基于Cruise的燃料電池增程式電動汽車再生制動轉(zhuǎn)矩分配策略研究

周蘇 楊國 任宏偉 支雪磊

（同濟(jì)大學(xué)）

基于Cruise的燃料電池增程式電動汽車再生制動轉(zhuǎn)矩分配策略研究

周蘇 楊國 任宏偉 支雪磊

（同濟(jì)大學(xué)）

以鋰電池SOC、車速和制動強(qiáng)度為約束條件，提出2種針對燃料電池增程式電動汽車再生制動轉(zhuǎn)矩的分配策略?；贑ruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺，對2種制動轉(zhuǎn)矩分配策略進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，與并聯(lián)再生制動系統(tǒng)相比，在4種典型工況下串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的鋰電池單獨(dú)驅(qū)動續(xù)駛里程增加率最大達(dá)11.66%，總續(xù)駛里程增加率最大達(dá)12.08%，制動能量回收率均增加了29%以上。

1 前言

汽車在城市工況下行駛時(shí)，由于頻繁制動約有50%的總驅(qū)動能量轉(zhuǎn)化為制動能量[1，2]，并且絕大部分的制動能量只能以熱能的形式耗散。因此，研究先進(jìn)的制動能量回收技術(shù)，對延長制動器使用壽命、提高車輛續(xù)駛里程具有重要意義。

根據(jù)制動力矩分配策略的不同，可將再生制動系統(tǒng)分為具有制動效果的串聯(lián)制動、具有最佳能量回收率的串聯(lián)制動以及并聯(lián)制動等[3]。并聯(lián)再生制動系統(tǒng)制動力分配策略簡單，制動系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，但制動能量回收性能較差；而串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的制動性能、駕駛感覺與傳統(tǒng)燃油車相當(dāng)，且能量回收率可達(dá)較高水平。因此，本文針對前輪驅(qū)動的燃料電池增程式電動汽車（Fuel Cell Extended-Range Electric Vehicle，F(xiàn)CE-REV），提出2種以鋰電池SOC、車速和制動強(qiáng)度為邏輯門限值控制制動能量回收過程的再生制動轉(zhuǎn)矩分配策略，并利用Cruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。

2 FCE-REV工作模式

FCE-REV包含鋰電池和燃料電池2個動力源，主動力源鋰電池保證FCE-REV具有全電力驅(qū)動能力，輔助動力源燃料電池提供附加能量用以增加FCEREV續(xù)駛里程。燃料電池增程器系統(tǒng)的可插拔特性也使得FCE-REV能根據(jù)不同的出行需求選擇相應(yīng)的運(yùn)行模式[4]，在短距離出行時(shí)，選擇鋰電池單獨(dú)驅(qū)動模式，此時(shí)可卸下增程器系統(tǒng)，以減輕整車質(zhì)量，提高能量利用率，該模式下的功率流如圖1所示；在遠(yuǎn)距離出行時(shí)，裝載增程器系統(tǒng)，切換至鋰電池-燃料電池混合驅(qū)動模式，車輛由增程器和鋰電池共同驅(qū)動，以滿足整車?yán)m(xù)駛里程需求，該模式下的功率流如圖2所示。

3 制動力分配策略

在制定制動力分配策略前，首先要計(jì)算前、后輪需求制動力矩，以確保需求制動力在驅(qū)動電機(jī)與機(jī)械制動系統(tǒng)之間的合理分配。AVL/Cruise中內(nèi)置的盤式制動器模塊能根據(jù)產(chǎn)生的制動踏板壓力求出前、后輪需求制動力矩，其計(jì)算式為：

式中，Tfront與Trear分別為前、后輪需求制動力矩；pb為制動壓力；Ab,f與Ab,r分別為前、后輪制動輪缸的活塞面積；ηb為制動器效率；μb為制動盤摩擦因數(shù)；rb,f與rb,r分別為前、后輪有效摩擦半徑；cb為制動特性參數(shù)。

