劉光隆 蔡永明 常健 李德才 李文亮

摘? 要：基于AVL Cruise軟件平臺，建立了增程式電動(dòng)汽車的仿真模型和再生制動(dòng)控制策略的控制模塊。對不同的控制策略進(jìn)行了仿真對比分析，結(jié)果表明本文制定的控制策略可以較好的兼顧能量回收利用率和安全性，對實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：增程式;電動(dòng)汽車;再生制動(dòng);控制策略

中圖分類號：U469.72? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2020）03-0022-05

Abstract： Based on the AVL cruise software platform， the simulation model and the control module of regenerative braking control strategy of range-extender electric vehicle are established. Different control strategies are simulated and analyzed. The results show that the control strategy proposed in this paper can give a good consideration to energy recovery and safety， it has certain reference value to the actual engineering design.

1? ? 前言

制動(dòng)能量再生回收是電動(dòng)汽車最重要的特點(diǎn)之一。在車輛制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)將汽車的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，存儲在能量存儲單元中，從而顯著提高汽車的能量利用效率，降低車輛實(shí)際能耗。

本文基于AVL Cruise軟件平臺對一款增程式電動(dòng)汽車進(jìn)行整車建模，結(jié)合增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)，在滿足ECE制動(dòng)法規(guī)要求的前提下，制定了一種再生制動(dòng)能量回收控制策略，同時(shí)對控制策略進(jìn)行了仿真對比分析。

2? ? 制動(dòng)能量回收控制原則

在電動(dòng)汽車中，車輛總制動(dòng)力由機(jī)械摩擦制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力組成，而電機(jī)再生制動(dòng)力只能作用在車輛驅(qū)動(dòng)輪上。再生制動(dòng)控制的目的就是解決前后制動(dòng)力的分配和驅(qū)動(dòng)輪上電機(jī)再生制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力的分配問題。再生制動(dòng)控制策略的制定將直接影響車輛制動(dòng)能量回收效果和制動(dòng)時(shí)的車輛安全性。針對這種混合制動(dòng)系統(tǒng)，再生制動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)既要保證汽車的安全性又要盡可能多的回收制動(dòng)能量。但是這兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)存在一定的矛盾性，所以再生制動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)就是在這兩個(gè)目標(biāo)之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

基于制動(dòng)安全考慮，ECE法規(guī)對前后輪制動(dòng)力分配有嚴(yán)格規(guī)定，在總制動(dòng)力需求一定的情況下，只能在法規(guī)規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行前后輪制動(dòng)力的分配?；谀芰炕厥兆畲蠡脑瓌t，在法規(guī)允許范圍內(nèi)盡可能多的把制動(dòng)力分配給驅(qū)動(dòng)輪;在電機(jī)發(fā)電和電池充電功率的允許范圍內(nèi)盡可能多的把驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力分配給電機(jī)再生制動(dòng)。

3? ? 制動(dòng)能量回收控制策略

3.1? ?制動(dòng)模式劃分

基于制動(dòng)強(qiáng)度，通常把制動(dòng)劃分為如下三種模式：

輕度制動(dòng)：汽車在緩慢停車或者長下坡時(shí)，對制動(dòng)力的要求不是很大，駕駛員只需輕踩制動(dòng)踏板即可滿足要求，該工況為輕度制動(dòng)工況，本文定義制動(dòng)強(qiáng)度z<0.2時(shí)為輕度制動(dòng)。由于在輕度制動(dòng)時(shí)，法規(guī)對制動(dòng)力分配系數(shù)沒有嚴(yán)格的限制，所以當(dāng)車輛在輕度制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力可以完全由驅(qū)動(dòng)輪提供。通過查閱文獻(xiàn)，國內(nèi)一般小轎車的制動(dòng)強(qiáng)度門限值一般限制在0.15左右，所以為了能夠更多的回收制動(dòng)能量，當(dāng)車輛制動(dòng)強(qiáng)度z<0.15時(shí)，整車制動(dòng)力完全由驅(qū)動(dòng)輪的再生制動(dòng)提供。

正常制動(dòng)：一般汽車在城市道路行駛遇到紅燈或行人需要減速或停車的工況，需要提供一個(gè)相對較大的制動(dòng)力，該工況為正常制動(dòng)工況，本文定義0.2≤z≤0.7為正常制動(dòng)。該工況又分停車過程和減速過程，其中停車過程制動(dòng)力完全由機(jī)械摩擦制動(dòng)提供，減速過程以再生制動(dòng)為主機(jī)械摩擦制動(dòng)為輔。

