馬一馳，牛志剛

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

近年來，內(nèi)燃機(jī)汽車數(shù)量的不斷增長使得環(huán)境與能源安全問題日益嚴(yán)重，而發(fā)展新能源汽車為這一問題提供了一種可行的解決辦法。因此，各種類型的電動(dòng)汽車有了迅猛的發(fā)展。但是，電動(dòng)汽車自身也有著很多技術(shù)瓶頸限制了自身的發(fā)展，而其中最重要的一方面就是動(dòng)力電池技術(shù)。動(dòng)力電池是各類電動(dòng)汽車中最為關(guān)鍵的部件之一，即便是目前大力發(fā)展的氫燃料電池電動(dòng)汽車，由于其燃料電池系統(tǒng)的控制難度較大，一般也需要加入動(dòng)力電池以保證整車運(yùn)行的穩(wěn)定性和制動(dòng)能量的回收。雖然目前的動(dòng)力電池在種類、制造技術(shù)以及性能等方面都在持續(xù)進(jìn)步和提高，但仍然不能完全滿足使用要求，存在著很多問題。而這些問題造成電動(dòng)汽車上的能源相對緊張且相對于傳統(tǒng)汽車能源再次補(bǔ)充慢[1]。因此，電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問題之一就是如何提高能量利用效率，使有限的能源更多的利用在驅(qū)動(dòng)汽車行駛上以提高續(xù)航里程。

提高電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量利用效率的重要方向之一就是采用再生制動(dòng)技術(shù)。再生制動(dòng)即在制動(dòng)過程中控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)使之以發(fā)電機(jī)模式工作，同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力矩作為汽車制動(dòng)時(shí)的部分制動(dòng)力來源，從而將部分原本需要通過摩擦制動(dòng)耗散的能量回收到動(dòng)力電池中供汽車?yán)^續(xù)使用，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的一項(xiàng)技術(shù)[2]。雖然再生制動(dòng)系統(tǒng)有著相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，但是電動(dòng)汽車在制動(dòng)時(shí)不能僅通過電機(jī)提供的制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)。因?yàn)樵谥苿?dòng)時(shí)電機(jī)可以提供的制動(dòng)力非常有限且易受到各種條件限制，在中高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，需要再生制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同工作共同提供制動(dòng)力才能夠滿足此工況下的制動(dòng)力需求[3]。因此，需為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)一種兼顧能量回收效率與制動(dòng)安全性的摩擦—電機(jī)復(fù)合制動(dòng)力分配策略。所設(shè)計(jì)的分配策略可以用于純電動(dòng)汽車或燃料電池混合動(dòng)力汽車等各類帶有動(dòng)力電池的電動(dòng)汽車。分配策略設(shè)計(jì)完成后，分別使用MATLAB/Simulink與CRUISE建立復(fù)合制動(dòng)力分配策略模型與電動(dòng)汽車整車模型，并在新標(biāo)歐洲測試循環(huán)（以下簡稱NEDC）工況和自行構(gòu)建的太原市綜合行駛工況下進(jìn)行聯(lián)合仿真，以評估所設(shè)計(jì)分配策略的可行性、有效性及在本地化工況下的運(yùn)行效果。

2 復(fù)合制動(dòng)力分配策略的建立

由于電動(dòng)汽車（含有再生制動(dòng)系統(tǒng)）在部分制動(dòng)工況下的制動(dòng)力來源有兩部分，即摩擦制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力。而制動(dòng)力在前后軸間的分配影響著制動(dòng)時(shí)的安全性與制動(dòng)效能，摩擦制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力的分配影響著再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量的回收效率[4-5]。因此，分配策略分為前后軸間的制動(dòng)力分配與驅(qū)動(dòng)軸摩擦—電機(jī)制動(dòng)力的分配。

2.1 前、后軸間的制動(dòng)力分配策略

對于前后軸間制動(dòng)力的分配采用了構(gòu)建目標(biāo)車型安全制動(dòng)區(qū)域的方法。安全制動(dòng)區(qū)域即在前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力關(guān)系曲線圖上由I曲線、f線組、歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（以下簡稱ECE）法規(guī)下限值曲線、x軸圍成的封閉區(qū)域[6]。通過圍成此區(qū)域的四條曲線可知，此區(qū)域的構(gòu)建充分考慮了制動(dòng)理論、法規(guī)要求、目標(biāo)車型的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)形式、能量回收效率等因素，是一種合理且直觀的方法。

