并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)控制策略仿真研究

商高高， 歐昌杰， 孫欽云

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

再生制動(dòng)是將汽車制動(dòng)時(shí)車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在電池或電容中，可以再次使用，因而在混合動(dòng)力汽車的研發(fā)中，再生制動(dòng)成為一個(gè)重要的方向．

研究表明：影響混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)的主要因素有制動(dòng)控制策略、儲(chǔ)能裝置的性能、再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作效率和使用環(huán)境等．其中，制動(dòng)控制策略具有決定性的意義［1-2］．

文中以某前輪驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為例，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和邏輯控制方法，制定再生制動(dòng)能量管理策略，運(yùn)用Cruise和Simulink軟件對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)控制策略建立模型，進(jìn)行仿真研究．

仿真結(jié)果表明，該控制策略在選定的工況，保證安全性的前提下，能較多地回收制動(dòng)能量，可為進(jìn)一步實(shí)車研究提供指導(dǎo)和借鑒．

1 PHEV仿真平臺(tái)建立

首先利用Cruise建立PHEV整車模型，然后在Simulink下建立控制器模型．

1.1 Cruise整車模型

利用Cruise建立如圖1所示的雙軸并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車仿真模型．

圖1 整車仿真模型

AVL公司開(kāi)發(fā)的Cruise是用來(lái)進(jìn)行車輛仿真和傳動(dòng)模擬的軟件，可以研究汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性及制動(dòng)性．靈活的模塊化理念使得Cruise可以進(jìn)行任意結(jié)構(gòu)形式的建模和仿真，同時(shí)完善的算法程序以及與Matlab/Simulink良好的接口功能使其在車輛建模和仿真中具有非常大的優(yōu)勢(shì)［3-4］．

1.2 Simulink控制模型

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，可以方便地建立框圖式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，具有直觀、方便、靈活的特點(diǎn)．對(duì)于控制算法的開(kāi)發(fā)和策略研究，Simulink能夠非常直觀和方便地進(jìn)行模擬和分析．根據(jù)設(shè)計(jì)的控制策略，利用Simulink建立如圖2所示的控制模型．

圖2 制動(dòng)力分配控制模型

該模型輸入信號(hào)為制動(dòng)強(qiáng)度、車速、電池SOC和電機(jī)所能提供的最大扭矩，輸出信號(hào)為制動(dòng)信號(hào)、前輪液壓制動(dòng)力、后輪液壓制動(dòng)力和電機(jī)需求制動(dòng)力．模型中ideal distribution子模塊為理想制動(dòng)力分配模塊，modify子模塊為制動(dòng)力修正模塊．

1.3 Cruise與Simulink的信號(hào)連接

圖3 Cruise與Matlab/Simulink信號(hào)通信

Cruise與Matlab/Simulink之間的信號(hào)通信是通過(guò)Cruiese軟件的Matlab API或是Matlab DLL接口，文中采用Matlab DLL接口．在定義好Simulink控制模型的輸入、輸出向量后，設(shè)置系統(tǒng)環(huán)境變量，運(yùn)行AvlRtwDll_*.exe，在Matlab的命令窗口中運(yùn)行Install.m，在RTW下生成DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件．Cruise中的各個(gè)模塊之間的信號(hào)是通過(guò)數(shù)據(jù)總線 Data-Bus傳遞的．圖 3為 Cruise與 Matlab/Simulink的信號(hào)通信．(Z≤0.1)、中等強(qiáng)度制動(dòng) (0.1≤Z≤0.7)和緊急制動(dòng) (0.7≤Z)．如圖4所示，小強(qiáng)度制動(dòng)工況時(shí)，全部制動(dòng)力由前軸提供，后軸制動(dòng)力為0，而前軸上制動(dòng)力全部由電機(jī)提供，以便能盡量多的回收能量．中等強(qiáng)度制動(dòng)工況時(shí)，制動(dòng)力由前后軸共同提供．在滿足法規(guī)界限的前提下，優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)，在A點(diǎn)前，前軸制動(dòng)力全部由電機(jī)提供，后軸制動(dòng)力由液壓摩擦制動(dòng)提供;在A點(diǎn)電機(jī)達(dá)到最大制動(dòng)扭矩后，前軸制動(dòng)力由電機(jī)和液壓摩擦制動(dòng)共同提供，后軸制動(dòng)力由液壓摩擦制動(dòng)提供．緊急制動(dòng)工況時(shí)，由于液壓系統(tǒng)可靠性高，制動(dòng)力將全部由液壓摩擦制動(dòng)提供以保證緊急制動(dòng)時(shí)的安全性，整車制動(dòng)模式為液壓摩擦制動(dòng)模式．

圖4 制動(dòng)力分配控制策略曲線

2 控制策略設(shè)計(jì)

為了充分利用電機(jī)的制動(dòng)能力，盡量多的回收制動(dòng)能量，制定了在一定范圍內(nèi)提高前軸制動(dòng)力，并且滿足ECE制動(dòng)法規(guī)的制動(dòng)力分配策略．該策略能在保證制動(dòng)穩(wěn)定性和兼顧駕駛員制動(dòng)感覺(jué)的前提下，充分利用電機(jī)的制動(dòng)能力，最大限度的回收制動(dòng)能量．

首先根據(jù)制動(dòng)踏板開(kāi)度信號(hào)、電池SOC信號(hào)以及車速信號(hào)判定是否采用電機(jī)制動(dòng)，如符合設(shè)定的條件再根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配．

