混合動力電動汽車再生制動控制策略研究

1、混合動力電動汽車再生制動控制策略的研究摘 要: 針對混合動力汽車仿真軟件ADVISOR中原有制動力分配策略的不足，在其再生制動模型基礎(chǔ)上，從動力學(xué)角度建立了各制動力制動份額隨載荷變化的模型，并將所提出的策略在ADVISOR軟件中對哈飛樣車進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明所提出的控制策略回收制動能量的效果優(yōu)于原有的再生制動控制策略，排放也有所改善，電機效率明顯提高，同時這種分配方式也符合制動力法規(guī)的分配要求；并通過試驗進(jìn)一步驗證了該策略的合理性。此模型有效地拓展了ADVISOR的仿真范圍，方便了對混合動力電動汽車的研究。關(guān)鍵詞: 混合動力；AVISOR；再生制動；載荷變化；仿真Research on t

2、he Control Strategy Of Regenerative Braking for HEVZHOU Mei-lan, ZHANG Yu( College of Electrical & Electronic Engineering, Harbin Univ. Sci. Tech., Harbin 150040, China)Abstract: On account of the deficiency of the original share strategy of braking force in HEV simulation software ADVISOR, base

3、d on the regenerative braking control model, a new model in which the braking share of every braking force varies on the change of loading was built from the dynamical standpoint. Simulation is done with the use of ADVISOR in HAFEI automobile. The simulation analysis shows that the effect about ener

4、gy resaving in new control strategy is better than in old strategy，the emission has been improved. The motor efficiency has been obviously increased. At the same time the kind of sharing manner is also in accordance with the sharing requirement of the rule about braking force；The model effectively e

5、xpands the simulation range of ADVISOR, give convenience to the HEV research.Key words: hybrid electric; ADVISOR; regenerative braking; change of loading；simulation1引 言汽車作為主要交通工具和國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，可以說汽車改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質(zhì)量。然而去掉隨著汽車產(chǎn)量的迅速增長,汽車耗油量占全部石油產(chǎn)量的份額越來越大 1。再生制動是目前混合動力汽車回收制動能量采取的普遍技術(shù)，電動汽車、混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車的

6、一個最重要的區(qū)別是可以實現(xiàn)再生制動，能回收一部分傳統(tǒng)車輛在制動過程中損失的能量，這樣大大提高了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能耗2。ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator）是美國可再生能源實驗室在Matlab和Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)的高級車輛仿真軟件，提一句此軟件的優(yōu)點。本文在此軟件的基礎(chǔ)上構(gòu)造了再生制動過程中制動力分配的仿真模型并進(jìn)行了仿真實驗，結(jié)果表明所提出的方法可使車輛在行駛過程中能量回收效率提高，有害氣體排放也有所降低。2ADVISOR軟件的仿真過程ADVISOR軟件的仿真模型和源代碼在全球范圍內(nèi)完全公開，用戶可以方便地研究其模型和工作原理，它的最大優(yōu)點是用

7、戶可以根據(jù)自己的需要對模型進(jìn)行修改或重建，該軟件被廣泛應(yīng)用于混合動力系統(tǒng)的仿真和分析中，可實現(xiàn)混合動力電動汽車整車動力性和經(jīng)濟(jì)型的快速分析，零部件的選型和參數(shù)的初始優(yōu)化，以及結(jié)構(gòu)布局和控制策略的比較等功能。目前采用的汽車仿真方法主要有前向仿真和后向仿真兩種：后向仿真不能用于實際行駛狀態(tài)下汽車的動態(tài)仿真；前向仿真計算更為準(zhǔn)確，但會增加計算量，使運行速度減慢，而常用的仿真軟件也多采用其中的一種方法，使兩種方法優(yōu)劣不能互補。而ADVISOR2002采用了后向仿真為主、前向仿真為輔的獨特的混合仿真方法，取得了更好的仿真效果，具有更高的準(zhǔn)確性。其仿真模型如圖1所示，其中箭頭方向代表仿真數(shù)據(jù)傳遞的方向，數(shù)

8、據(jù)自左向右傳遞代表后向仿真路徑，自右向左傳遞代表前向仿真路徑3。圖1 ADVISOR的汽車仿真模型 ADVISOR的操作主要分為三大步：輸入汽車參數(shù)、設(shè)置汽車參數(shù)和查看仿真結(jié)果，它們通過三個主要的GUI界面來完成。（1）輸入汽車參數(shù)： 通過汽車參數(shù)的輸入界面用戶可以對汽車的部件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，界面左側(cè)為汽車相關(guān)的圖像信息：左上方為汽車的結(jié)構(gòu)示意圖,左下方為發(fā)動機或傳動系統(tǒng)的某個總成的性能曲線；右側(cè)為相關(guān)操作區(qū)域:右上方為整車定義文件,例如定義傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如并聯(lián)、串聯(lián),參數(shù)可以修改,如電機的最大功率和峰值效率以及仿真情況下載荷的質(zhì)量。當(dāng)然在參數(shù)設(shè)置時，汽車的零部件須互相匹配，否則ADVISO

