兩檔式純電動(dòng)汽車制動(dòng)節(jié)能策略仿真研究

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(1.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064; 2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

在世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，環(huán)境污染、能源短缺問(wèn)題逐漸顯露，嚴(yán)重制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。新能源汽車技術(shù)可實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能減排效果，但由于目前車用電池發(fā)展尚不成熟，純電動(dòng)汽車行駛的續(xù)駛里程一直是阻礙電動(dòng)汽車廣泛普及的主要瓶頸。如何通過(guò)節(jié)能技術(shù)增加純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，是電動(dòng)汽車行業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)階段急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)新能源車輛的節(jié)能技術(shù)是新能源汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]根據(jù)預(yù)估速度，提出反饋分級(jí)控制器以跟蹤期望的速度并將制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配到四個(gè)車輪以改善能量回收，仿真結(jié)果表明了模塊化觀測(cè)器和分層控制器的有效性。文獻(xiàn)[2]對(duì)機(jī)械飛輪再生制動(dòng)系統(tǒng)(RBS)、彈性飛輪(RBS)和液壓動(dòng)力輔助(RBS)的性能進(jìn)行了典型的數(shù)學(xué)分析，并對(duì)不同的車型研究比較了這些系統(tǒng)的效率和節(jié)能效果，發(fā)現(xiàn)彈性飛輪(RBS)效率最高，其次為液壓動(dòng)力輔助(RBS)和機(jī)械飛輪(RBS)。文獻(xiàn)[3]日本Toyota-Prius乘用車通過(guò)一套ECB制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在四輪單獨(dú)控制、常規(guī)制動(dòng)、緊急制動(dòng)、制動(dòng)能量回收以及防加速打滑控制等技術(shù)的突破，能量利用率被提高了20%以上。文獻(xiàn)[4]針對(duì)雙源純電動(dòng)汽車引入基于模糊控制的能量管理策略，提高蓄電池的循環(huán)利用次數(shù)，有效的保證了純電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[5]考慮國(guó)家安全法規(guī)和純電動(dòng)公交客車實(shí)際運(yùn)行工況，提出了一種可以大幅度提高制動(dòng)能量回收率的制動(dòng)力分配控制策略。文獻(xiàn)[6]提出一種根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性分配電動(dòng)汽車前軸制動(dòng)力的再生制動(dòng)控制策略，基于制動(dòng)力變比值優(yōu)化分配算法。文獻(xiàn)[7]提出一種根據(jù)路面附著系數(shù)合理分配再生制動(dòng)力的回饋能量可控型再生制動(dòng)控制策略，可最大限度地回收回饋能量。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外針對(duì)純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略已進(jìn)行了多角度、多方面的研究分析。國(guó)外再生制動(dòng)技術(shù)由于發(fā)展較早已經(jīng)小有成效，再生制動(dòng)控制策略和相關(guān)節(jié)能技術(shù)已得以應(yīng)用，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究雖起步相對(duì)較晚，但目前也已取得了巨大進(jìn)步。然而，在眾多純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略以及節(jié)能技術(shù)的各類研究中，針對(duì)兩檔式純電動(dòng)汽車特點(diǎn)、考慮制動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行檔位切換的再生制動(dòng)力分配控制策略闡述和相關(guān)仿真結(jié)果及分析卻還鮮有。因此，本文在查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)借鑒典型再生制動(dòng)策略和傳統(tǒng)車輛制動(dòng)力分配方法的基礎(chǔ)上，選取某品牌兩檔式mini純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，針對(duì)其兩檔式的特點(diǎn)提出一制動(dòng)過(guò)程換擋策略，對(duì)其再生制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了再生制動(dòng)力分配控制策略相結(jié)合，并通過(guò)Matlab/simulink平臺(tái)對(duì)結(jié)合換擋策略后的串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種再生制動(dòng)力分配控制策略進(jìn)行仿真，得到目標(biāo)兩檔式純電動(dòng)汽車在兩種制動(dòng)控制策略下能量回收效率結(jié)果，以期為同級(jí)別相似車型和相關(guān)汽車產(chǎn)業(yè)針對(duì)提升純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的再生制動(dòng)控制策略與技術(shù)層面提供一定的參考依據(jù)。

1 再生制動(dòng)原理及修正模型

再生制動(dòng)是可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生利用，同時(shí)發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩又可通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生制動(dòng)效果的技術(shù)[8]。當(dāng)汽車需要減速制動(dòng)時(shí)，駕駛員控制制動(dòng)踏板，制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)踏板信號(hào)傳感器傳來(lái)的制動(dòng)踏板行程信號(hào)計(jì)算出制動(dòng)要求，同時(shí)接收車速、檔位、電池狀態(tài)、電機(jī)功率等信號(hào)，依據(jù)這些控制信號(hào)將電機(jī)切換為制動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而通過(guò)功率變換器為蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。與傳統(tǒng)汽車相比，再生制動(dòng)是電動(dòng)汽車的一大顯著優(yōu)點(diǎn)。