根據(jù)制動(dòng)理論可知，I曲線所表達(dá)的關(guān)系為：汽車在制動(dòng)工況下前后軸所有車輪同時(shí)抱死時(shí)前后制動(dòng)器制動(dòng)力之間的關(guān)系[7]，使用公式表述為：

式中：Fμ1、Fμ2—前、后制動(dòng)器的制動(dòng)力；L—汽車軸距；G—汽車重力；a，b，hg—汽車質(zhì)心到前軸、后軸、地面的距離。

而f線組表達(dá)的關(guān)系為：汽車在制動(dòng)工況下后輪未抱死而前輪抱死時(shí)，汽車前、后軸車輪所受的地面制動(dòng)力關(guān)系。根據(jù)路面附著系數(shù)取值的不同，f線組為過固定點(diǎn)而斜率不同的一組直線，使用公式表述為：

式中：FX1、FX2—前、后軸的地面制動(dòng)力；φ—路面附著系數(shù)。

由于分配策略應(yīng)用的目標(biāo)車型驅(qū)動(dòng)形式為前驅(qū)，故只有前軸可回收制動(dòng)能量。因此制動(dòng)力分配應(yīng)傾向于前軸，這種分配方式還有利于防止出現(xiàn)后軸提前抱死的危險(xiǎn)工況，但前提條件是滿足ECE法規(guī)的要求（我國相關(guān)法規(guī)也同樣做出這種要求）。ECE下限值曲線就是考慮ECE制動(dòng)法規(guī)要求所構(gòu)建的曲線，其含義為在滿足法規(guī)且盡可能使前軸獲得的制動(dòng)力達(dá)到最大時(shí)前后軸間的制動(dòng)力關(guān)系曲線[8]。若設(shè)制動(dòng)強(qiáng)度為z，使用公式表述為：

其中，各量的含義均與上文相同。將目標(biāo)車型數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3），可以在前后制動(dòng)器制動(dòng)力坐標(biāo)圖上作出其圖像，如圖1所示。構(gòu)成的封閉區(qū)域OABC即為安全制動(dòng)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的取值均不會(huì)使車輪在制動(dòng)時(shí)發(fā)生抱死現(xiàn)象。根據(jù)圖1所示的安全制動(dòng)區(qū)域，前后軸制動(dòng)力取安全制動(dòng)區(qū)域的下邊界線（圖中黑色粗實(shí)線）時(shí)，可以使制動(dòng)力分配最大程度上傾向于前軸，且制動(dòng)時(shí)既不抱死，又能滿足法規(guī)要求。再使用當(dāng)前需求制動(dòng)強(qiáng)度下的等制動(dòng)強(qiáng)度線（圖中以z=0.3時(shí)為例）與O-A-B-C線相交，交點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)即為前后軸需求制動(dòng)力F1與F2的值。

圖1 電動(dòng)汽車的安全制動(dòng)區(qū)域Fig.1 Safety Braking Area of Electric Vehicles

2.2 再生制動(dòng)介入狀態(tài)及程度判定

由于再生制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行需要多個(gè)部件及總成之間的協(xié)調(diào)工作，在實(shí)際的制動(dòng)過程中，再生制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行也受到了很多條件的限制[9]。因此，在設(shè)計(jì)分配策略的過程中考慮了六種因素對于再生制動(dòng)系統(tǒng)的影響，并根據(jù)各個(gè)因素影響程度的不同分為兩組，分別為直接停止再生制動(dòng)的情況與限制再生制動(dòng)力大小的情況。直接停止再生制動(dòng)的判定參數(shù)為電池溫度、制動(dòng)時(shí)車輪的滑移率以及制動(dòng)踏板開度變化率，當(dāng)這些參數(shù)取值超出預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍之內(nèi)時(shí)直接停止再生制動(dòng)；而限制再生制動(dòng)力情況的判定參數(shù)為動(dòng)力電池SOC、當(dāng)前車速與制動(dòng)強(qiáng)度，輸出量為電機(jī)制動(dòng)力修正系數(shù)k。根據(jù)參數(shù)特點(diǎn)及實(shí)際控制需要，建立模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)此控制功能[10]。在建立的模糊控制系統(tǒng)中，選用Mamdani型模糊推理規(guī)則，在實(shí)際控制策略中的具體形式為“If SOC isA，visBandzisC，thenkisD.”。語句中SOC，v，z—輸入?yún)?shù)，A，B，C—輸入量所屬模糊集，k—輸出參數(shù)，D—輸出量所屬模糊集，并選用面積重心法解模糊?？紤]到之后聯(lián)合仿真的需要，使用MATLAB中的模糊邏輯控制工具箱建立模糊控制系統(tǒng)。根據(jù)輸入輸出量的特點(diǎn)及18名駕駛員對于各輸入輸出量的主觀認(rèn)識，再結(jié)合理論知識，確定了各輸入輸出量的論域、模糊子集與隸屬度函數(shù)形式，如圖2所示。最后，再根據(jù)對經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員的調(diào)查研究并結(jié)合相關(guān)理論知識與實(shí)際控制需求，構(gòu)建出的18條模糊推理規(guī)則，如表1所示。

