雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型混動車輛的制動能量回收策略

章 儼 楊義勇 李 亮 李衛(wèi)兵 吳 瓊

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京,1000832.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京,1000843.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點實驗室，合肥,230601

0 引言

再生制動是指車輛在減速或剎車的過程中，將汽車行駛的慣性能量通過傳動系統(tǒng)傳遞給電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)扭矩從而以發(fā)電的方式工作，產(chǎn)生電流為車載電池充電，從而達(dá)到慣性制動能量回收利用的目的，同時產(chǎn)生的電機(jī)制動力矩也能為車輛制動提供力矩(甚至在制動強(qiáng)度不太大的情況下可以只靠電機(jī)力矩制動)。再生制動可提高車輛的能量利用效率。這既可以減小混合動力汽車對化石能源的依賴度，緩解不可再生能源短缺的問題同時減少環(huán)境污染特別是空氣污染，又可以提高混合動力車輛的續(xù)航里程。由于再生制動的加入，在正?；蜉p微制動強(qiáng)度時，機(jī)械制動可以退出，完全由電機(jī)提供制動扭矩，這樣就減小了摩擦片的損耗，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

插電式混合動力客車(PHEB)近年來因其更大的電量和更好的公共交通燃油經(jīng)濟(jì)性而得到了很好的發(fā)展[1]。PHEB的動力系統(tǒng)一般有3種類型的架構(gòu)，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。其中，混聯(lián)架構(gòu)在靈活的操作模式和驅(qū)動周期的適應(yīng)性方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。同時，再生制動是提高電動車輛(EV)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)[2]。研究表明，超過一半的能源消耗用于城市道路條件下的制動[3]，并且在典型的城市駕駛循環(huán)中制動能量的60%以上可以被回收[4]。根據(jù)不同的再生策略和結(jié)構(gòu)，燃油效率可以提高19%～40%[5-7]。 對于具有有級變速器的混合動力汽車或電動汽車(如雙離合器變速器(DCT)、自動變速器(AT)和電控機(jī)械式自動變速箱(AMT))，當(dāng)車輛通過電機(jī)(EM)制動時，需通過控制方法保持變速器擋位不變，以確保穩(wěn)定性和安全性，直至制動過程結(jié)束[8]。然而，由于電機(jī)再生制動最大轉(zhuǎn)矩的影響，當(dāng)電機(jī)提供的最大制動力矩不能滿足駕駛員制動需求時，機(jī)械制動彌補的這一部分就造成了再生能量回收的損失，所以，通過降擋來改變電機(jī)的工作點以最大化制動能量回收就非常有必要。

制動時換擋不僅可以提高能量回收率，還能提高車輛的再加速性能[9-10]。LI等[11]提出了基于規(guī)則與DP算法的降擋策略，建立了基于實驗數(shù)據(jù)的液壓制動系統(tǒng)(HBS)近似動力學(xué)模型，優(yōu)化了換擋時電機(jī)扭矩與液壓扭矩的相互補充，并且通過仿真和硬件在環(huán)試驗來驗證其效果。JO等[12]從經(jīng)濟(jì)性和舒適性兩方面開發(fā)了AMT降擋優(yōu)化控制策略。RUAN等[13]基于仿真和實驗驗證了2速DCT對電動汽車再生制動能量恢復(fù)的影響。另外由于混合動力車輛在制動時有電機(jī)參與，不可避免地會對防抱死系統(tǒng)(ABS)產(chǎn)生影響，所以有必要對ABS控制方式進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)與電機(jī)制動和機(jī)械制動的相互協(xié)調(diào)。陳慶樟等[14]對汽車再生制動與ABS制動系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合控制。LI等[15]結(jié)合單軸并聯(lián)混合動力公交車復(fù)合制動過程的特點，構(gòu)建車輛縱向動力學(xué)的七自由度模型，考慮車輛模型的非線性特性和再生制動系統(tǒng)的效率，采用改進(jìn)的非線性模型預(yù)測控制中的粒子群優(yōu)化算法，優(yōu)化車輪處再生制動系統(tǒng)和氣動制動系統(tǒng)之間的扭矩分配。

為了克服單電機(jī)構(gòu)型在換擋過程中不可避免的扭矩?fù)p失[11]，提高制動能量的回收效率，本文研究了一種新型的單軸串聯(lián)并聯(lián)動力系統(tǒng)。在單軸平行動力傳動系統(tǒng)的AMT[16-17]的輸出軸上增加了一個額外的電機(jī)。與文獻(xiàn)[18]中的一般單軸串并聯(lián)配置(在離合器兩側(cè)裝有兩個電機(jī))不同，這種新型結(jié)構(gòu)的兩個電機(jī)安裝在AMT的兩側(cè)。發(fā)動機(jī)和兩臺電機(jī)滿足駕駛者的動力需求。