緊急制動(dòng)：當(dāng)汽車行駛過程中遇到緊急情況，需要迅速減速或停車時(shí)，駕駛員通常會(huì)深踩制動(dòng)踏板，該工況為緊急制動(dòng)，本文定義z>0.7為緊急制動(dòng)。在該工況下，由于制動(dòng)時(shí)間短，強(qiáng)度大，從安全方面考慮，采用完全機(jī)械制動(dòng)完成。

3.2? ?制動(dòng)能量回收約束條件

在制定制動(dòng)能量回收控制策略時(shí)，為了兼顧效率、安全、舒適和相關(guān)零部件的使用壽命，需要同時(shí)考慮一些約束條件。

動(dòng)力電池的SOC狀態(tài)：為了防止過充，當(dāng)電池組SOC值達(dá)到設(shè)計(jì)允許的上限值時(shí)，為保護(hù)電池，延長電池的使用壽命，不進(jìn)入再生制動(dòng)。

動(dòng)力電池的充電功率限制：為了保證電池安全，延長電池使用壽命，制動(dòng)回收的功率不能超過電池的最大充電功率。

車速：當(dāng)車速較低時(shí)，電機(jī)制動(dòng)電動(dòng)勢較小，能量難以回收，同時(shí)考慮制動(dòng)安全性，不進(jìn)入再生制動(dòng)。

制動(dòng)強(qiáng)度：當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度過大是，為了保證制動(dòng)安全性，同時(shí)防止電機(jī)、電池瞬間充電功率過大，不進(jìn)入再生制動(dòng)。

電池溫度：當(dāng)電池溫度達(dá)到設(shè)計(jì)的上限值時(shí)，不進(jìn)入再生制動(dòng)。

3.3? ?再生制動(dòng)控制策略

車輛運(yùn)行在增程模式時(shí)，增程器按相應(yīng)的控制策略輸出功率，此時(shí)如果車輛進(jìn)入再生制動(dòng)模式，增程器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)將同時(shí)給電池充電，如果電機(jī)制動(dòng)回收的功率很大時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致充電功率過大，超過電池充電功率，所以在該工況下當(dāng)制動(dòng)回收的功率超過一定限制值時(shí)，增程器的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)入怠速工況，這樣既可以保護(hù)電池過充，又可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停。

基于前文的制動(dòng)模式劃分、制動(dòng)能量回收的約束條件和增程模式下對相關(guān)硬件的保護(hù)，制定了本文的再生制動(dòng)控制策略。

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度Z>0.7時(shí)，車輛制動(dòng)力完全由機(jī)械制動(dòng)提供。

當(dāng)電池電量SOC≥SOCMax或電池溫度T_Bat≥TMax時(shí)，車輛制動(dòng)力完全由機(jī)械制動(dòng)提供。

當(dāng)車速V≤VMin時(shí)，車輛制動(dòng)力完全由機(jī)械制動(dòng)提供。

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度0.2≤z<0.7和 V≥Vmin時(shí);如果制動(dòng)回收功率低于最大回收功率限制，車輛分配給驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力完全由再生制動(dòng)提供;如果制動(dòng)回收功率高于最大回收功率限制，車輛分配給驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力將由機(jī)械制動(dòng)和再生制動(dòng)共同提供。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，車輛再生制動(dòng)大于設(shè)定限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入怠速工況。

如圖2所示為制動(dòng)能量回收控制策略流程圖。

4? ? 制動(dòng)能量回收策略仿真分析

本文采用AVL Cruise對制動(dòng)能量回收策略進(jìn)行仿真分析，其中整車仿真模型在AVL Cruise軟件中搭建;制動(dòng)能量回收控制模塊根據(jù)制定的控制策略自主搭建，通過生成的DLL文件與AVL Cruise模型形成無縫連接。

4.1? ?仿真模型

本文仿真模型搭建的關(guān)鍵在AVL Cruise的整車仿真模型與制動(dòng)能量回收控制策略模塊之間的信號交互，這是模型搭建的重點(diǎn)。整車仿真模型如圖3所示：

在自主搭建制動(dòng)能量回收控制器模塊時(shí)，為了最大限度的模擬實(shí)車狀態(tài)，仿真控制策略應(yīng)基于實(shí)車控制策略及相關(guān)信號進(jìn)行搭建?；谇拔闹贫ǖ哪芰炕厥湛刂撇呗裕苿?dòng)能量回收的控制模型如圖4所示：