表1 模糊控制系統(tǒng)推理規(guī)則表Tab.1 Rule Table of Fuzzy Logic Control System

圖2 模糊控制系統(tǒng)各變量隸屬度函數(shù)Fig.2 Membership Functions of Variables in Fuzzy Control System

除上述模型中的幾個(gè)判定因素外，在實(shí)際將控制策略應(yīng)用到不同的目標(biāo)車型時(shí)，還可以直接在此模塊中加入更多的控制端口。例如：加入手動(dòng)關(guān)閉或限制再生制動(dòng)的開關(guān)，使汽車在能源充足的情況下制動(dòng)感受更貼近于傳統(tǒng)汽車；加入特殊模式切換開關(guān)，方便汽車在特殊工況下（例如長時(shí)間連續(xù)下坡工況時(shí)盡可能通過電機(jī)提供較小而連續(xù)的制動(dòng)力來保持車速并回收能量）獲得更好的制動(dòng)與能量回收效果。

2.3 驅(qū)動(dòng)軸上摩擦與電機(jī)制動(dòng)力的分配策略

由于所設(shè)計(jì)分配策略應(yīng)用的目標(biāo)車型驅(qū)動(dòng)形式為前驅(qū)，因此接下來僅需將前軸的制動(dòng)力再分配為摩擦制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力兩部分。

由于電機(jī)制動(dòng)力不一定滿足當(dāng)前制動(dòng)力需求，所以需要獲取電機(jī)在當(dāng)前制動(dòng)狀態(tài)下的許用制動(dòng)力，并與當(dāng)前的需求制動(dòng)力進(jìn)行比較。

若電動(dòng)機(jī)的許用制動(dòng)力無法滿足當(dāng)前制動(dòng)需求，則使用摩擦制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充。使用公式可以表示為：

式中：F1、F1_mot、F1_fri—前軸總需求制動(dòng)力、電機(jī)制動(dòng)力、摩擦制動(dòng)力的大小；kFmot_max—當(dāng)前許用電機(jī)制動(dòng)力大小。

3 仿真模型的構(gòu)建與聯(lián)合仿真配置

根據(jù)實(shí)際需求，采用MATLAB/Simulink與CRUISE進(jìn)行聯(lián)合仿真的方法評估所設(shè)計(jì)分配策略的實(shí)際作用與整體回收效果。在構(gòu)建分配策略模型時(shí)，首先根據(jù)每一部分的控制策略構(gòu)建出各個(gè)部分的子模型，再根據(jù)實(shí)際控制過程將各個(gè)子模型進(jìn)行組合，最后適當(dāng)添加數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，以防止仿真數(shù)據(jù)類型產(chǎn)生錯(cuò)誤或丟失精度，所構(gòu)建的分配策略模型，如圖3所示。

圖3 復(fù)合制動(dòng)力分配策略模型Fig.3 Model of Composite Braking Force Distribution Strategy

在圖3所示的模型中輸入?yún)?shù)8個(gè)，其數(shù)據(jù)來自于整車模型；輸出信號3個(gè)，分別為電機(jī)負(fù)荷信號與前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力信號。將這三個(gè)控制信號向CRUISE中整車模型的相應(yīng)模塊輸出，以此控制電機(jī)的工作狀態(tài)與各個(gè)制動(dòng)器的制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)分配策略的功能。

分配策略模型建立后，選用某微型前驅(qū)純電動(dòng)汽車作為目標(biāo)車型在CRUISE中建立整車模型，車輛基本數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 整車主要參數(shù)Tab.2 Main Parameters of the Vehicle