1 配置及仿真模型

單軸串并聯(lián)動力系統(tǒng)的原型見圖1。對于只有電機(jī)1的并聯(lián)系統(tǒng)，換擋過程中AMT需要斷開與電機(jī)1的機(jī)械連接，這必然會導(dǎo)致動力中斷，駕駛員的行車體驗變差，能量回收效率降低。本文提出的這種雙電機(jī)架構(gòu)的主要優(yōu)點是可以部分甚至完全解決AMT不連續(xù)傳輸造成的換擋過程中動力中斷問題，顯著改善乘客的舒適體驗。在換擋過程中，電動機(jī)2繼續(xù)為車輛供電，電機(jī)1調(diào)整AMT輸入軸的轉(zhuǎn)速以換擋；而在其他情況下，電機(jī)1是為車輛供電的輔助設(shè)備，因此，電機(jī)2的功率比電機(jī)1的功率大得多。主要部件參數(shù)見表1。

圖1 單軸串并聯(lián)動力總成的原型Fig.1 The prototype of a single shaft series parallel powertrain表1 部件的主要參數(shù)Tab.1 Paramount parameters of the components

發(fā)動機(jī)YC6G230N,CNG,6.454L,額定功率170 kW電機(jī)1永磁同步電機(jī),最大扭矩為500 N·m,額定功率40 kW,峰值功率60 kW電機(jī)2永磁同步電機(jī),最大扭矩750 N·m,額定功率94 kW,峰值功率121 kW電池鈦酸鋰,容量50 Ah傳輸4速AMT,齒輪比為2.92/1.63/1/0.73最終驅(qū)動比率5.571

1.1 車輛縱向動力學(xué)模型

采用三自由度車輛模型來說明車輛動力學(xué)，包括縱向運動和前后輪轉(zhuǎn)動。當(dāng)車輛在地面水平運動時，行駛阻力主要來自車輛的滾動阻力和風(fēng)阻，表達(dá)式如下：

(1)

(2)

車輛縱向動力學(xué)總阻力

Fre=Ff+Fw

(3)

(4)

式中，F(xiàn)x1、Fx2分別為前輪和后輪受到的地面阻抗力。

前后輪的旋轉(zhuǎn)運動公式如下：

(5)

式中，ω1、ω2分別為前后輪角速度；J1、J2分別為前后輪的轉(zhuǎn)動慣量；Tb1、Tb2分別為前后輪氣動制動轉(zhuǎn)矩；Tr為再生制動轉(zhuǎn)矩。

同時整車模型中還考慮了制動時載荷的轉(zhuǎn)移問題，對前后輪接地點取矩，前后輪的垂向力表示如下：

(6)

(7)

式中，F(xiàn)z1、Fz2分別為前后輪垂直力；L為前輪到后輪的縱向距離；hg為車輛重心到地面的垂直距離；a為車輛重心到前軸的縱向距離；b為車輛重心到后軸的縱向距離。

縱向輪胎力由魔術(shù)公式(magic formula，MF)輪胎模型[19]計算，表達(dá)式為

Fxi=FzDsin(Carctan(Bδ-E(Bδ-arctan(Bδ))))

(8)

式中，δ為縱向滑移率；D為峰值系數(shù)；C為形狀系數(shù)；B為剛度系數(shù)；E為曲率系數(shù)。

1.2 電機(jī)與AMT模型

電機(jī)的動態(tài)特性不是研究重點，所以可以將它簡化為一階時間延遲模型[20]：

(9)

就電機(jī)而言，它們可以作為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)工作，因此可寫為

(10)

其中，PEM為電機(jī)功率；當(dāng)TEM>0時，電機(jī)作為電動機(jī)工作，反之則作為發(fā)電機(jī)工作；ωEM為電機(jī)角速度；ηEM為電機(jī)效率，表示EM處于發(fā)電模式時的效率，其倒數(shù)表示驅(qū)動模式下的效率，并且它們的值都可通過對電機(jī)穩(wěn)態(tài)效率MAP圖(圖2、圖3)插值得到。

