何艷則　李敏　劉國弟　譚浩　鐘田財

摘要： 以某并聯(lián)混合動力汽車為研究對象，提出一種對比汽車串聯(lián)和并聯(lián)制動能量回收系統(tǒng)的仿真方案。利用MATLAB/Simulink平臺搭建控制策略，并與AVL Cruise進行聯(lián)合仿真，用電池端能量評價制動能量回收率對經(jīng)濟性的影響。仿真結(jié)果表明：串聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)是較為理想的選擇。

關(guān)鍵詞：混合動力； 制動能量回收； 串聯(lián)； 并聯(lián)； 控制策略

中圖分類號： U463.99

文獻標志碼： B

Abstract：Taking a parallel hybrid power vehicle as the research object， a simulation scheme for comparing different automobile braking energy recovery systems of parallel and series is proposed. The control strategy is built using MATLAB/Simulink platform， the simulation is performed with AVL Cruise， and the energy of the braking energy recovery rate is evaluated by the battery end energy. The simulation results show that the series braking energy recovery system is an ideal choice.

Key words：hybrid power； braking energy recovery； series； parallel； control strategy

0 引 言

回收制動能量是純電動汽車和混合動力汽車最重要的特性之一。[1]在車輛減速過程中，車輛的動能通過電機轉(zhuǎn)換為電能，并儲存在電池中，得以再次利用。

制動能量回收系統(tǒng)的研究是純電動汽車和混合動力汽車開發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，該回收系統(tǒng)的性能主要依賴于自身結(jié)構(gòu)類型和控制策略。制動能量回收過程中，在保證整車制動安全的前提下，電機制動占總制動比例越大，能量回收率越高，對整車經(jīng)濟性越有利。制動能量回收系統(tǒng)主要分為并聯(lián)和串聯(lián)2種方式。[2-3]目前，研究制動能量回收系統(tǒng)對車輛能量利用率、經(jīng)濟性影響的文獻[4-7]較多，但對串、并聯(lián)制動能量回收系統(tǒng)仿真對比的研究較少。

本文介紹串聯(lián)和并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)的原理，在混合動力聯(lián)合仿真模型中設(shè)計2種形式制動系統(tǒng)控制策略，對比分析串聯(lián)與并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)在不同控制策略下的制動能量回收率，以及對混合動力汽車純電動模式下續(xù)航里程的影響。

1 制動能量回收系統(tǒng)原理

1.1 串聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)

串聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)最重要的特點是通過優(yōu)先使用再生制動扭矩，實現(xiàn)高效的制動能量回收，其前、后機械（液壓）制動力可以調(diào)整，作用在驅(qū)動輪上的制動力由電機制動力和機械制動力2部分組成。在滿足一定條件下進行能量回收時，電機制動可占主導(dǎo)地位，不足部分由機械制動補充。與傳統(tǒng)的機械制動車輛相比，駕駛員的制動感覺基本相同，電機制動應(yīng)提供獲得最大能量回收的條件。然而，電機制動力和前后機械制動力需要調(diào)整，會增加一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時還要配合ABS系統(tǒng)的實時控制要求。串聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)制動扭矩分配示意見圖1。

1.2 并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)

并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制簡單，保留傳統(tǒng)制動的主要部件，其最大的特點是電機制動扭矩疊加在機械制動扭矩之上。

并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)分為滑行回收和制動回收2個階段。在滑行回收階段，制動踏板開度非常小，存在踏板空行程，即機械制動扭矩存在死區(qū)，此時機械制動扭矩較小，電機制動起主導(dǎo)作用，回收部分制動能量。隨著制動踏板行程的增加，進入到制動回收階段，機械制動和電機制動同時作用，回收部分制動能量。并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)制動扭矩分配示意見圖2。

2 制動能量回收系統(tǒng)控制策略設(shè)計

基于串、并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)扭矩分配原理，仿真模型設(shè)計分為2個階段：第一制動階段為踏板空行程回收；第二制動階段為聯(lián)合制動回收。[8]制動扭矩分配控制策略原理如下。

（1）確定減速工況且變速器置于非空擋：若車速0），則電機制動停止，完全進行機械制動；若車速≥c km/h，則電機和機械制動共同作用，涉及制動扭矩分配。

（2）進入第一制動階段（踏板空行程回收，制動踏板深度≤b%），完全進行電機制動，且電機制動加速度為d m/s2。

（3）若第一制動階段不滿足減速需求，則繼續(xù)加大制動踏板深度。當(dāng)制動踏板深度>b%時進入第二階段。

（4）在第二制動階段：串聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)為電機優(yōu)先制動，制動不足的部分由機械制動補充；并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)為機械制動，制動扭矩可由制動壓力與制動扭矩對應(yīng)關(guān)系查表得出，電機制動扭矩=駕駛員制動需求扭矩-機械制動扭矩。

并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)的第一制動階段可最大限度地利用電機進行再生制動，機械制動為0。假設(shè)空行程最大限制為a%，制動加速度為d m/s2，若第一階段電機制動不滿足整車制動工況中的減速需求，則需要踩制動踏板進入第二制動階段。制動扭矩控制策略設(shè)計流程見圖3。

3 仿真分析和計算

3.1 循環(huán)工況制動能量

國內(nèi)輕型車輛燃料消耗測試基于歐洲NEDC循環(huán)駕駛工況實現(xiàn)。NEDC循環(huán)由4個城市駕駛循環(huán)和1個郊區(qū)駕駛循環(huán)組成，共有28種駕駛工況，包括怠速、恒速、加速和減速等。