根據(jù)上述參數(shù)與目標(biāo)車型驅(qū)動(dòng)形式可以在CRUISE中建立整車模型。為了采用所設(shè)計(jì)的分配策略對汽車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，需要在整車模型中插入聯(lián)合仿真接口模塊。根據(jù)實(shí)際情況，選用MATLAB DLL連接方式。相比于其他連接方式，其優(yōu)點(diǎn)為節(jié)約硬件資源，仿真速度較快，而且在仿真過程中不需要MATLAB保持運(yùn)行狀態(tài)，生成DLL文件后計(jì)算機(jī)只需要安裝CRUISE即可進(jìn)行仿真[11]。深色模塊即為聯(lián)合仿真的MATLAB DLL接口模塊，如圖4所示。在仿真前需使用編譯器將分配策略模型編譯生成DLL文件并嵌入該模塊，再將各個(gè)輸入輸出信號與整車模型進(jìn)行正確的連接，調(diào)試檢查后即可進(jìn)行工況的設(shè)定與仿真工作。

圖4 聯(lián)合仿真模型Fig.4 Model of Co-Simulation

4 仿真工況的構(gòu)建與仿真結(jié)果分析

4.1 仿真工況的構(gòu)建與設(shè)定

在現(xiàn)有的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程評價(jià)體系中，行駛工況對電動(dòng)汽車的能耗有很大影響，不同工況下再生制動(dòng)系統(tǒng)的能量回收效率也有著很大的差距。而建立盡可能貼合實(shí)際的測試工況對于評估所設(shè)計(jì)的分配策略有著至關(guān)重要的作用。因此選取在國內(nèi)外廣泛使用的NEDC工況與根據(jù)目標(biāo)車型實(shí)際使用情況自行構(gòu)建的太原市綜合行駛工況進(jìn)行再生制動(dòng)能量回收的仿真分析。對于NEDC工況，其車速時(shí)間曲線及數(shù)據(jù)表已經(jīng)由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出，直接調(diào)用即可。而對于太原市綜合行駛工況，需要根據(jù)實(shí)際采集得到的各類道路行駛數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理自行構(gòu)建。為了使構(gòu)建的工況能夠更加真實(shí)的反映目標(biāo)車型的實(shí)際使用場景，在工信部“中國新能源汽車產(chǎn)品檢測工況研究和開發(fā)”項(xiàng)目的支持下，使用項(xiàng)目組所提供的工況數(shù)據(jù)記錄儀，通過輕型車實(shí)地自主駕駛的方法自行采集了大量原始數(shù)據(jù)。所采集的數(shù)據(jù)覆蓋了太原市區(qū)和郊區(qū)的各種不同道路，并對車型、時(shí)間段等因素進(jìn)行了充分的考慮[12]。獲得原始數(shù)據(jù)后，將所得的零散數(shù)據(jù)整理成大量的分段短行程數(shù)據(jù)，并對獲得的大量短行程數(shù)據(jù)段進(jìn)行聚類分析，構(gòu)建出高/快速路、主干路與分支路三大類行駛工況。再根據(jù)NEDC工況的基本結(jié)構(gòu)，選取上述三大類工況中具有代表性的部分進(jìn)行合成。經(jīng)分析處理后最終得到的太原市綜合行駛工況的基本數(shù)據(jù)，如表3所示。車速時(shí)間曲線，如圖5所示。數(shù)據(jù)和曲線均表明所構(gòu)建的太原市綜合行駛工況適合進(jìn)行再生制動(dòng)方面的仿真試驗(yàn)。

圖5 太原市綜合行駛工況車速-時(shí)間曲線Fig.5 The Speed-Time Curve of Taiyuan Driving Cycle

表3 太原市綜合行駛工況基本數(shù)據(jù)Tab.3 Basic Data of Taiyuan Driving Cycle

構(gòu)建仿真工況后，在CRUISE的工況設(shè)定界面中輸入工況數(shù)據(jù)表以及駕駛員、外界環(huán)境等信息，調(diào)整好各個(gè)仿真參數(shù)例如仿真步長，數(shù)據(jù)精度，求解器等即可進(jìn)行仿真分析。整車實(shí)驗(yàn)質(zhì)量與其它仿真條件與方法參照國家推薦標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

