宋百玲，周學(xué)升, 楊 瑞

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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純電動越野車再生制動控制策略研究

宋百玲，周學(xué)升, 楊 瑞

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對純電動越野汽車對能量和功率的雙重要求，將超級電容引入到純電動汽車的儲能系統(tǒng)中，組成了超級電容-蓄電池的雙能量源儲能結(jié)構(gòu)。分析了純電動汽車仿真軟件ADVISOR中的再生制動控制策略的不足，提出了新的基于ECE法規(guī)的串聯(lián)再生制動控制策略。利用MATLAB/Simulink建立雙能量源純電動越野車再生制動系統(tǒng)仿真模型。通過典型的道路循環(huán)工況，對提出的制動力分配方案與ADVISOR中的再生制動控制策略進(jìn)行仿真對比。仿真結(jié)果表明：再生制動控制策略回收了33.88%的制動能量，在很大程度上提高了車載能量的利用率和車輛的動力性能，增加了汽車的續(xù)駛里程。

車輛工程；超級電容；雙能量源；再生制動系統(tǒng)；串聯(lián)再生制動控制策略

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，純電動汽車具有節(jié)能、環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)，是新能源汽車發(fā)展的重要方向[1-2]。電源是電動汽車的心臟，電源技術(shù)將是電動汽車研發(fā)的核心技術(shù)。超級電容器作為一種新型電源由于其特有的性能優(yōu)勢，備受人們重視[3]。超級電容和蓄電池相比具有比功率非常高，使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)迅速充放電，在電動汽車加速和啟動時(shí)能提供足夠大的峰值電流，制動時(shí)可以瞬間吸收電機(jī)回饋的大電流，從而達(dá)到回收車輛制動能量的目的[4-5]。

由于超級電容比能量低，難以單獨(dú)作為電動汽車的能量儲存裝置[6-8]。因此，筆者采用蓄電池+超級電容的能量存儲系統(tǒng)，汽車對比能量和比功率的要求可以相互分離，能提高能源的利用率，滿足純電動越野車動力性需求，增加其續(xù)駛里程。

以北京JEEP2005款為原型，在Simulink環(huán)境中構(gòu)建了蓄電池和超級電容組成的雙能量源儲能系統(tǒng)再生制動仿真模塊?；贓CE制動法規(guī)設(shè)計(jì)了改進(jìn)的串聯(lián)再生制動控制策略，對整車在CYC_UDDS循環(huán)工況下制動能量回收進(jìn)行仿真分析，并與ADVISOR中的再生制動能量回收率進(jìn)行比較。

1 再生制動ECE法規(guī)的限制

ECE法規(guī)對M1類汽車制動力分配系數(shù)有如下規(guī)定：

1)當(dāng)制動強(qiáng)度Z=0.1～0.61時(shí)

φf≤(Z+0.07)/0.85，(0.1≤Z≤0.61)

(1)

φr≤(Z+0.07)/0.85，(0.1≤Z≤0.61)

(2)

φf>φr，(0.1≤Z≤0.61)

(3)

2)當(dāng)制動強(qiáng)度Z=0.3～0.45時(shí)

φr≤(Z+0.07)/0.85的條件下，允許φr>φf。

汽車?yán)酶街禂?shù)又被稱為被利用的附著系數(shù)，定義為：

φi=Fxbi/Fzi

(4)

式中：φf為前軸利用附著系數(shù)；φr為后軸利用附著系數(shù)；Z為制動強(qiáng)度；φi為汽車第i軸的利用附著系數(shù)；Fxbi為汽車第i軸產(chǎn)生的地面制動力；Fzi為地面對汽車i軸的法向反力。

根據(jù)利用附著系數(shù)φ與制動強(qiáng)度Z的關(guān)系，作出純電動越野車在空載、滿載時(shí)機(jī)械制動系統(tǒng)的利用附著系數(shù)與制動強(qiáng)度的關(guān)系曲線并與ECE制動法規(guī)線畫在一起，如圖1。可以出純電動越野車在滿載和空載時(shí)前后利用附著系數(shù)都滿足ECE法規(guī)的要求。

圖1 后軸利用附著系數(shù)和ECE法規(guī)