3.1 并聯(lián)再生制動系統(tǒng)制動力分配策略

對于并聯(lián)再生制動系統(tǒng)，總制動力按固定比率分配再生制動力[3]，機(jī)械制動力為總制動力與再生制動力的差值，并按制動器制動力分配系數(shù)在前、后輪機(jī)械制動系統(tǒng)之間進(jìn)行分配。

駕駛員總需求制動力矩Tbrake為：

若總制動力對再生制動力的分配系數(shù)為α，車輪滾動半徑為r，則再生制動力為：

因此，前輪機(jī)械制動力為：

3.2 串聯(lián)再生制動系統(tǒng)制動力分配策略

盡管串聯(lián)再生制動系統(tǒng)需要改造原有制動系統(tǒng)，但與并聯(lián)再生制動系統(tǒng)相比，其制動能量回收率高出30%以上[3]。為盡可能多地回收制動能量，縮短制動距離，優(yōu)化駕駛感覺，同時(shí)提高制動安全性，設(shè)定前、后輪需求制動力按理想制動力分配曲線進(jìn)行分配，前輪制動力包含電機(jī)再生制動力和機(jī)械摩擦制動力，而后輪僅有機(jī)械摩擦制動力。

一定轉(zhuǎn)速下驅(qū)動電機(jī)的發(fā)電能力受本身發(fā)電效率、鋰電池SOC和車速的影響[5～7]，其最大再生制動力矩Tregen為：

式中，Tm為電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩；i0為主減速比；ηm為電機(jī)發(fā)電效率；ηt為傳動系效率；w1與w2分別為鋰電池SOC和車速v對再生制動力矩的加權(quán)系數(shù)。

w1和w2的取值規(guī)則分別如圖3和圖4所示。當(dāng)鋰電池SOC≤0.7時(shí)，w1恒等于1，隨SOC逐漸升高w1線性下降，至SOC≥0.8后w1取值恒為0；當(dāng)車速v≤5 km/h時(shí)w2恒等于0，隨v逐漸升高w2線性增大，至v≥20 km/h后w2取值恒為1。

比較電機(jī)最大制動轉(zhuǎn)矩和前輪需求制動力矩的大小可求得電機(jī)再生制動力，即：

因此，前輪機(jī)械制動力為：

由式（7）和式（8）可知，若前輪需求制動力矩小于電機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下所能提供的最大再生制動力矩，當(dāng)僅采用電機(jī)制動時(shí)，再生制動力矩等于前輪需求制動力矩，機(jī)械摩擦制動力為零；反之，電機(jī)將產(chǎn)生最大再生制動力矩，不足部分由前輪機(jī)械制動系統(tǒng)補(bǔ)充。后輪制動力僅由后輪機(jī)械制動系統(tǒng)提供。

3.3 基于ECE法規(guī)的制動力分配策略驗(yàn)證

根據(jù)汽車?yán)碚?，汽車制動過程中可能出現(xiàn)前輪先于后輪抱死、后輪先于前輪抱死、前后輪同時(shí)抱死等3種情況。當(dāng)前、后輪同時(shí)抱死時(shí)，前、后輪制動器制動力之和等于附著力，并且前、后輪制動器制動力分別等于各自的附著力，此時(shí)的制動力分配曲線即為I曲線，可獲得理想的路面附著系數(shù)利用率和制動穩(wěn)定性。

I曲線計(jì)算式為：

式中，F(xiàn)x1與Fx2分別為前、后輪制動器制動力；hg為質(zhì)心高度；b為質(zhì)心至后軸中心線的距離；L為前、后軸之間的距離。

ECE R13制動法規(guī)明確要求，對于附著系數(shù)φ在0.2～0.8之間的各種車輛，要求制動強(qiáng)度z≥0.1+0.85（φ-0.2）。當(dāng)前輪抱死時(shí)，為保證車輛制動穩(wěn)定性，要求后輪制動力不等于零。由于再生制動只能施加在汽車的驅(qū)動軸上，當(dāng)再生制動力較大時(shí)易造成前、后輪制動力分配超過ECE法規(guī)界限。因此，必須驗(yàn)證前、后輪制動力是否滿足法規(guī)要求。