在聯(lián)合仿真中，首先使用無再生制動(dòng)系統(tǒng)與含有一般再生制動(dòng)系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車模型運(yùn)行兩種工況，分別記錄電池SOC在運(yùn)行前后的數(shù)值；再使用所設(shè)計(jì)的分配策略（以下簡稱優(yōu)化分配策略）控制此純電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)行相同的兩種工況，記錄運(yùn)行前后電池SOC數(shù)值；最后計(jì)算并比較使用不同分配策略控制的純電動(dòng)汽車在運(yùn)行相同工況后電池SOC的消耗量，即可對所設(shè)計(jì)的分配策略在不同工況下的實(shí)際使用效果進(jìn)行評估。

4.2 仿真結(jié)果及分析

對聯(lián)合仿真模型進(jìn)行檢查與調(diào)試后運(yùn)行聯(lián)合仿真，并分析整理仿真數(shù)據(jù)，如表4～表6所示。

表4 NEDC工況仿真數(shù)據(jù)Tab.4 Simulation Data Under the NEDC Driving Cycle

表5 太原市綜合行駛工況仿真數(shù)據(jù)Tab.5 Simulation Data Under the Taiyuan Driving Cycle

表6 不同工況及控制策略下百公里能耗與能量回收量Tab.6 Energy Consumption and Recovery of 100km Under Different Driving Cycles and Control Strategies

通過比較相同工況下有無再生制動(dòng)系統(tǒng)參與時(shí)的數(shù)據(jù)可知，有再生制動(dòng)系統(tǒng)參與時(shí)車輛運(yùn)行相同循環(huán)工況所消耗的電量有明顯的減少，證明再生制動(dòng)系統(tǒng)對于純電動(dòng)汽車作用明顯。通過比較相同工況下使用不同制動(dòng)力分配策略的再生制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可知，使用優(yōu)化分配策略的再生制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中電池SOC下降量更少，使用效果更好。

而對比使用相同分配策略，但運(yùn)行不同工況時(shí)的每百公里電池SOC下降數(shù)值以及能量回收量數(shù)據(jù)可知，運(yùn)行太原市綜合行駛工況時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)回收的能量比NEDC工況更多，其主要原因?yàn)樘芯C合行駛工況中存在著更多的制動(dòng)工況。證明了在制動(dòng)工況比較頻繁的使用場景下再生制動(dòng)系統(tǒng)具有更加明顯的應(yīng)用效果。利用仿真所得數(shù)據(jù)還可繪制出兩種工況下車速與電池SOC隨時(shí)間變化而變化的曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 NEDC工況仿真曲線圖Fig.6 Simulation Curve Under the NEDC Driving Cycle

圖7 太原市綜合行駛工況仿真曲線圖Fig.7 Simulation Curve Under the Taiyuan Driving Cycle

觀察圖6、圖7的仿真曲線可知，仿真所得速度時(shí)間曲線與原工況曲線的跟隨性（仿真所得的速度—時(shí)間曲線與所構(gòu)建的工況曲線的重合度）較好，證明了所設(shè)計(jì)的分配策略能夠滿足當(dāng)前車輛的制動(dòng)需求。且在速度—時(shí)間曲線處于下降區(qū)段（制動(dòng)工況）時(shí)，電池SOC曲線均處于上升區(qū)段，即在制動(dòng)時(shí)動(dòng)力電池有明顯的能量輸入，也進(jìn)而也證明了所設(shè)計(jì)的分配策略在通用工況和本地化工況下均具備可行性與有效性。

5 結(jié)論

通過對各項(xiàng)仿真數(shù)據(jù)的分析可知，所設(shè)計(jì)的制動(dòng)力分配策略（優(yōu)化分配策略）在NEDC工況與太原市綜合行駛工況下的制動(dòng)能量回收量均高于一般分配策略，提升幅度分別為12.2%與11.1%。相比于無再生制動(dòng)系統(tǒng)與使用一般制動(dòng)力分配策略的再生制動(dòng)系統(tǒng)，可使純電動(dòng)汽車在每百公里太原市綜合行駛工況中電池SOC減少消耗4.154%與0.460%，同時(shí)控制過程中考慮的因素更全面，且通過引入模糊控制環(huán)節(jié)，提高了控制的穩(wěn)定性與容錯(cuò)率。因此，所設(shè)計(jì)的制動(dòng)力分配策略在通用工況與本地化工況下均有較好的應(yīng)用效果。