2 單軸串聯(lián)再生制動控制策略

2.1 ADVISOR制動力控制模塊分析

在ADVISOR中，制動控制模塊用來調(diào)節(jié)再生制動力和摩擦制動力之間的分配比例。ADVISOR中的再生制動策略是由檢測到的汽車速度查表實(shí)現(xiàn)制動力分配控制的。制動過程中，再生制動力和摩擦制動力的比例隨車速的變化進(jìn)行動態(tài)改變。這種控制算法沒有考慮ECE法規(guī)的限制，不能保證汽車制動安全性。而且沒有充分利用電機(jī)的再生制動能力，回收的制動能量有限。ADVISOR制動力控制模塊如圖2。

圖2 ADVISOR中再生制動力分配模塊

2.2 再生制動控制策略數(shù)學(xué)模型

并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)的制動力分配關(guān)系簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)，但在同等目標(biāo)制動強(qiáng)度下所獲得的實(shí)際制動強(qiáng)度會大于無能量回收制動系統(tǒng)汽車的制動強(qiáng)度，駕駛員制動感覺波動大，制動能量回收率也相對較低[9-12]。

筆者采用單軸串聯(lián)再生制動系統(tǒng)，只需在后軸制動管路上安裝調(diào)壓機(jī)構(gòu)，使后軸制動力大小可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。制動時(shí)，前后軸制動力和傳統(tǒng)制動一樣按機(jī)械制動力分配系數(shù)確定，電機(jī)再生制動力根據(jù)車速、超級電容SOC確定，并與后軸摩擦制動力進(jìn)行比較，后軸原來分配的摩擦制動力減去電機(jī)制動力為后軸實(shí)際摩擦制動力。

如果車速V<5 km/h或者SOC>0.9，關(guān)閉再生制動，實(shí)際電機(jī)制動力矩Tm_act=0，汽車完全為機(jī)械制動無再生制動。

如果車速V>5 km/h且SOC<0.9，開啟再生制動，由電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩Tm_mot和電機(jī)制動力Tm_bat，分別得到再生制動轉(zhuǎn)矩和電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩：

Tm_reg=min(Tm_mot，Tm_bat)

(5)

Tm_act=min(Tbr，Tm_reg)

(6)式中：Tm_reg為可回收的電機(jī)再生制動力矩；Tm_mot為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩；Tm_bat為根據(jù)電容充電功率確定的電機(jī)制動力矩；Tm_act為實(shí)際電機(jī)制動力；Tbr為后軸制動力。

根據(jù)制動信號，檢測制動缸壓力，然后計(jì)算需要的總制動力Tb。

由Tbf=βTb，Tuf=Tbf得到前制動器制動力。式中：Tbf為前軸制動力；Tuf為前制動器制動力；Tb為需要的總制動力。

由Tbr=(1-β)Tb，Tur=Tbf-Tm_act得到后制動器制動力。式中：Tbr為后軸制動力；Tur為后制動器制動力。

2.3 整車再生制動系統(tǒng)仿真模型的建立

筆者采用后向仿真建模方法進(jìn)行再生制動系統(tǒng)仿真模型的建立。仿真中把能量傳遞作為主線，根據(jù)再生制動控制策略和功率分配策略仿真計(jì)算不同循環(huán)工況下制動能量回收情況。

越野車輛行駛工況復(fù)雜，對電機(jī)需求功率的變化比較大，而低功率放電是蓄電池最佳工作狀態(tài)。采用蓄電池+超級電容的雙能量源儲能系統(tǒng)，可以充分利用超級電容功率變化滿足電機(jī)功率需求的不同，起到削峰填谷的作用，從而使蓄電池處于恒功率放電狀態(tài)。再生制動時(shí)，回收的能量完全由超級電容吸收，功率分配策略簡單高效，對蓄電池起到保護(hù)作用，延長蓄電池使用壽命。

整車再生制動系統(tǒng)頂層模型如圖3。該再生制動系統(tǒng)頂層模型由整車動力學(xué)模型，電機(jī)模型，超級電容模型，控制策略模型等組成。

圖3 整車再生制動系統(tǒng)頂層模型

2.4 再生制動控制策略仿真模型

筆者建立的再生制動控制策略根據(jù)電池SOC、車速V和制動強(qiáng)度Z得到汽車制動所需的目標(biāo)制動力和再生制動力。其中：目標(biāo)制動力考慮ECE法規(guī)的限制，從而保證汽車制動安全性。計(jì)算再生制動力時(shí)需要考慮電機(jī)和超級電容能夠允許的再生制動力。最后根據(jù)設(shè)計(jì)的再生制動策略進(jìn)行前后輪制動力分配。