NEDC循環(huán)共有18個減速工況，其中：城市駕駛循環(huán)包括4個制動減速工況，即15 km/h→0 km/h、32 km/h→0 km/h、50 km/h→35 km/h、35 km/h→0 km/h；郊區(qū)駕駛循環(huán)包括2個制動減速工況，即70 km/h→50 km/h和120 km/h→0 km/h。

NEDC循環(huán)（見圖4）規(guī)定整車參數(shù)、阻力等負載固定，整車NEDC循環(huán)減速產(chǎn)生的能量為定值，阻力消耗的能量確定，即理論上可回收的最大能量固定。電機能量回收系統(tǒng)的選型和控制策略設(shè)計，對電機能量回收具有重要影響。

以PHEV+P2+CVT并聯(lián)式混合動力汽車為研究對象，整車純電動運行模式見圖5，基本參數(shù)見表1。

3.2 再生制動評價指標

文獻[9]結(jié)合制動過程中能量的流動情況，考慮部件在傳遞過程中的損失，提出電動車制動能量回收的3個評價指標：制動能量回收率、節(jié)能貢獻度和續(xù)航里程貢獻度。制動能量回收率針對單次制動過程。本文針對循環(huán)工況提出一種以電池輸入和輸出端能量衡量再生制動貢獻率的評價方式，即

式中：η為再生制動貢獻率；Ein為電池凈輸入能量；Eout為電池實際放電能量，包括電池回收能量和放電能量。

3.3 仿真結(jié)果

基于MATLAB/Simulink建立混合動力汽車制動能量回收及整車模式判斷、扭矩分配的計算模型，并與AVL Cruise聯(lián)合仿真，續(xù)航仿真采用NEDC工況。針對第一制動階段，分別設(shè)置10%和15%空行程，并對第一制動階段加速度進行標定（0～0.1g）。不同空行程、不同制動加速度對應(yīng)的再生制動貢獻率見圖6。

由圖6a）可知：第一制動階段加速度對串聯(lián)系統(tǒng)影響較小；對于并聯(lián)系統(tǒng)，第一制動階段加速度越大（最大為0.1g），制動能量回收率越高，對經(jīng)濟性越有利。第一制動階段加速度最大時，并聯(lián)系統(tǒng)接近串聯(lián)系統(tǒng)的能量回收效果，再生制動貢獻率可達到14%。

由圖6b）可知：第一制動階段踏板空行程和制動加速度對串聯(lián)系統(tǒng)影響較??；對于并聯(lián)系統(tǒng)，第一階段制動加速度為0.05g～0.07g時，增大制動空行程比例可提高制動能量回收率。

10%空行程對應(yīng)的純電動續(xù)航里程見圖7。由此可知：并聯(lián)系統(tǒng)制動能量回收率減小4%，影響續(xù)航里程約2 km；在幾乎不考慮駕駛員制動感覺的前提下，第一制動階段加速度越大，并聯(lián)系統(tǒng)的能量回收率越接近串聯(lián)系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

（1）結(jié)合某混合動力汽車車型，采用將串、并聯(lián)控制系統(tǒng)集成在同一種模型中的仿真方法，用電池端能量評價制動能量回收率對經(jīng)濟性的影響。

（2）基于AVL Cruise和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真，可節(jié)省大量時間和成本，尤其可在項目開發(fā)前期對制動能量回收系統(tǒng)選型提供一定參考。

（3）對比串、并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)的不同控制策略，認為串聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)是較為理想的選擇，并聯(lián)式制動能量回收系統(tǒng)在較大空行程比例、較大加速度的情況下，也可以達到與串聯(lián)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男Ч?，但會影響駕駛員的制動感覺。

參考文獻：

[1] PENG D， ZHANG Y， YIN C L， et al. Combined control of a regenerative braking and antilock braking system for hybrid electric vehicles[J]. International Journal of Automotive Technology， 2008， 9（6）： 749-757. DOI 10.1007/s12239-008-0089-3.

[2] EHSANI M. 現(xiàn)代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池車——基本原理、理論和設(shè)計[M]. 2版. 熊素銘， 譯. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2010： 346-353.

[3] GAO Y M， CHU L， EHSANI M. Design and control principles of hybrid braking system for EV， HEV and FCV[C]//Proceedings of 2007 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Arlington： IEEE， 2008. DOI： 10.1109/VPPC.2007.4544157.

[4] 董晗， 劉昕暉， 王昕， 等. 并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)制動能量回收特性[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）， 2014， 44（6）： 1655-1663. DOI： 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201406019.

[5] 蘇航. 純電動汽車制動能量回收效率試驗方法研究[J]. 客車技術(shù)與研究， 2017， 39（3）： 50-52.

[6] 初亮， 蔡健偉， 富子丞， 等. 純電動汽車制動能量回收評價與試驗方法研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 42（1）：18-22. DOI：10.13245/j.hust.140105.

[7] 張俊智， 陸欣， 張鵬君， 等. 混合動力城市客車制動能量回收系統(tǒng)道路試驗[J]. 機械工程學(xué)報， 2009， 45（2）： 25-30. DOI：10.3901/JME.2009.02.025.

[8] 李敏， 何艷則， 牛大旭， 等. 基于能量回收率的空行程階段電機制動速度標定方法： CN107885953A[P]. 2018-04-06.

[9] 初亮， 劉達亮， 劉宏偉， 等. 純電動汽車制動能量回收評價方法研究[J]. 汽車工程， 2017， 39（4）： 471-479. DOI： 10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.016.

（編輯 付宇靚）