純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略

純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略摘要：針對(duì)某款前驅(qū)式純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種查表式再生制動(dòng)控（SOC）及制動(dòng)強(qiáng)度這五個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)制動(dòng)能量回收控制策略。利用AVLCruise搭建整車模型，利用Matlab/Simulink搭建制動(dòng)能量回收控制策略模型，在新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）工況下，對(duì)所設(shè)計(jì)的制動(dòng)能量回收控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真并驗(yàn)證其正確性。仿真結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的制動(dòng)能量回收控制策略符合制動(dòng)穩(wěn)定性及安全性的要求，且可以進(jìn)行制動(dòng)能量回收，并提高電池荷電狀態(tài)，制動(dòng)能量回收可達(dá)18%。RegenerativeBrakingControlStrategyforElectricVehicleAbstract:Aimingattheenergyrecoveryproblemofafront-driveelectricvehicle,thispaperproposesabrakingenergyrecoverycontrolstrategybasedonlook-uptablemethod.Basedoneconomiccommissionofeurope(ECE)regulations,Icurveandfrontandrearbrakingforcedistributionmethodofflinegroupwithroadadhesioncoefficientof0.7,thebrakingenergyrecoverycontrolstategywasdesignedaccordingtofiveinfluencingfactorsincludingacceleratorpedaldisplacement,brakepedaldisplacement,vehiclespeed,batterystateofcharge(SOC)andbrakingstrength.AVLCruisewasusedtobuildthevehiclemodel,andMatlab/Simulinkwasusedtobuildthebrakingenergyrecoverycontrolstrategymodel.Intheneweuropeandrivingcycle(NEDC)condition,thedesignedbrakingenergyrecoverycontrolstrategywasjointlysimulatedandverifiedwhetheritwillbecorrect.Thesimulationresultsshowthatthecontrolstrategydesignedinthispapermeetstherequirementsofbrakingstabilityandsafety,andrecoversbrakingenergy,andimprovesbatterySOC,Brakingenergyrecoveryisupto18%.Keywords:Electricvehicle;Regenerativebrake;Controlstrategy;Energyrecovery;Jointsimulation目前，純電動(dòng)汽車的最大優(yōu)勢(shì)在于其行駛過(guò)程中噪音小且對(duì)環(huán)境友好。因此，電動(dòng)汽車的發(fā)展受到了重視[1]。由于車輛在行駛過(guò)程中的路況信或者受到氣溫的影響時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致純電動(dòng)汽車的于當(dāng)前電池技術(shù)不能取得較好的發(fā)展，因而影響純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展[3]。當(dāng)前再生制動(dòng)技術(shù)的研究及應(yīng)用可以在很大程度上緩解電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程不足的缺陷。當(dāng)車輛由于制動(dòng)需求而進(jìn)入到制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)模式會(huì)切換至發(fā)電機(jī)模式，根據(jù)電機(jī)的四象限工作原理，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)模式時(shí)，車輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)輸入動(dòng)能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將其中的一部分能量傳輸至動(dòng)力電池，從而起到能量回收的目的[4]。近年來(lái)，針對(duì)制動(dòng)能量回收技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者從不同的角度出發(fā)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究。盧秀和等人[5]針對(duì)某款純電動(dòng)汽車，提出通過(guò)采用模糊控制理論，在建立的再生制動(dòng)控制策略中引入三輸入單輸出的模糊控制器，仿真結(jié)果表明，能量回收效率可提高6.55%。郭金剛等[6]提出依據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度的不同，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的前、后軸制動(dòng)力分配策略以及采用再生制動(dòng)最優(yōu)控制策略，并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，制動(dòng)強(qiáng)度的大小會(huì)影響能量回收效率且該策略可以很好的回收制動(dòng)能量，但是控制策略較為復(fù)雜。