9、R軟件將給予“Selection is not couple with other setting”的提示，如圖2所示。圖2 參數(shù)設(shè)置不匹配時的界面（2）仿真參數(shù)的設(shè)置在仿真參數(shù)的設(shè)置界面中可以直觀地觀察到當(dāng)前仿真路況的情況，如坡度隨時間變化的情況。右側(cè)上方可以設(shè)置仿真條件，如道路循環(huán)、時間階躍、循環(huán)次數(shù)、初始條件等。是否進(jìn)行加速度測試和爬坡能力測試為可選項，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。下方可以對最多三個部件參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，有助于研究這些參數(shù)對汽車性能的影響。（3）仿真結(jié)果的輸出從仿真結(jié)果的輸出界面可以看到整個仿真過程中電池的SOC值、氣體排放以及速比的變化。從界面的右側(cè)可以看到具體的文字描述，

10、如CO、HC等氣體的排放值及燃料利用率。點擊Energy Use Figure可以看到整個過程中的能量流動情況。（4）回放功能當(dāng)仿真結(jié)束后，ASDVISOR提供了仿真過程的回放功能，用戶可以形象地看到汽車行駛時車速的變化情況和檔位的變化，如圖3所示。圖3 回放過程3. ADVISOR軟件中的再生制動控制策略ADVISOR 的制動模型是從運動學(xué)角度來確定各制動力的變化,即各制動力制動份額隨車速變化，其默認(rèn)的再生制動策略如圖4所示。圖4 ADVISOR中制動力的分配這種分配方法有很大的局限性：從圖中可以看到車速越高，電制動份額越大；車速越低，電制動份額越小。這種方法不能充分利用電機的再生制動能力，

11、沒有充分發(fā)揮制動系統(tǒng)的潛力，回收的能量有限，回收效率也很低。而且這樣做與實際工況不符4。4.新的制動力分配策略及其制動模塊在原有模型的基礎(chǔ)上建立了基于載荷變化的制動力分配模型,下面加以分析：作用在車身、車架上的載荷：1. 在各種典型情況下車身、車架所受的載荷5就懸掛質(zhì)量系統(tǒng)（車身、車架）而言，取通過其質(zhì)心的坐標(biāo)xyz，如果將系統(tǒng)視為剛體，則它在懸架系上有六個自由度，即沿x、y、z軸的線位移和繞這三個軸的角位移；相應(yīng)有沿x、y、z軸方向的三個力Fx、Fy 和 F z, 和繞三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)矩Tx、彎矩My和Mz, ,如圖5所示。圖5 作用在車身上的力汽車行駛時，一般作用在車身上的力為 （m=x，y

12、，z）式中，km為在x、y、z方向的動荷系數(shù)，；a為沿x、y、z方向的汽車加速度；g為重力加速度；Gr為汽車懸掛著的車身系統(tǒng)自身載荷，是指由懸架的彈性元件所承受的那些部件，如車身、車架以及固定在車身或車架上的所有總成和設(shè)備的重力；Ge為車身的有效載荷，系指額定裝載時，乘員及行李或貨物的重力。Gr、Ge都是靜載荷，按集中載荷F（或均布載荷）分布在車身、車架的適當(dāng)位置i（i=1，2，）上，即。動荷系數(shù)主要取決于三個因素：道路條件，汽車行駛狀況（如車速）和汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于這些因素很復(fù)雜，使動荷系數(shù)難以用數(shù)學(xué)分析法確定。因此，過去在分析時往往分別對某些簡單的路面情況進(jìn)行研究，動荷系數(shù)則取一些理論研

13、究與試驗修正相結(jié)合的半經(jīng)驗數(shù)值。實踐證明，在上述載荷中，影響車身和車架強度的基本載荷有以下兩類：（1）對稱垂直載荷：當(dāng)汽車行駛在路段和路段上，如圖6所示。前后車輪同時駛過相同高度的凸起或洼坑時，假設(shè)汽車結(jié)構(gòu)左右對稱，則承載系統(tǒng)將經(jīng)受與汽車縱向軸線相對稱的垂直作用力Fzs，它是汽車正常行駛情況下的主要動載荷成份，即式中，為對稱垂直動荷系數(shù)。圖6 汽車行駛的路段分析圖日本曾推薦，汽車前、后輪同時駛上具有相同凸起高度的地面時，動荷系數(shù)為式中，,分別為前后懸架與輪胎的合成剛度； 式中，分別為前、后輪胎剛度；，分別為前、后懸架剛度； h為路障高度，在計算中對普通貨車取h=100mm，對轎車及客車取h=8