圖2 電機(jī)1 MAP圖Fig.2 Efficiency MAP of motor 1

圖3 電機(jī)2 MAP圖Fig.3 Efficiency MAP of motor 2

AMT的典型換擋過程可分為電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低、脫擋、上擋、電機(jī)轉(zhuǎn)矩恢復(fù)4個階段。在第一階段，電機(jī)1在降擋時開始降低其轉(zhuǎn)矩。在第二和第三階段中，換擋馬達(dá)將撥叉驅(qū)動到目標(biāo)位置。在第四階段，電機(jī)1開始恢復(fù)其制動扭矩。在第二、第三階段缺少電機(jī)1制動力的情況下，由電機(jī)2補充，若是仍然不能達(dá)到所需求制動力，則由機(jī)械制動力參與補充。再生制動轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

Tr=TEM1i0/η0+TEM1i0ig/(η0ηT)

(11)

(12)

式中，i0、ig分別為輪邊傳動比和AMT傳動比；η0、ηT分別為輪邊傳動效率和AMT傳動效率;rw為車輪半徑。

1.3 電池模型與氣壓制動系統(tǒng)模型

本文不考慮溫度對電池的影響，重要參數(shù)(開路電壓、充電電阻和放電電阻)的特性如圖4所示[21]?？紤]到電池的健康狀況，假定荷電狀態(tài) (SOC)[22]在0.50～0.75范圍內(nèi)。

圖4 電池重要參數(shù)與SOC之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between some parameters and SOC

從圖4中可以看出，當(dāng)SOC從0.5變化到0.75時，參數(shù)變化不大，所以將它們視為常數(shù)是合理的。電池簡化模型見圖5，等效電路由電壓源和內(nèi)部電阻組成，表達(dá)式如下：

(13)

式中，Ubat、Rbat、Qbat分別為開路電壓、內(nèi)部電阻、電池容量；Pbat為電池充電功率。

本文利用SOC的增量或變化率來評估再生效應(yīng)。

在制動過程中，應(yīng)調(diào)整氣壓制動系統(tǒng)(PBS)來補償電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩，以保證整個制動轉(zhuǎn)矩最大。在本文中，制動力矩的動態(tài)調(diào)整并不是主要關(guān)注的問題，因此不考慮氣動壓力特性，則PBS響應(yīng)模型簡化為

(14)

1.4 發(fā)動機(jī)模型

發(fā)動機(jī)的主要問題是它的燃料消耗和運行效率，通過制造商提供的準(zhǔn)靜態(tài)圖可獲得發(fā)動機(jī)制動比燃料消耗(BSFC)，本文在建立發(fā)動機(jī)模型時忽略其遲滯和振動等瞬態(tài)特性，將其視作動力輸出的執(zhí)行部件。發(fā)動機(jī)模型如下：

(15)

式中，Qg為發(fā)動機(jī)每秒的燃料消耗量,mL/s；Pe為發(fā)動機(jī)功率，kW；be為發(fā)動機(jī)的燃料消耗率，g/(kW·h)，可通過Pe和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速獲得；ρCNG為CNG密度,kg/L。

BSFC和發(fā)動機(jī)外特性曲線見圖6。

圖6 發(fā)動機(jī)BSFC圖Fig. 6 BSFC map of engine

2 實時優(yōu)化制動能量回收策略

再生制動過程中的降擋是一個復(fù)雜的過程，涉及最佳降擋點的計算、再生和液壓制動扭矩的分配以及電機(jī)和混合動力整車控制器(HCU)的協(xié)調(diào)控制，必須考慮制動和計算中的不確定性以確定最佳降擋點，并且考慮再生制動和液壓制動的分配隨著車輛速度和制動強(qiáng)度而變化。

2.1 制動過程中降擋的優(yōu)勢

在再生制動過程中降擋可提高再加速性能和增加再生能量。一般情況下是制動過程中擋位保持不變，此時車輛制動后擋位較高，速度較低，加速性能不理想。如果AMT在制動過程中降擋，則不會發(fā)生這種情況。同時，如果AMT正常降擋，則節(jié)能效果將會明顯提高[11]。