LIS等[7]提出采用模糊控制的方法，并考慮了電機(jī)的充電功率等對(duì)電機(jī)制動(dòng)力的影響，建立了模糊控制策略并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果顯示所提出的控制策略能夠有效地回收制動(dòng)能量，但是忽略了電池的安全性問(wèn)題。ANDREWA等[8]設(shè)計(jì)了一種超級(jí)電容及鋰離子電池儲(chǔ)能模塊，采用DC/DC變換電路，在新能源汽車上實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收，但是未發(fā)揮出電機(jī)的制動(dòng)潛力。針對(duì)以上研究所存在的不足，本文提出以某款前驅(qū)式純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，基于聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（EconomicCommissionofEurope,ECE）汽車法規(guī)，I曲線以及f線組的前、后軸制動(dòng)力分配方法，提出以加速踏板位移、制動(dòng)踏板位移、電池荷電狀態(tài)（StateOfCharge,SOC）值、車速及制動(dòng)強(qiáng)度為判斷條件，并根據(jù)前、后軸制動(dòng)力分配來(lái)計(jì)算整車制動(dòng)力與前、后軸制動(dòng)力的關(guān)系，在Simulink中建立制動(dòng)能量回收控根據(jù)本文提出的控制策略，合理分配電機(jī)制動(dòng)力占比，在進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，還應(yīng)保證車輛的制動(dòng)安全性。分別在AVLCruise和Simulink中建立整車模型和再生制動(dòng)控制策略模型，將控制策略模型編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DynamicLinkLibrary,DLL）文件并導(dǎo)入至AVLCruise整車模型中并進(jìn)行聯(lián)合仿真，使其達(dá)到制動(dòng)能量回收的目的。1制動(dòng)力分析圖1為車輛在水平路面上制動(dòng)時(shí)的受力狀況，圖中忽略了車輛的滾動(dòng)阻力偶矩、空氣阻力以及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力偶矩[9]。圖1車輛制動(dòng)過(guò)程受力分析車前輪地面制動(dòng)力，N；Fx2為汽車后輪地面制動(dòng)力，N；Fz1為地面對(duì)前輪的法向反作用力，N；Fz2為地面對(duì)后輪的法向反作用力，N；aj為制動(dòng)減速度，m/s2；L為汽車軸距，m心至前軸距離，mm；b為汽車質(zhì)心至后軸距離，kg。1.1理想制動(dòng)力分配曲線車輛行駛在任何附著系數(shù)的路面上，當(dāng)車輛因此，前、后軸制動(dòng)力分配曲線被稱為理想制動(dòng)力分配曲線。為保證制動(dòng)時(shí)的安全性，前、后輪處于同時(shí)抱死的狀態(tài)，在車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，由于車輛初始減速度較大，對(duì)路面附著條件的利用以及車輛制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性較好。理想制動(dòng)力分配曲線也稱為I曲線[10]，表達(dá)式為Fb21）式中，F(xiàn)b1為前輪制動(dòng)器制動(dòng)力，N；Fb2為后動(dòng)器制動(dòng)力，N；G為汽車重力，N。1.2ECE制動(dòng)法規(guī)曲線為了保證制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性和有足夠的制動(dòng)效率，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)制定的ECER13制動(dòng)對(duì)雙軸汽車前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力提出了明確的要求，對(duì)于附著系數(shù)φ=0.2～0.8的各種車輛，其制動(dòng)強(qiáng)度z要滿足z≥0.1+0.85(φ-0.2此時(shí)，前軸利用附著系數(shù)曲線φf(shuō)應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線φr之上，經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)，可得出前、后軸制動(dòng)力關(guān)系式為[10]在車輛進(jìn)行制動(dòng)的過(guò)程中，路面所能提供的最大制動(dòng)力由路面的附著系數(shù)來(lái)決定，另一方面，當(dāng)車輛前輪先抱死拖滑，后輪還未抱死但趨向抱死狀態(tài)，在該條件下，前、后地面制動(dòng)力關(guān)系曲線稱為f線組，而本文采用常見的瀝青、混凝土路面，其附著系數(shù)為0.7，f線組的表達(dá)1.3前后軸制動(dòng)力分配在進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，應(yīng)首先確保車輛制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性及安全性，其次進(jìn)行能量回收[12]。在進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，只有驅(qū)動(dòng)輪所產(chǎn)生的制動(dòng)能量能夠被回收，即本文研究對(duì)象只有前輪所產(chǎn)生的制動(dòng)能量可被回收。結(jié)合分析上述理想制動(dòng)力分配曲線關(guān)系式、ECE制動(dòng)法規(guī)曲線關(guān)系式以及路面附著系數(shù)等于0.7時(shí)的f線組關(guān)系式，按照給出的某款前驅(qū)式純電動(dòng)汽車參數(shù)，利用繪圖工具可以作出如圖2所示的前、后軸制動(dòng)力分配曲線。