4.2? ?仿真結(jié)果與分析

基于前文建立的仿真和控制模型，進(jìn)行了如下三個(gè)方面的仿真分析。

在制動(dòng)強(qiáng)度小于0.15的輕度制動(dòng)情況下，不同的前后輪制動(dòng)力分配方案對制動(dòng)能量回收的影響。

當(dāng)車輛工作在增程模式下時(shí)，車輛進(jìn)入制動(dòng)能量回收模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)維持原工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)回怠速狀態(tài)，對動(dòng)力電池的影響。

當(dāng)車速較低時(shí)，對制動(dòng)能量回收的影響。

圖5是車輛以60Km/h速度勻速下坡時(shí)不同坡度與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，從數(shù)據(jù)可以看出，坡度越大制動(dòng)強(qiáng)度越大，當(dāng)坡度達(dá)到10%時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度為0.07。由以上數(shù)據(jù)可以判斷當(dāng)車輛在下坡工況正常行駛時(shí)，制動(dòng)強(qiáng)度基本不會(huì)超過0.15。

圖6、圖7是車輛以60Km/h速度勻速下坡時(shí)制動(dòng)力按例分配給前后輪和制動(dòng)力100%由驅(qū)動(dòng)輪提供兩種不同的制動(dòng)力分配下，不同坡度的電機(jī)發(fā)電效率對比和電池充電功率對比;其中分配給驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力完全來自于電機(jī)再生制動(dòng)。從數(shù)據(jù)對比可以看出當(dāng)車輛制動(dòng)力100%由驅(qū)動(dòng)輪再生制動(dòng)提供時(shí)，電機(jī)的發(fā)電效率和電池的充電功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于制動(dòng)力按比例進(jìn)行前后輪分配的策略。

由以上分析可以得出當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度小于0.15時(shí)，整車制動(dòng)力完全由驅(qū)動(dòng)輪的再生制動(dòng)提供，這將大大提高制動(dòng)能量的回收利用率。

如圖8所示為車輛增程模式下車速為60Km/h時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作工況制動(dòng)強(qiáng)度與充電功率關(guān)系對比。如果發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)維持不變，則車輛制動(dòng)能量回收時(shí)增程器和回收制動(dòng)兩部分充電功率的疊加有可能會(huì)導(dǎo)致充電功率過高的情況，如圖所示，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度為0.45時(shí)，充電功率達(dá)到了90Kw以上，但如果讓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入怠速工況只維持增程器的運(yùn)行狀態(tài)而不再給電池充電，則充電功率會(huì)低很多。

所以在增程模式下當(dāng)制動(dòng)回收功率超過某一限值時(shí)，應(yīng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入怠速工況。這樣既可以防止由于兩方面充電功率的疊加可能導(dǎo)致的電池過充，同時(shí)也可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟停。

圖9為在制動(dòng)強(qiáng)度z=0.4時(shí)電機(jī)發(fā)電效率與車速的關(guān)系曲線。在同樣的制動(dòng)強(qiáng)度下，隨著車速的降低，電機(jī)的發(fā)電效率逐漸減小，而且車速越低效率下降的速率越快，當(dāng)車速低于一定值時(shí)，制動(dòng)能量的回收率是非常低的。

圖10為車速為10Km/h時(shí)電池充電功率與制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系曲線。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z=0.5時(shí)，充電功率也只有不到6Kw，而且隨著制動(dòng)強(qiáng)度降低，該值越小。

結(jié)合圖9、圖10分析，當(dāng)車速很低時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電效率和電池的充電功率都非常低，能量難以回收，同時(shí)考慮低速停車制動(dòng)的安全性，當(dāng)車速低于某一限值時(shí)，車輛制動(dòng)力完全由機(jī)械摩擦制動(dòng)提供。

5? ? 結(jié)束語

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的回收策略直接決定了制動(dòng)能量的回收率和車輛的制動(dòng)安全性，本文利用AVL Cruise軟件平臺搭建了仿真模型和再生制動(dòng)控制模型，對不同的回收策略進(jìn)行了仿真對比分析，結(jié)果表明該策略可以較好的兼顧能量回收利用率和制動(dòng)安全性，具有一定的可行性。同時(shí)利用本文仿真分析方法可以對實(shí)車制動(dòng)能量回收控制策略制定提供參考和方向，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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