【摘 要】以某新能源電動汽車為原型，對車輛進(jìn)行解析后，使用Cruise搭建車輛模型，并基于MATLAB/Simulink平臺搭建考慮前后軸制動力矩分配的串聯(lián)再生制動控制策略，通過C++編譯器編譯成dll文件進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析模型車輛在NEDC工況的運(yùn)行結(jié)果。結(jié)果表明，在NEDC工況下運(yùn)行，車輛運(yùn)行穩(wěn)定，制動效果和再生制動能量回收情況良好，可為車輛再生制動優(yōu)化提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】串聯(lián)再生制動;電動汽車;Cruise;Simulink;仿真

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0005-03

Modeling and Simulation Analysis of Electric Vehicles Considering

Torque Distribution Under Series Regenerative Braking Strategy*

【Abstract】Taking a new energy electric vehicle as the prototype，after analyzing the vehicle，Cruise was used to build the vehicle model，and a series regenerative braking control strategy considering the braking torque distribution of the front and rear axes was built based on the MATLAB/Simulink platform，which was compiled into dll files by C++ compiler for co-simulation. The operation results of model vehicle in NEDC condition were analyzed. The results show that the vehicle runs stably under NEDC conditions，and the braking effect and regenerative braking energy recovery are good，which can provide reference for vehicle regenerative braking optimization.

【Key words】series regenerative braking;electric vehicles;Cruise;Simulink;simulation

0 引言

為了減輕環(huán)境污染和能源短缺，中國積極推進(jìn)電動汽車技術(shù)發(fā)展[1]。電動汽車驅(qū)動電機(jī)不僅能作為驅(qū)動裝置為車輛行駛提供驅(qū)動力，在車輛需要減速時(shí)，還能夠作為發(fā)電機(jī)為電池反向充電，由此可提升電動汽車能量利用效率，增加續(xù)航里程[2]。目前，通過仿真試驗(yàn)可以降低研發(fā)成本，幫助優(yōu)化汽車的性能，提升車輛設(shè)計(jì)可靠性，為整車生產(chǎn)制造提供試驗(yàn)依據(jù)。Cruise功能強(qiáng)大，是汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的仿真工具，提供了MATLAB/Simulink接口模塊，使工程師能夠方便地開發(fā)復(fù)雜的控制算法。Simulink被廣泛應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證。工程師可以通過圖形化建模的方式，快速構(gòu)建復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化。

電動汽車制動時(shí)，前后軸制動力分配是非常重要的設(shè)計(jì)因素。本文通過Cruise-Simulink搭建了聯(lián)合仿真平臺，構(gòu)建了車輛等效模型，與考慮車輛前后軸力矩分配的串聯(lián)形式再生制動控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真，并驗(yàn)證車輛控制策略模型的可靠性，能夠?yàn)閮?yōu)化再生制動控制策略，提升電動汽車能量效率提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 建模過程與方法

1.1 電動汽車模型搭建

通過查閱原型車輛手冊、試驗(yàn)、測量得到車輛的數(shù)據(jù)，在Crusie中搭建車輛的等效模型，如圖1所示。在不考慮能量回收時(shí)，經(jīng)濟(jì)性能表現(xiàn)為：在NEDC工況下，車輛總能耗49.838kW·h，可行駛309.971km，電動燃油經(jīng)濟(jì)性為6.2196km/（kW·h）;動力性能表現(xiàn)為：全負(fù)荷加速，模型車輛0—100km/h加速時(shí)間為7.38s;制動性能表現(xiàn)為：模型車速100km/h時(shí)，施加制動力100N，車輛制動距離32.32m。模型車輛結(jié)構(gòu)合理，動力性、經(jīng)濟(jì)性和制動性能均能滿足要求。

1.2 再生制動控制策略搭建

將Criuse中的信號作為輸入，在Simulink計(jì)算后輸出，控制策略模型如圖2所示，接口信息見表1、表2。通過試驗(yàn)分析，原型車輛采用串聯(lián)式再生制動控制策略。在這種控制模式下，當(dāng)車輛開始制動時(shí)，制動力較小，電機(jī)的再生制動力會提供整車制動力。隨著制動踏板的開度增加，電機(jī)的制動力也會隨著增加，直到達(dá)到電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩。達(dá)到最大輸出轉(zhuǎn)矩后，電機(jī)提供的制動力不再改變。此時(shí)，機(jī)械制動系統(tǒng)會介入，并繼續(xù)提供制動力，并隨著制動踏板的行程增加而相應(yīng)增加。這種控制策略優(yōu)先利用電機(jī)制動，可以最大程度地提高電制動能量回收效率[3]。因此，本文設(shè)計(jì)制動踏板開度在≤0.2時(shí)，完全由電機(jī)進(jìn)行電制動;制動踏板開度>0.2時(shí)，由電制動和機(jī)械制動進(jìn)行復(fù)合制動?？刂七壿嬋鐖D3所示[4]。