一方面，根據(jù)該分配曲線，可以計(jì)算前、后軸制動(dòng)力與整車需求制動(dòng)力之間的關(guān)系，為后續(xù)的再生制動(dòng)控制策略建模提供理論基礎(chǔ)；另一方面，本文所設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制策略采用的前、后軸制動(dòng)力分配可以按照?qǐng)D中ABCDE線段進(jìn)行分配。在該分配曲線下，不但能夠確保車輛的制動(dòng)安全性和穩(wěn)定性，還能夠有效地提升制動(dòng)能量回收效率。圖2制動(dòng)力分配曲線本文中需要定義一個(gè)臨界制動(dòng)強(qiáng)度z，根據(jù)該制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行制動(dòng)能量回收的判別。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，能夠判別此時(shí)車輛處于輕度制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)可以提供整車需求制動(dòng)力；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度大于z分配。假定本文采取的制動(dòng)強(qiáng)度為0.2，在此制動(dòng)強(qiáng)度下，車輛在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)符合再生制動(dòng)的要求。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度小于0.2時(shí)，此時(shí)車輛的制動(dòng)需求較小，電機(jī)制動(dòng)力可以提供整車需求制動(dòng)力，此時(shí)后軸制動(dòng)力為0，前、后軸制動(dòng)力分配按照?qǐng)D2中的AB段進(jìn)行分配；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度大于0.2且小于而在制動(dòng)強(qiáng)度增加的過(guò)程中，應(yīng)使前軸分配更多的電機(jī)制動(dòng)力，能夠確保車輛制動(dòng)時(shí)的能量回收效率和車輛制動(dòng)安全性，如圖2中BC、CD段所動(dòng)狀態(tài)，為確保車輛制動(dòng)安全性，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)退出工作，整車需求制動(dòng)力全部由液壓制動(dòng)力提2制動(dòng)能量回收控制策略在駕駛員準(zhǔn)備制動(dòng)的過(guò)程中，其動(dòng)作可以大致分為三個(gè)部分，如：釋放油門踏板、將腳移至制動(dòng)踏板上、踩下制動(dòng)踏板。在駕駛員踩下制動(dòng)踏板以后，此時(shí)需要判斷車輛的當(dāng)前車速、電池SOC值以及制動(dòng)強(qiáng)度，根據(jù)這三個(gè)條件來(lái)判斷制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在何時(shí)介入，圖3為制動(dòng)能量回是是收控制策略流程圖。SOC、LO、L6、Z、V驅(qū)動(dòng)模式否否是否SOC<95%SOC<95%否V>10kmV>10km/h是否Z<0.70<Z<0.20.2<Z<0.7Z>0.7電機(jī)制動(dòng)電機(jī)+機(jī)械制動(dòng)圖3制動(dòng)能量回收控制策略流程2.1制動(dòng)能量回收判斷條件當(dāng)車輛處于正常的行駛狀態(tài)中時(shí)，要判斷其在何時(shí)制動(dòng)，要通過(guò)油門踏板和制動(dòng)踏板的位移來(lái)進(jìn)行判斷。當(dāng)油門踏板的位移大于0時(shí)，表明此時(shí)車輛處于正常的加速行駛過(guò)程中，此過(guò)程不進(jìn)行制動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)踏板的位移大于0時(shí)，表明車輛有進(jìn)行制動(dòng)的趨勢(shì)，但要判別車輛在何種狀態(tài)下進(jìn)行制動(dòng)能量回收，仍需要判別其他因素。2.2電池SOC值判斷車輛在進(jìn)行制動(dòng)的過(guò)程中，判別制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在何時(shí)介入，首要判別電池SOC值。考慮電池充電安全，本文將初始電池SOC值設(shè)置為95%，當(dāng)電池SOC值大于95%或小制動(dòng)能量回收。2.3車輛當(dāng)前車速判斷此外，還需要判別車輛的當(dāng)前車速，當(dāng)車輛處于低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，在車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，因?yàn)槌跏贾苿?dòng)減速度較小，電機(jī)能夠提供整車需求制動(dòng)力；當(dāng)車輛速度較大時(shí)，為了盡可能多的回收制動(dòng)能量，應(yīng)增加前軸電機(jī)制動(dòng)力分配比例，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力提供整車需求制動(dòng)力；當(dāng)車輛速度較高時(shí)，由于初始制動(dòng)減速度較大，為保證車輛制動(dòng)安全性，電機(jī)制動(dòng)退出工作且液壓制動(dòng)力提供整車需求制2.4車輛制動(dòng)強(qiáng)度判斷另外，還需要判斷車輛制動(dòng)強(qiáng)度的大小，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，電機(jī)可以提供整車需求制動(dòng)力，該制動(dòng)狀態(tài)為輕度制動(dòng)；隨著車速的增加，制動(dòng)減速度不斷提升，在進(jìn)行中度制動(dòng)時(shí)，應(yīng)增加前軸電機(jī)制動(dòng)力所占比例，剩余不足的制動(dòng)力由液壓制動(dòng)力提供；當(dāng)車速較高時(shí)，由于初始制動(dòng)減速度也較大，因此，在車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，在確保車輛安全性的前提下進(jìn)行制動(dòng)能量回收，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)退出工作，液壓制動(dòng)力提供整車需求制動(dòng)值、車速以及制動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了本文的再生制動(dòng)控制策略，圖4為再生制動(dòng)控制策略圖。