考慮ECE制動(dòng)法規(guī)、電池荷電狀態(tài)(SOC)以及電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩等因素來(lái)對(duì)再生制動(dòng)力矩進(jìn)行修正[9]。無(wú)論是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車還是電動(dòng)汽車，制動(dòng)性能都應(yīng)滿足相應(yīng)的法規(guī)要求，由汽車?yán)碚撚?jì)算得本文研究的mini純電動(dòng)汽車滿足ECE法規(guī)的制動(dòng)力分配系數(shù)范圍為：0.72≤β≤0.86，即本車型在實(shí)現(xiàn)并聯(lián)再生制動(dòng)策略下的制動(dòng)過(guò)程時(shí)，前輪總制動(dòng)力不得超過(guò)總制動(dòng)力的86%。根據(jù)汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)并合理的簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng)制動(dòng)力分配系數(shù)β取到ECE法規(guī)規(guī)定的最大值0.86時(shí)，對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)的中電機(jī)能提供的最大再生制動(dòng)力為

(1)

從而可以得到ECE法規(guī)限制下的電機(jī)最大再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩

(2)

本車型所用的電機(jī)額定功率為32 kW，其峰值轉(zhuǎn)矩為152.8 Nm，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，結(jié)合電動(dòng)機(jī)相關(guān)理論知識(shí)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩公式如式(3)

(3)

式中Pm——電機(jī)功率。

鋰離子電池的充電特性可由實(shí)驗(yàn)得到，可知其充電特性為先恒流再恒壓[10]。又由電池的充電功率公式Pb=U·I，可得在電池SOC影響下，實(shí)際電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(4)

式中Pbmax——電池最大充電功率。

(5)

(6)

綜上所述，修正后的實(shí)際電機(jī)產(chǎn)生最大再生制動(dòng)力矩為Tm_ac_reg=min{Tbat,Tmot}w1·w2，設(shè)對(duì)應(yīng)的電機(jī)所能產(chǎn)生的最大再生制動(dòng)力為Fm_ac_reg。

2 控制策略及模型構(gòu)建

本文的研究對(duì)象為某品牌的mini純電動(dòng)汽車，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)于兩檔式純電動(dòng)汽車而言，制動(dòng)過(guò)程擋位的變化可引起再生制動(dòng)能量回收的效果變化。通過(guò)對(duì)本車型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，該款車型一檔位時(shí)所能達(dá)到的最大車速為7.7 m/s，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速下可傳遞到車輪的制動(dòng)力矩為924.1 N·m。當(dāng)在制動(dòng)強(qiáng)度z=0.1時(shí)，由于車輛所需的制動(dòng)力矩為246.9 N·m，因此在低制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)(z≤0.1)車輛制動(dòng)所需的力矩理論上完全可以只用電機(jī)來(lái)提供。下面對(duì)本研究中的串聯(lián)式和并聯(lián)式再生制動(dòng)力分配控制策略以及制動(dòng)過(guò)程中所開發(fā)的換擋策略分別進(jìn)行闡述，設(shè)制動(dòng)信號(hào)為Fb，實(shí)際再生制動(dòng)力為Fwreg,再生制動(dòng)力分配策略模塊中計(jì)算所需再生制動(dòng)力為Fxy。

2.1 再生制動(dòng)力分配策略

2.1.1 串聯(lián)式分配策略

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≤ 0.1時(shí)，前軸機(jī)械制動(dòng)力為Ff=0，后軸機(jī)械制動(dòng)Fr= 0，再生制動(dòng)力Fwreg=Fb；當(dāng)0.1≤z≤0.7時(shí)，首先將總需求制動(dòng)力Fb按β=0.75分配至前后軸且Fb=Fwreg+Ff+Fr，根據(jù)再生制動(dòng)優(yōu)先的原則，前軸機(jī)械制動(dòng)力Ff=0.75Fb-Fwreg，后軸的機(jī)械制動(dòng)力Fr=0.25Fb，再生制動(dòng)力Fwreg=min{Fxy,Fm_ac_reg}；當(dāng)z>0.7時(shí)，關(guān)閉再生制動(dòng)，所需制動(dòng)力完全由機(jī)械制動(dòng)提供，前軸機(jī)械制動(dòng)力為Ff=0.75Fb,后軸機(jī)械制動(dòng)力矩為Fr=(1-0.75)Fb，再生制動(dòng)力Fwreg=0。

