jī)均會產(chǎn)生負(fù)扭矩為車輛提供制動力矩。如圖 5所示，由于市區(qū)循環(huán)的車速遠(yuǎn)低于市郊循環(huán)車速，因此，在市區(qū)循環(huán)工況中，車輛的車速不高，其制動強(qiáng)度較小，因此，需求制動力矩較小，所以電機(jī)制動力矩相對較小約為 61 Nm；而車輛處于市郊循環(huán)工況時(shí)，由于車輛的平均車速較大，當(dāng)車輛進(jìn)行制動時(shí)，由于其初始減速度較大，因此，需要較大的制動力矩，而電機(jī)相應(yīng)的可以產(chǎn)生較大的制動力矩，最大可達(dá)到94 Nm。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖6為車輛的當(dāng)前車速與實(shí)際車速的對比情況。在NEDC工況下，車輛主要有等速、加速、減速、停車這四種工況，圖中所示的需求車速是NEDC工況下所設(shè)定的車速，而當(dāng)前車速是指車輛在運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)車速。從圖中可以看出，當(dāng)前車速能夠很好的跟隨需求車速，由此可見，本文所設(shè)計(jì)的再生制動控制策略能夠達(dá)到仿真的要求。

圖6 當(dāng)前車速與需求車速

圖7為車輛在不加載任何控制策略以及加載了本文所設(shè)計(jì)的再生制動控制策略后，電池SOC值在經(jīng)過一個(gè)NEDC循環(huán)工況下的變化情況。可以看出，在兩種不同的仿真工況下，電池的SOC值呈下降趨勢。在進(jìn)行仿真前，設(shè)置電池SOC值為95%，當(dāng)不加任何控制策略時(shí)，電池的SOC值下降趨勢較明顯，由 95%下降至 90.7%；當(dāng)車輛加載了本文所設(shè)計(jì)的再生制動控制策略后，在車輛進(jìn)行制動時(shí)，電池SOC值下降的較緩慢，且電池SOC值由95%下降至91.6%；而且當(dāng)車輛在進(jìn)行制動狀態(tài)時(shí)，電池SOC值有明顯的上升趨勢，車輛的初始速度越大，電池SOC值上升越明顯,而且在市郊循環(huán)中，這種情況更加明顯。

圖7 電池SOC值變化曲線

圖8為車輛的總能量輸出和總能量輸入的變化曲線，其中，總輸入能量為1760.15 kJ，總輸出能量為9765.22 kJ，由式（4）計(jì)算可得能量回收效率為18%[14]。

圖8 能量輸入、輸出曲線

式中，η為能量回收率，Ei為整車總輸入能量，Eo為整車總輸出能量。

4 結(jié)論

本文針對某款前驅(qū)式純電動汽車的制動能量回收效率問題，制定了基于理想制動力分配曲線、ECE法規(guī)曲線以及路面附著系數(shù)為0.7的f線組的前、后軸制動力分配方法，設(shè)計(jì)了以加速踏板位移、制動踏板位移、車速、電池SOC值及制動強(qiáng)度為判別條件的查表式制動能量回收控制策略，在NEDC工況下仿真得出該策略不僅可以有效地緩解電池SOC值下降的趨勢，且制動能量回收效率可達(dá)18%，可有效提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。