2.2 換擋策略設(shè)計

由于雙電機(jī)的混合動力混聯(lián)構(gòu)型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了使所提出的算法能在行車過程中快速給出當(dāng)前所需要的擋位，故本文采用了基于規(guī)則的策略?；谝?guī)則的策略的原則是在當(dāng)前條件下選擇具有最大再生效果的擋位，其計算量小，適用于實時控制，換擋邏輯設(shè)計如圖7所示。首先，獲取車輛的當(dāng)前狀態(tài)，包括車輛速度v、制動程度z、擋位i、電池的SOC值SSOC等，如果車速或制動程度為零，則制動過程結(jié)束；然后，根據(jù)第1節(jié)中的車輛電流狀態(tài)和方程，可以得到當(dāng)前條件下SOC的變化率，同時計算在較低擋位條件下SOC的變化率，如果當(dāng)前擋位的SOC變化率最大，則AMT保持當(dāng)前的擋位，否則AMT轉(zhuǎn)換到SOC最大變化率的擋位。對于換擋過程中電機(jī)1需要暫時退出制動并由液壓制動補充的問題，由于本文采用的仿真工況時間較長，而換擋過程一般時間只持續(xù)0.1～0.2 s，所以將其影響忽略不計。

圖7 換擋邏輯圖Fig.7 Rule-based downshifting strategy flow chart

3 仿真分析

為了驗證所提出策略的有效性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真分析。仿真所采用的設(shè)計車輛部分參數(shù)見表2。

仿真駕駛公交工況如圖8所示。電池SOC曲線對比如圖9所示(基準(zhǔn)SOC曲線代表車輛行駛過程中只進(jìn)行行車充電而不進(jìn)行制動能量回收)。由圖9可知，在長下坡工況條件下，由于換擋策略的減速過程中進(jìn)行了降擋，電機(jī)1的工作點更多地集中在高效率區(qū)，提高了制動能量回收的效率，從而提高了電池SOC。非換擋策略下的最終電池SOC值為52.75%，而使用換擋策略在跑完駕駛工況后SOC值為53.3%。對比不回收制動能量的基準(zhǔn)SOC曲線(51.03%)，非換擋策略SOC提高了1.72%，而換擋條件下SOC提高了2.27%，后者比前者要高效31.98%。3種策略最終SOC和百公里電耗對比見表3。

表2 整車模型部分參數(shù)Tab. 2 Part parameters of the HEV

圖8 仿真公交工況Fig.8 Simulation bus conditions

圖9 電池SOC對比曲線Fig.9 BatterySOC Comparison Curve

表3 百公里電耗及SOC對比Tab.3 power consumption per 100Km and SOC comparison

圖10 不換擋條件下的車速跟隨與扭矩分配曲線Fig.10 Speed-following and torque distribution curves without shifting

圖11 換擋條件下扭矩分配曲線Fig.11 Speed-following and torque distribution curves with shifting

換擋和不換擋條件下的車速跟隨與扭矩分配曲線分別見圖10和圖11。由圖10和圖11可以看出，兩種策略的車速曲線幾乎重合。對比兩種策略的扭矩分配曲線可知，換擋使得電機(jī)1工作點發(fā)生變化，從而提高了效率，由圖11的扭矩分配可明顯看到，電機(jī)1(AMT換擋時影響更大的電機(jī))所占的比例更大，也從另一面反映了換擋使得能量回收效率提高。表4所示為3種策略下折算后的百公里油耗對比，可以看到普通制動能量回收策略下能節(jié)省26.89%的油耗，而換擋策略應(yīng)用后節(jié)油率達(dá)31.42%，高于我國所制定的25%。

表4 百公里油耗對比Tab.4 100 km fuel consumption comparison

圖12所示為兩種策略下電機(jī)1的工作點，可更直觀地看出兩種策略下電機(jī)1的工作效率。由圖12可以看出，在換擋策略下，電機(jī)1在制動回收能量時(電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于零)，其工作點能集中發(fā)生在高效區(qū)，可有效提高工作效率，回收更多的制動能量，避免能量浪費。結(jié)合圖11的扭矩分配曲線，電機(jī)1的扭矩在換擋策略下工作的扭矩更大，時間更長，可回收更多的制動能量。

(a)非換擋策略

(b)換擋策略圖12 兩種策略下電機(jī)1的工作點對比Fig.12 Comparison of EM1 operating points under two strategies

4 結(jié)語

本文綜合考慮了城市公交工況的特點及基于AMT的雙電機(jī)混聯(lián)的特點，建立了基于雙電機(jī)混聯(lián)的簡化車輛運動學(xué)模型，分析了非緊急制動情況下降擋所帶來的優(yōu)勢，并基于雙電機(jī)設(shè)計了基于規(guī)則的能量回收策略，最后通過仿真工況給出了不同策略下的百公里油耗，換擋策略比不換擋策略節(jié)油率提高了16.8%。結(jié)果表明，所提出的策略不但更好地匹配了動力系統(tǒng)，且整車的能量回收率也得到了綜合優(yōu)化。