14、0mm；為經(jīng)驗系數(shù)，取1000; 為車速；為汽車重力（N）。由實驗和計算表明，在強度校核時，各種車型的對稱垂直動荷系數(shù)可取如下數(shù)值：轎車和客車 貨車 越野汽車 (2)非對稱垂直載荷：當(dāng)汽車在圖6所示路段上行駛時，前后輪從平坦路面駛上凸起物，而使左右車輪接地點出現(xiàn)高度差，則承載系統(tǒng)上將作用有非對稱于汽車縱軸線的垂直載荷，如圖7 a所示。這時的載荷可分解為裝有載荷下的對稱垂直作用力（彎曲工況，圖7 b）和由于路面凸起而產(chǎn)生的僅對稱于汽車縱軸的垂直載荷，形成車身繞x軸的轉(zhuǎn)矩（扭轉(zhuǎn)工況，圖7 c）； 式中，F(xiàn)1L， 分別為左、右前輪上的作用力；為前輪距（圖7中，為后輪距）；為非對稱垂直動荷系數(shù)，=1.

15、3（轎車和客車），=1.5（貨車），=1.8（越野汽車）。應(yīng)該指出，汽車行駛時所經(jīng)受的外載荷還帶有隨機性質(zhì)，如疲勞載荷(隨機載荷)。由于對所研究的方面影響小，故忽略不計。而且在汽車行駛時，所受的載荷大部分為非對稱垂直載荷；而且通過仿真分析，在模塊中改變增益常數(shù)值的大小，對結(jié)果不產(chǎn)生影響。圖7 非對稱垂直加載a)一般工況 b）彎曲工況 c）扭轉(zhuǎn)工況5.仿真結(jié)果與分析 為了將改進(jìn)后的控制策略與ADVISOR中原有的控制策略進(jìn)行比較,同時也便于與實際情況比較，選用哈飛HF3A型轎車為原型進(jìn)行研究，具體參數(shù)如表1所示。仿真路況為CYCUDDS解釋一下，如圖9所示。表1 主要仿真參數(shù)整車參數(shù)整車質(zhì)量（滿

16、載）（kg）整車質(zhì)量（空載）（kg）質(zhì)心高度（滿載）（mm）軸距（mm）質(zhì)心到前軸的距離（mm）1580128050826001470質(zhì)心到后軸的距離（mm）風(fēng)阻系數(shù)迎風(fēng)面積（m2）滾動阻力系數(shù)車輪半徑（mm）11300.3352.310.009289圖9 CYCUDDS 工況圖根據(jù)以上分析,在Advisor中修改了原有的模塊，建立了新的再生制動控制模塊，修改后向路徑的制動力模塊如圖10所示，前向路徑的制動力模塊如圖11所示6。圖10 修改后的后向路徑中的再生制動模塊圖11 修改后的前向路徑中的再生制動模塊仿真結(jié)果表明，本文所采用的策略比原有策略回收制動能的優(yōu)勢明顯(在回收制動能方面具有明顯的

17、優(yōu)勢)，整個循環(huán)中蓄電池的儲能增多，排放也有所改善，電機的工作效率也顯著提高。如圖12，表2所示。二次開發(fā)后的仿真結(jié)果原模型中的仿真結(jié)果圖12 電池SOC值的變化情況表2.仿真結(jié)果對比電機平均發(fā)電效率電機平均電動效率回收的能量（KJ）排放（grams/mile）HCCONOxAdvisor策略57.5828%37.5805%13770.520382.36080.40698改進(jìn)后的策略70.1458%39.3337%15860.517032.33740.39844從圖13制動力分配曲線可以看出，HF3A制動力分配曲線在同步附著系數(shù)以上，制動力以接近理想I曲線的方式進(jìn)行分配，且高于法規(guī)要求的最低分

18、配曲線，因此滿足制動力法規(guī)的分配要求。圖13制動力分配曲線結(jié)束語 再生制動是電動車輛和傳統(tǒng)車輛的一個重要區(qū)別；在電動汽車研究中，再生制動已成為降低能耗及提高續(xù)駛里程的技術(shù)手段。本文在ADVISOR 軟件的再生制動仿真模塊基礎(chǔ)上,從動力學(xué)角度搭建了電動汽車再生制動系統(tǒng)各制動力制動份額隨載荷分布的仿真模型。仿真表明所建模型是正確的,拓展了ADVISOR 仿真功能,為利用它來仿真研究電動汽車再生制動系統(tǒng)提供了方便7。參考文獻(xiàn):1. 何新云.串聯(lián)混合動力電動客車動力系統(tǒng)建模與仿真.碩士學(xué)位論文.武漢:武漢理工大學(xué).2003.2. 2.John Paterson，Mike Ramsay，Electric Vehicle Braking by Fuzzy Logic ControlC，IEEE,Industry Applications Society Annual Meeting.19933. 詹迅，秦大同等輕度混合動力汽車再生制動控制策略與仿真研究中國機械工程20064.Zhang Chuanwei,Bai Zhifeng,Gao Binggang,etal，Study on Regenerative B