ECE法規(guī)要求的前、后輪制動力計(jì)算式為：

根據(jù)FCE-REV整車參數(shù)及式（1）～式（11），可得到前、后輪制動力分配曲線，如圖5所示。從圖5可看出，所制定的串、并聯(lián)再生制動系統(tǒng)制動力分配策略均能滿足ECE R13制動法規(guī)的要求。

4 制動功率分配策略

雖然再生制動可在一定程度上提高能量利用率，但無疑也對混合動力汽車制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了難度。一方面需要考慮如何在前、后輪之間分配總制動力，確保制動安全性；另一方面也要考慮機(jī)械制動力和再生制動力在驅(qū)動輪上的分配，以利于制動能量回收。此外，在制動過程中，制動能量回收過程還受到鋰電池SOC、車速和制動強(qiáng)度等條件的約束。當(dāng)SOC值過高時(shí)，為延長鋰電池使用壽命就不能進(jìn)行制動能量回收；在車速較低時(shí)，由于電機(jī)反電勢過低導(dǎo)致其發(fā)電能力相對較低，此時(shí)不能進(jìn)行制動能量回收；在緊急制動情況下，為確保制動安全性也不能進(jìn)行制動能量回收。因此，制動能量回收的主要制約因素在于電池充電功率和電機(jī)發(fā)電能力，既不能超過電池當(dāng)前最大充電功率，又要考慮電機(jī)發(fā)電能力的約束。

為解決上述問題，制定了如圖6所示的制動功率分配策略。由圖6可看出，在車輛緊急制動情況下，即當(dāng)制動強(qiáng)度z≥0.2時(shí)僅采用機(jī)械制動；當(dāng)車速v≤5 km/h時(shí)僅采用機(jī)械制動；當(dāng)鋰電池SOC≥0.8時(shí)僅采用機(jī)械制動；當(dāng)制動強(qiáng)度z＜0.2、車速v＞5 km/h且電池SOC＜0.8時(shí)，采用電機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)合制動，并根據(jù)發(fā)電機(jī)功率、鋰電池功率及燃料電池功率求得電機(jī)實(shí)際再生制動功率。

5 仿真模型與仿真參數(shù)

5.1 整車仿真模型

FCE-REV整車仿真模型由整車模型和增程器模型組成，如圖7所示。整車模型在Cruise中搭建，包含鋰電池模型、驅(qū)動電機(jī)模型、Matlab DLL模型、制動器模型和駕駛員模型等；增程器模型在MATLAB/Simu?link中搭建，包含燃料電池模型、DC/DC轉(zhuǎn)換器模型及能量管理策略模型，其中能量管理策略模型在State?flow中搭建。通過MATLAB/Realtime Workshop工具箱將增程器模型生成動態(tài)鏈接庫DLL文件，并導(dǎo)入AVL/ Cruise環(huán)境下的MATLAB DLL模塊中，以DLL文件為媒介，建立Cruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺。Cruise將負(fù)荷、鋰電池SOC、鋰電池功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、車速等信號傳遞給Simulink中的燃料電池模型和能量管理策略模型，Simulink將處理后的如電機(jī)負(fù)荷、燃料電池啟停、修正制動壓力等信號傳回給Cruise，從而實(shí)現(xiàn)Cruise/Simulink之間的數(shù)據(jù)通信[8,9]，完成仿真計(jì)算。

5.2 仿真參數(shù)

以某混合動力汽車為基礎(chǔ)車型，根據(jù)整車基本參數(shù)及初步設(shè)定的動力性能指標(biāo)完成動力傳動部件選型與參數(shù)匹配，最終確定的Cruise/Simulink聯(lián)合仿真參數(shù)如表1所列。

表1 Cruise/Simulink聯(lián)合仿真參數(shù)