圖4制動(dòng)能量回收控制策略3仿真分析3.1仿真模型的建立本文采用Cruise建立純電動(dòng)汽車整車模型，采用Simulink建立再生制動(dòng)控制策略模型，并將二者進(jìn)行聯(lián)合仿真。首先，在Cruise中建立純電動(dòng)汽車模型，主要包括差速器模塊、主減速器模表1汽車主要參數(shù)整車參數(shù)參數(shù)值整備質(zhì)量m/kg滿載質(zhì)量m/kg軸距L/mm質(zhì)心至后軸距離b/mm質(zhì)心高度hg/mm500迎風(fēng)面積A/m22.65車輪半徑r/mm275空氣阻力系數(shù)CD0.39額定電壓U/V345最大轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊和電池模塊等；在Matlab/Simulink中建立本文所設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制策略，配置編譯環(huán)境，并對(duì)再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行編譯，將編譯生成的DLL文件導(dǎo)入Cruise模型中進(jìn)行聯(lián)合仿真。根據(jù)控制策略所需要的信號(hào)實(shí)現(xiàn)Cruise和Simulink的數(shù)據(jù)交換[13]，汽車主要參數(shù)見表1。3.2仿真結(jié)果分析圖5為本文建立的整車模型在加載了制動(dòng)能量回收控制策略后，在NEDC工況下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線?？梢钥闯?，當(dāng)車輛在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，電機(jī)均會(huì)產(chǎn)生負(fù)扭矩為車輛提供制動(dòng)力矩。如圖5所示，由于市區(qū)循環(huán)的車速遠(yuǎn)低于市郊循環(huán)車速，因此，在市區(qū)循環(huán)工況中，車輛的車速不高，其制動(dòng)強(qiáng)度較小，因此，需求制動(dòng)力矩較小，所以電機(jī)制動(dòng)力矩相對(duì)較小約為61Nm；而車輛處于需要較大的制動(dòng)力矩，而電機(jī)相應(yīng)的可以產(chǎn)生較大的制動(dòng)力矩，最大可達(dá)到94Nm。圖5電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線圖6為車輛的當(dāng)前車速與實(shí)際車速的對(duì)比情況。在NEDC工況下，車輛主要有等速、加速、減速、停車這四種工況，圖中所示的需求車速是NEDC工況下所設(shè)定的車速，而當(dāng)前車速是指車輛在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)車速。從圖中可以看出，當(dāng)前車速能夠很好的跟隨需求車速，由此可見，本文所設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制策略能夠達(dá)到仿真的要求。圖7為車輛在不加載任何控制策略以及加載了本文所設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制策略后，電池SOC值在經(jīng)過(guò)一個(gè)NEDC循環(huán)工況下的變化情況。可以看出，在兩種不同的仿真工況下，電池的SOC值呈下降趨勢(shì)。在進(jìn)行仿真前，設(shè)置電池SOC值為95%，當(dāng)不加任何控制策略時(shí)，電池的SOC值下降趨勢(shì)較明顯，由95%下降至90.7%；當(dāng)車輛加載了本文所設(shè)計(jì)的再生制動(dòng)控制策略后，在車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，電池SOC值下降的較緩慢，且電池SOC值由95%下降至91.6%；而且當(dāng)車輛在進(jìn)行制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電池SOC值有明顯的上升趨勢(shì)，車輛的初始速度越大，電池SOC值上升越明顯,而且在市郊循環(huán)中，這種情況更加明顯。959493929190-一圖6當(dāng)前車速與需求車速-一--無(wú)制動(dòng)能量回收控制策略圖7電池SOC值變化曲線圖8為車輛的總能量輸出和總能量輸入的變能量為9765.22kJ，由式（4）計(jì)算可得能量回收效率為18%[14]。為整車總輸出能量。[3]馬什鵬,張劉鋒,馬永娟,等.再生制動(dòng)能量回收研究綜述[J].汽車文摘,2021(8):19-26.[4]趙國(guó)柱.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.[5]盧秀和,鄒愷睿.基于模糊控制的純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2019,19(13):271-275.[6]郭金剛,董昊軒,盛偉輝,等.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量回收最優(yōu)控制策略[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2018,39(2):圖8能量輸入、輸出曲線[7]LIS,YUB,FENGX.ResearchonBrakingEnergyRecoveryStrategyofElectricVehicleBasedonECERegulationandCurve[J].ScienceProcess.2019,圖8能量輸入、輸出曲線本文針對(duì)某款前驅(qū)式純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量ECE法規(guī)曲線以及路面附著系數(shù)為0.7的f線組的前、后軸制動(dòng)力分配方法，