1.3 前后軸制動力矩分配

通過合理分配前后軸制動力，可以保持電動汽車在制動時(shí)的穩(wěn)定性和平順性。通過控制前后軸制動力的分配比例，可以避免車輛在制動時(shí)出現(xiàn)側(cè)滑或甩尾等情況。原型車輛是前驅(qū)車輛，根據(jù)電動汽車的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，以確保最佳的經(jīng)濟(jì)性和制動性能。

本文考慮了車輛前后軸機(jī)械制動扭力分配。圖4是制動過程中車輛的受力圖，已忽略了滾動阻力和空氣阻力，且不考慮車輪邊滾邊滑情況，對后輪和前輪接地點(diǎn)分別取力矩得[5]：

FZ1=FZ10+Z×G×Hg / L

FZ2=FZ20+Z×G×Hg / L

式中：FZ1、FZ2——前后軸動軸荷;G——汽車重力;Z——制動強(qiáng)度;L——軸距;Hg——質(zhì)心高度;FZ10、FZ20——前后軸軸荷。

由力的平衡條件得：

Fzb1+Fzb2=G×Z

式中：Fzb1、Fzb2——地面作用于前后輪的制動力;a——質(zhì)心至前軸中心線的距離。

設(shè)前后輪與地面附著系數(shù)為φ1、φ2得到：

Fzb1=φ1×FZ1，F(xiàn)zb2=φ2×FZ2

將前軸軸荷與后軸軸荷之比定義為理想制動力比β：

將車輛參數(shù)代入上式可得到模型車輛前軸、后軸制動力矩約為0.65和0.35，即在不考慮電機(jī)制動時(shí)，機(jī)械制動的前后軸制動力力矩按照0.65、0.35進(jìn)行分配，并在Simulink中搭建制動力分配控制策略圖，如圖5所示。圖中整車制動扭矩需求=制動踏板開度×整車最大制動扭矩;前輪需求扭矩=整車制動扭矩需求×前軸分配系數(shù)（0.65）÷2，后輪需求扭矩=整車制動扭矩需求×后軸分配系數(shù)（0.35）÷2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 NEDC循環(huán)工況

NEDC是新歐洲行駛循環(huán)（New European Driving Cycle）的縮寫，可用于評估電動汽車的續(xù)航里程和能源效率。在NEDC工況（圖6）下，電動汽車會根據(jù)規(guī)定的速度和加速度模式進(jìn)行測試，以模擬城市和郊外環(huán)境的駕駛情況。通過測試，可以得出電動汽車在理想駕駛條件下的續(xù)航里程和能源效率數(shù)據(jù)，幫助消費(fèi)者和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)了解電動汽車的實(shí)際性能。通過Cycle Run-NEDC循環(huán)工況對模型車輛行駛里程進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2 運(yùn)行結(jié)果

將制動踏板開度（Brake_Pedal_Travel）、車速（Velocity）、加速踏板開度（Acceleration_Pedal_Travel）、制動能量（Brake_Power）、再生制動回收能量（eBrkRecvryEngy）作為目標(biāo)數(shù)據(jù)放入到坐標(biāo)圖中，如圖7所示。節(jié)選部分?jǐn)?shù)據(jù)（圖8）進(jìn)行分析，在時(shí)間區(qū)域內(nèi)，車輛運(yùn)行情況大致可分為兩個(gè)階段：第1階段，當(dāng)車速為120km/h時(shí)，松開加速踏板，車輛在電動機(jī)再生制動力矩的作用下減速運(yùn)動，再生制動回收能量迅速升高;第2階段，隨著制動踏板開度增加到>20°時(shí)，機(jī)械制動介入，踏板開度達(dá)到峰值時(shí)，車速逐漸降至0km/h。

制動前軸、后軸制動力矩分配按照0.65∶0.35的比例進(jìn)行分配，將車速（Velocity）、前軸制動能量（Brake Front Brake Power）、后軸制動能量（Brake Rear Brake Power）放到坐標(biāo)圖（圖9）中，前后軸制動力矩按照比例進(jìn)行分配，制動效能數(shù)據(jù)如圖10所示。

3 結(jié)束語

電動汽車制動時(shí)，前后軸制動力分配是非常重要的設(shè)計(jì)因素，前后輪制動力矩分配不均衡容易導(dǎo)致車輛在制動時(shí)出現(xiàn)側(cè)滑、失控。本文在Cruise-Simulink環(huán)境下搭建了串聯(lián)再生制動控制策略并考慮前后軸制動力分配的電動汽車等效模型，驗(yàn)證了模型的制動效果、制動力分配情況和能量回收情況。結(jié)果表明，在NEDC工況下運(yùn)行，前后軸制動力矩按照0.65∶0.35進(jìn)行分配，車輛運(yùn)行穩(wěn)定，制動效果和再生制動能量回收情況良好，可為車輛再生制動優(yōu)化提供參考和借鑒，為電動汽車的參數(shù)選擇以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

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