6 仿真結(jié)果分析

FCE-REV主要是為滿足城市上下班短途行駛或長途旅行的需要而設(shè)計(jì)，因而選取歐洲市郊工況NEDC、美國城市工況FTP72、日本典型工況Ja1015以及中國乘用車市區(qū)工況CDC[10]來模擬FCE-REV實(shí)際行駛狀況。通過Cruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺，對FCE-REV進(jìn)行純電動續(xù)駛里程仿真、總續(xù)駛里程仿真及制動能量回收性能仿真。從圖8所示的各工況下車速仿真結(jié)果可知，實(shí)際車速能夠很好地跟蹤目標(biāo)車速，并且在整個工況周期內(nèi)，兩者的差值均能保持在± 1 km/h范圍之內(nèi)，說明仿真模型精度能夠滿足要求。

6.1 鋰電池單獨(dú)驅(qū)動續(xù)駛里程仿真

當(dāng)SOC≥0.4時(shí)，F(xiàn)CE-REV由鋰電池單獨(dú)驅(qū)動，設(shè)定SOC仿真初值為0.95、終值為0.4，運(yùn)行仿真后得到各工況下串、并聯(lián)再生制動系統(tǒng)的鋰電池單獨(dú)驅(qū)動續(xù)駛里程，如表2所列。

表2 FCE-REV鋰電池單獨(dú)驅(qū)動續(xù)駛里程

由表2可知，在鋰電池單獨(dú)驅(qū)動模式下，相比于并聯(lián)再生制動系統(tǒng)，4種工況下的串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的續(xù)駛里程都有所增加；NEDC工況的車速變化頻率較小，制動能量較少，而FTP72工況中制動最為頻繁，可回收的制動能量最多。因此，F(xiàn)TP72工況下的續(xù)駛里程增加率最大，NEDC工況下的續(xù)駛里程增加率最小。

6.2 總續(xù)駛里程仿真

FCE-REV在鋰電池-燃料電池混合驅(qū)動模式下運(yùn)行時(shí)燃料電池增程器開始工作，并根據(jù)整車能量管理策略行駛。燃料電池啟停由整車能量管理策略中的switch信號控制，switch為1時(shí)燃料電池開啟，switch為0時(shí)燃料電池關(guān)閉[11]。設(shè)定SOC仿真初值為0.95、終值為0.3，仿真開始后，F(xiàn)CE-REV由鋰電池單獨(dú)驅(qū)動行駛，隨著時(shí)間的推移SOC逐漸減小，當(dāng)達(dá)到增程器工作上限0.4時(shí)燃料電池開啟，在給鋰電池充入電能的同時(shí)也提供給FCE-REV向前行駛的驅(qū)動能，使得SOC在一定范圍內(nèi)持續(xù)波動，此時(shí)FCE-REV由鋰電池、燃料電池共同驅(qū)動。隨著氫罐儲氫量不斷減少，其儲氫壓力也越來越低，當(dāng)達(dá)到輸出截止壓力1 000 kPa時(shí)，增程器關(guān)閉，F(xiàn)CE-REV重新進(jìn)入鋰電池單獨(dú)驅(qū)動模式，直至SOC終值達(dá)到0.3時(shí)整個仿真過程結(jié)束。以NEDC工況為例，整個仿真過程中并聯(lián)再生制動系統(tǒng)的SOC變化曲線和氫罐儲氫量變化曲線如圖9所示，并聯(lián)再生制動系統(tǒng)的其它工況仿真結(jié)果及串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的各工況仿真結(jié)果與此類似。

表3給出了不同工況下FCE-REV的總續(xù)駛里程仿真結(jié)果，從表3可知，與并聯(lián)再生制動系統(tǒng)相比，F(xiàn)TP72工況下串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的續(xù)駛里程增加率達(dá)到最大值12.08%；與另外3種典型工況相比，F(xiàn)TP72工況制動最為頻繁，可回收的制動能量最多，因而續(xù)駛里程增加率也最大。