將制動(dòng)強(qiáng)度分為以下3種形式：小強(qiáng)度制動(dòng)

為了優(yōu)化制動(dòng)感覺(jué)，減少制動(dòng)模式切換時(shí)電機(jī)扭矩突變給整車帶來(lái)的沖擊，使制動(dòng)更加平穩(wěn)，在控制策略中，加入了制動(dòng)力修正模塊．當(dāng)SOC達(dá)到0.8時(shí)，給予電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著SOC值的增加而遞減，減少的部分由液壓摩擦制動(dòng)提供．圖5為制動(dòng)力分配控制策略的流程圖，其中，Tm為電機(jī)扭矩，Thyd為液壓摩擦制動(dòng)力，Treq為需求制動(dòng)力，Tf為前軸制動(dòng)力，Tr為后軸制動(dòng)力．

電機(jī)制動(dòng)力修正控制函數(shù)如下

式中：SOCLowLimit值為 0.8;SOCHighLimit值為 0.9;TmModify為修正電機(jī)轉(zhuǎn)矩．

再生制動(dòng)時(shí)，電機(jī)可提供的最大再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，結(jié)合電機(jī)特性信號(hào)，通過(guò)查表獲得．

圖5 制動(dòng)力分配控制策略流程圖

3 仿真及結(jié)果分析

在Cruise的Matlab DLL模塊中指定前面所生成的DLL文件的位置后，可以進(jìn)行整車仿真計(jì)算，并對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)．

整車主要參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 整車仿真參數(shù)表

電池初始SOC取0.7和0.8，SOC取0.8時(shí)用以驗(yàn)證優(yōu)化制動(dòng)感覺(jué)的控制策略能否實(shí)現(xiàn)．所選取的起止車速如表2所示，同時(shí)，由于我們的控制策略中分為不同的制動(dòng)模式，為了驗(yàn)證控制策略的可行性，在良好平直路面，不同的起止車速條件下，選取小強(qiáng)度、中等制動(dòng)強(qiáng)度、緊急制動(dòng)3種典型制動(dòng)工況對(duì)整車再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真．

式中：V0為初始SOC對(duì)應(yīng)的充電電壓;V1為結(jié)束時(shí)SOC對(duì)應(yīng)的充電電壓;C為電池容量．

仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示．

表2 Cruise制動(dòng)仿真統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上表可以看出，回收能量的多少與起止車速、制動(dòng)強(qiáng)度、制動(dòng)時(shí)間、電機(jī)均有關(guān)．文中設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制策略在各種制動(dòng)工況下都能滿足法規(guī)要求，總體能量回收效率比較高．

輕度制動(dòng)時(shí)，能量回收率在30%左右，因?yàn)榇藭r(shí)制動(dòng)力矩主要由電機(jī)施加，制動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng)，能量回收充分．當(dāng)車速?gòu)?0 km/h降低到0時(shí)制動(dòng)效率較低，這是由于制動(dòng)初始車速低，而電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)無(wú)法提供高的充電電壓造成的［5］．

中度制動(dòng)時(shí)，能量回收率較低，因?yàn)橹苿?dòng)時(shí)間較短，而且液壓制動(dòng)也占一定比例的緣故．同時(shí)發(fā)現(xiàn)，輕度制動(dòng)和中度制動(dòng)中，起止車速為50－30 km/h和80－50 km/h時(shí)，能量回收率高于對(duì)應(yīng)的其它項(xiàng)目，這是因?yàn)殡姍C(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，無(wú)法提供高的充電電壓，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩降低，此起止車速范圍內(nèi)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩較高，能量回收率較高．

緊急制動(dòng)時(shí)，能量回收率為0，說(shuō)明電機(jī)沒(méi)有參加制動(dòng)，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)．

初始SOC為0.8時(shí)，輕度制動(dòng)的能量回收率比初始SOC為0.7時(shí)均低，說(shuō)明電機(jī)施加的力矩減少，符合設(shè)計(jì)的控制策略，使制動(dòng)感覺(jué)得以優(yōu)化．

5 結(jié)論

在Cruise和Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)制動(dòng)踏板位置、SOC以及車速，動(dòng)態(tài)控制再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制策略的仿真．從仿真結(jié)果可以看出，提出的并聯(lián)制動(dòng)控制策略可在保證安全和兼顧駕駛員的制動(dòng)感覺(jué)的前提下較多的回收制動(dòng)能量．

［1］ GAO Wenzhong， Sachin Kumar Porandla． Design Optimization of a Parallel Hybrid Electric Powertrain［C］． IEEE conference on vheicle power and propulsion，2005：530-535．

［2］ 舒 紅，秦大同，胡明輝，等．輕度混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)能量管理策略 ［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(1)：167-173．

［3］ 喻 皓．基于Cruise的增程式純電動(dòng)汽車仿真匹配分析 ［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2010，39(8)：28-30．

［4］ 于永濤，曾小華，王慶年，等．混合動(dòng)力汽車性能仿真軟件的可用性仿真驗(yàn)證 ［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(2)：380-384．

［5］ Cikanek Susan R．Bailey Kathleen E．Energy recovery comparison between series and parallel braking system for electric vehicle using various drive cycles［C］．Advanced Automotive Technologies(DSC)，1995，56：17-31．