表1純電動(dòng)汽車參數(shù)

參數(shù)名稱指標(biāo)整車參數(shù)整車整備質(zhì)量/kg950滿載質(zhì)量/kg1 100空氣阻力系數(shù)0.33輪胎動(dòng)態(tài)滾動(dòng)半徑/m0.262迎風(fēng)面積/m22.1軸距/m2.365質(zhì)心到后軸的距離/m1.149質(zhì)心高度/m0.48變速器形式AMT一檔傳動(dòng)比4.073 9二檔傳動(dòng)比1電機(jī)類型永磁電機(jī)額定功率/kW32額定轉(zhuǎn)速/r·min-12 000峰值轉(zhuǎn)速/r·min-15 500峰值轉(zhuǎn)矩/N·m152.8蓄電池類型鋰離子電池總電壓/V364.8容量/kW·h24

2.1.2 并聯(lián)式制動(dòng)力分配策略

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1時(shí)，前軸機(jī)械制動(dòng)力為Ff=0，后軸機(jī)械制動(dòng)Fr=0，再生制動(dòng)力Fwreg=Fb；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度0.1≤z≤0.7時(shí)，采取電機(jī)制動(dòng)以及機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的方式，前軸機(jī)械制動(dòng)力Ff=0.75(Fb-Fwreg)，后軸機(jī)械制動(dòng)力Fr=0.25(Fb-Fwreg)，再生制動(dòng)力Fwreg=min{Fxy,Fm_ac_reg}；當(dāng)z>0.7時(shí)，關(guān)閉再生制動(dòng)，此時(shí)的制動(dòng)力完全由及機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供，前軸機(jī)械制動(dòng)力為Ff=0.75Tb，F(xiàn)r=(1-0.75)Fb，再生制動(dòng)力Fwreg=0。

2.2 再生制動(dòng)過(guò)程換擋策略

汽車在某一車速v時(shí)進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)可通過(guò)公式計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)在該車速下，一檔和二檔時(shí)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速，記作n1、n2。通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖查表可得到分別對(duì)應(yīng)的此車速下一、二檔的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm1、Tm2，結(jié)合影響因子不計(jì)傳動(dòng)損失，兩個(gè)轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系傳遞至車輪，作用給車輪的理論再生制動(dòng)力分別為F1、F2。當(dāng)v>7.7 m/s時(shí)，由于此時(shí)一檔無(wú)法達(dá)到該車速，因此只選用二檔為制動(dòng)檔位。將得到的F1和F2進(jìn)行比較，判斷出最大制動(dòng)力Fmax=max{F1,F2}和最小制動(dòng)力Fmin=min{F1,F2}以及Fmax對(duì)應(yīng)檔位kmax和傳動(dòng)比ikmax。當(dāng)策略模塊中計(jì)算輸出所需的再生制動(dòng)力Fxy小于Fmin時(shí)，電機(jī)所能提供的實(shí)際再生制動(dòng)力為Fwreg=Fxy，擋位k可保持不變；當(dāng)策略模塊中計(jì)算輸出所需的再生制動(dòng)力Fxy小于Fmax時(shí)，電機(jī)所能提供的實(shí)際再生制動(dòng)力為Fwreg=Fxy，擋位切換到k=kmax；當(dāng)策略模塊中計(jì)算輸出所需的再生制動(dòng)力Fxy大于Fmax時(shí)，電機(jī)所能提供的實(shí)際再生制動(dòng)力為Fwreg=Fmax，擋位切換到k=kmax。

為了對(duì)結(jié)合再生制動(dòng)換擋策略后的串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種再生制動(dòng)力分配控制策略進(jìn)行仿真分析，找出適合本車型的實(shí)現(xiàn)最大能量回收的最佳再生制動(dòng)控制策略，本研究基于Matlab/simulink平臺(tái)建立了車輛動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)模型、電池模型、駕駛員模型以及變速器模型等，由于篇幅限制本次只展示整車模型(圖1)、變速器換擋策略模型(圖2)、串聯(lián)式(圖3)與并聯(lián)式(圖4)的再生制動(dòng)力分配控制策略模型，其他詳細(xì)子模型不做展示。

3 仿真結(jié)果與分析

為保證仿真結(jié)果的非特殊性，本研究選用了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)城市循環(huán)工況UDDS和模擬制動(dòng)工況兩種工況分別進(jìn)行仿真并將其結(jié)果對(duì)比分析。為便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行描述，將結(jié)合再生制動(dòng)換擋策略后的串聯(lián)式再生制動(dòng)力分配控制策略記作“策略一”，結(jié)合再生制動(dòng)換擋策略后的并聯(lián)式再生制動(dòng)換擋策略記作“策略二”。