建立的串聯(lián)再生制動控制策略模型如圖4。

圖4 單軸串聯(lián)再生制動控制策略模型

根據(jù)ECE制動法規(guī)的要求，利用Simulink作出ECE法規(guī)的限制子模塊模型如圖5。

圖5 ECE法規(guī)限制子模塊

3 整車再生制動仿真分析

3.1 常規(guī)制動工況下的仿真分析

設(shè)汽車制動時(shí)超級電容SOC初始值為0.7，初始制動車速為 60 km/h，分別在小制動強(qiáng)度(Z=0.1)、中等制動強(qiáng)度(Z=0.3)、緊急制動強(qiáng)度(Z=0.7)，對車速、制動距離和超級電容SOC變化進(jìn)行分析，如圖6。

圖6 超級電容SOC的變化和電容回收能量情況

由圖6可以看出：初始車速為60 km/h，小制動強(qiáng)度時(shí)，電動汽車制動時(shí)間較長，電池SOC的增加比較大，電容回收較多的能量；中等制動強(qiáng)度時(shí)，電動汽車制動時(shí)間減少，電池一定程度增加，電容回收能量減少；緊急制動強(qiáng)度時(shí)，電池SOC基本沒有增加，電容不回收能量。

3.2 循環(huán)工況制動仿真分析

設(shè)定電池SOC值為 0.7，選取CYC_UDDS 工況進(jìn)行仿真分析。循環(huán)工況車速及制動強(qiáng)度變化如圖7。整個(gè)循環(huán)工況制動過程中，汽車制動能量和電容回收能量隨時(shí)間變化關(guān)系如圖8。采用單軸串聯(lián)再生制動控制策略與采用ADVISOR再生制動控制策略超級電容SOC變化情況對比，及超級電容回收能量情況對比如圖9。

圖7 CYC_UDDS工況的車速及制動強(qiáng)度變化

圖8 汽車制動能量和電容回收能量對比關(guān)系

圖9 同一循環(huán)工況下不同控制策略SOC變化及超級電容回收能量對比

筆者定義超級電容回收能量占電機(jī)制動能量百分比為能量回收率。根據(jù)能量回收計(jì)算得到的數(shù)據(jù)為串聯(lián)再生制動控制策略能量回收率為33.88%；Advisor再生制動控制策略能量回收率為4.78%。

4 結(jié) 語

筆者建立了純電動越野汽車雙能量源再生制動系統(tǒng)仿真模型，提出了一種單軸串聯(lián)再生制動控制策略，該控制策略只需在后軸制動管路上添加一個(gè)調(diào)壓閥，結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)。通過仿真對比該控制策略比ADVISOR中的再生制動控制策略能量回收率增加了29.1%，有利于純電動越野車再生制動實(shí)車應(yīng)用。

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Regenerative Braking Control Strategy for Pure Electric Off-Road Vehicle

Song Bailing, Zhou Xuesheng, Yang Rui

(Traffic College, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

For the double demand of energy and power of pure electric off-road vehicle, the super capacitor was introduced into the pure electric vehicle energy storage system, constituted structure of dual energy source that was made up of super capacitor and battery energy. The deficiency of control strategy for regenerative braking in the electric vehicle simulation software ADVISOR was analyzed. The series regenerative braking control strategy based on the ECE regulations was put forward. MATLAB/Simulink was used to establish simulation model of regenerative braking system. By loading the typical road cycle of regenerative braking, the new regenerative braking control strategy in ADVISOR was contrasted with the control strategy. The simulation results show that, the new control strategy of regenerative braking can recover 33.88% braking energy, under the premise of ensuring the vehicle braking stability, and improve greatly the dynamic performance and the using rate of the vehicle energy, which increases the travel distance of electric cars.

vehicle engineering; super capacitor; double energy source; regenerative braking system; cascade regenerative braking control strategy

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.32

2014-07-13；

2014-08-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405075)；中央高校基本科研基金項(xiàng)目(2572014BB08)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M541329)

宋百玲(1972—)，女，黑龍江賓縣人，副教授，博士，主要從事動力機(jī)械自動控制與測試方面的研究。E-mail:sbllht@163.com。

周學(xué)升(1987—)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事電動汽車節(jié)能技術(shù)方面的研究。E-mail：765515766@163.qq.com。

U469.72

A

1674-0696(2015)04-161-05