表3 FCE-REV總續(xù)駛里程

各工況下并聯(lián)再生制動系統(tǒng)和串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的SOC變化曲線如圖10和圖11所示。由圖10和圖11可看出，在鋰電池-燃料電池混合驅(qū)動模式階段，在NEDC、FTP72、Ja1015、CDC工況下SOC變化范圍依次減小，但波動頻率依次增大，說明鋰電池充電次數(shù)依次增多，且行駛時(shí)間依次增加，因而總續(xù)駛里程依次增加。

6.3 制動能量回收性能仿真

以制動能量回收率（回收能量與制動能量的比值）作為FCE-REV制動能量回收性能的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行制動能量回收性能仿真。仿真初始階段，設(shè)定SOC初值為0.8、終值為0.4，圖12和圖13分別為并聯(lián)再生制動系統(tǒng)各工況下的回收能量-時(shí)間變化曲線和制動能量-時(shí)間變化曲線，NEDC工況、FTP72工況、Ja1015工況和CDC工況的回收能量分別為459 kJ、830 kJ、878 kJ和747 kJ，制動能量分別為3881 kJ、6753 kJ、7428 kJ和6256 kJ，由此計(jì)算得到制動能量回收率分別為11.83%、12.29%、11.82%和11.94%。圖14和圖15分別為串聯(lián)再生制動系統(tǒng)各工況下的回收能量-時(shí)間變化曲線和制動能量-時(shí)間變化曲線，NEDC工況、FTP72工況、Ja1015工況和CDC工況的回收能量分別為1 784 kJ、3 468 kJ、3 490 kJ和2 961 kJ，制動能量分別為4 339 kJ、7 571 kJ、8 400 kJ和7 231 kJ，由此計(jì)算得到制動能量回收率分別為41.12%、45.81%、41.55%和40.95%。由上述數(shù)據(jù)可知，在NEDC、FTP72、Ja1015和CDC等4種典型工況下，與并聯(lián)再生制動系統(tǒng)相比，串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的制動能量回收率分別增加了29.29%、33.52%、29.73%和29.01%，表明串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)提供了更大的再生制動力矩。

7 結(jié)束語

基于前、后輪制動器制動力分配I曲線，綜合考慮鋰電池SOC、車速和制動強(qiáng)度對再生制動轉(zhuǎn)矩的影響，提出2種針對前輪驅(qū)動的燃料電池增程式電動汽車再生制動轉(zhuǎn)矩的分配策略，并于Cruise/Simulink聯(lián)合仿真平臺進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，與并聯(lián)再生制動系統(tǒng)相比，在歐洲市郊工況NEDC、美國城市工況FTP72、日本典型工況Ja1015以及中國乘用車市區(qū)工況CDC等4種典型工況下，串聯(lián)再生制動系統(tǒng)的純電動續(xù)駛里程增加率最大為11.66%，總續(xù)駛里程增加率最大值為12.08%，制動能量回收率均增加了29%以上。

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年11月14日。

Research on Regenerative Braking Torque Distribution Strategies for Fuel Cell Range Extended Electric Vehicle Based on Cruise

Zhou Su,Yang Guo,Ren Hongwei,Zhi Xuelei
（Tongji University）

With lithium-ion batterySOC,vehicle speed and braking force as constraints,two distribution strategies for regenerative braking torque are proposed for fuel cell range extended electric vehicle(FCE-REV).These two strategies are simulated on Cruise/Simulink co-simulation platform for comparison and analysis.The results show that compared with parallel regenerative braking system,the maximal increasing rate of pure battery driving range for series regenerative braking system can be up to 11.66%,the maximal increasing rate of total driving range is 12.08%and braking energy recovery rate is increased by over 29%in four typical driving conditions.

FCE-REV,Regenerative braking,Torque distribution,Co-simulation

燃料電池增程式電動汽車 再生制動 轉(zhuǎn)矩分配 聯(lián)合仿真

U469.72+2

A

1000-3703（2015）04-0046-06