3.1 美國(guó)UDDS工況

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的城市循環(huán)工況UDDS實(shí)際時(shí)間長(zhǎng)度為4 107 s，但為了便于圖形表達(dá)分析，因此只選用了該工況的前1 000 s用于展示，該工況下電池SOC以及能量回收情況的仿真結(jié)果如圖5所示。

美國(guó)城市循環(huán)工況的前1 000 s仿真結(jié)果顯示，隨著再生制動(dòng)的參與，電機(jī)有效的進(jìn)行了制動(dòng)能量的回收，且隨著時(shí)間的增加，再生制動(dòng)回收能量也成同步上升勢(shì)態(tài)。但不同策略下，電池SOC狀態(tài)和能量回收方面都有明顯差別。其中，策略一的最終SOC值為0.709 5，策略二的最終SOC值為0.673 6，策略一的電池最終SOC值比策略二高5.3%；策略一的最終能量回收量為4.379×105J，策略二最終能量回收量為3.625×105J，策略一回收的能量比策略二多20.8%。

3.2 模擬制動(dòng)工況

由于循環(huán)工況中，制動(dòng)強(qiáng)度均在0.15以下，處于低強(qiáng)度制動(dòng)狀態(tài)，因此為驗(yàn)證所開發(fā)的再生制動(dòng)力分配策略的合理性，本課題通過(guò)Matlab/simulink平臺(tái)模擬了一個(gè)50 s的中高強(qiáng)度制動(dòng)工況(模擬制動(dòng)工況)再次進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)對(duì)模擬制動(dòng)工況不同控制策略下的仿真結(jié)果觀察可得，汽車在模擬制動(dòng)工況下運(yùn)行過(guò)程中，策略一下汽車的電池SOC和能量回收量效果均高于策略二。其中，策略一時(shí)的電池SOC值為0.792 8，策略二的電池SOC值為0.792 2，策略一下的能量回收量為1.322×105J，策略二下的能量回收量為8.484×104J，策略一下的能量回收量比策略二的約多56%。

綜合上述兩個(gè)工況的再生制動(dòng)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)合換擋策略后的串聯(lián)再生制動(dòng)控制策略與并聯(lián)再生制動(dòng)控制策略相比，該款純電動(dòng)汽車采用串聯(lián)式再生制動(dòng)控制策略下電池的SOC更高、蓄電池回收的制動(dòng)能量更多，對(duì)于本次研究的mini車型而言，策略一具有更好的節(jié)能效果，為最佳再生制動(dòng)策略。

4 結(jié)論

本文選取了某品牌mini兩檔式純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，基于其兩檔式的特點(diǎn)，考慮到再生制動(dòng)過(guò)程不同擋位下再生制動(dòng)能量回收的效果不同，在串聯(lián)式再生制動(dòng)力分配控制策略和并聯(lián)式再生制動(dòng)力分配控制策略基礎(chǔ)上結(jié)合再生制動(dòng)換擋策略于Matlab/simulink平臺(tái)進(jìn)行了建模仿真，并在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)城市循環(huán)工況UDDS以及一般模擬制動(dòng)工況下分別對(duì)目標(biāo)車型的兩種再生制動(dòng)控制策略制動(dòng)過(guò)程能量回收情況進(jìn)行了研究。

對(duì)于本研究的兩檔式mini純電動(dòng)汽車而言，結(jié)合換擋策略后的串聯(lián)式再生制動(dòng)控制策略所能達(dá)到的能量回收效果明顯優(yōu)于同工況下的并聯(lián)式再生制動(dòng)控制策略，這主要是由于并聯(lián)式再生制動(dòng)是將電機(jī)制動(dòng)與傳統(tǒng)的機(jī)械液壓制動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加，而串聯(lián)式再生制動(dòng)方法優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)力，不足制動(dòng)力使用機(jī)械液壓制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，因此再生制動(dòng)能量回收率比較高。此外，制動(dòng)過(guò)程中擋位的擇優(yōu)選取，使得電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)時(shí)電機(jī)可提供最大轉(zhuǎn)矩的高效利用，因此結(jié)合到擋位選擇策略后的串聯(lián)再生制動(dòng)控制策略是一個(gè)可行的提升本車型電池能量回收量、延長(zhǎng)電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程的有效的方法，對(duì)于提高相類似款車型電動(dòng)汽車節(jié)能效果具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。