胡紅頂，高進(jìn)，姚勝華

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，湖北十堰 442002）

再生制動(dòng)能量回收技術(shù)在不提高汽車(chē)成本的前提下能有效提高續(xù)航里程，成為純電動(dòng)汽車(chē)研究的重點(diǎn)。串聯(lián)制動(dòng)因其較高的制動(dòng)能量回收成為國(guó)內(nèi)外主流發(fā)展方向。國(guó)外特斯拉model系列、寶馬i3、別克蔚藍(lán)6等主流車(chē)型均采用基于智能剎車(chē)系統(tǒng)的單踏板控制模式，利用最大能量回收串聯(lián)制動(dòng)策略來(lái)提高整車(chē)?yán)m(xù)航能力。國(guó)內(nèi)小鵬P7、蔚來(lái)ES8、理想one等車(chē)型也逐步采用單踏板模式，部分傳統(tǒng)車(chē)企推出的新能源車(chē)型如東風(fēng)嵐圖Free、金康SF5、北汽極狐阿爾法S 等車(chē)型則在保留制動(dòng)踏板的同時(shí)，采用滑行、制動(dòng)結(jié)合的串聯(lián)制動(dòng)模式最大化回收制動(dòng)能量。相比于串聯(lián)制動(dòng)，并聯(lián)制動(dòng)能量回收效率低，但對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)改動(dòng)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，廣泛應(yīng)用于各種貨車(chē)及傳統(tǒng)車(chē)型，如長(zhǎng)安星卡、五菱電卡、瑞馳EC31等［1］。文中研究對(duì)象為油改電的后驅(qū)型純電動(dòng)微車(chē)，旨在通過(guò)仿真技術(shù)制定合理的再生制動(dòng)控制策略，達(dá)到提高整車(chē)?yán)m(xù)航的目的。在滿(mǎn)足制動(dòng)穩(wěn)定性，符合相關(guān)法規(guī)，及對(duì)車(chē)輛開(kāi)發(fā)成本、周期的考慮，提出基于制動(dòng)I 曲線(xiàn)的并聯(lián)混合制動(dòng)策略，分析控制策略對(duì)整車(chē)?yán)m(xù)航能力的貢獻(xiàn)度，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度大小對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配。整體策略在MATALB/Simulink中完成搭建，并導(dǎo)入Cruise的整車(chē)模型中進(jìn)行聯(lián)合仿真。

1 純電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)

1.1 整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

文中的純電動(dòng)汽車(chē)沿用原車(chē)4 通道獨(dú)立控制的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（antilock brake system，ABS），前制動(dòng)器為實(shí)心盤(pán)式制動(dòng)器，后制動(dòng)器為領(lǐng)從蹄式鼓式制動(dòng)器，制動(dòng)踏板為吊掛式。仿真時(shí)，電機(jī)類(lèi)型為永磁同步電機(jī)，電池類(lèi)型為磷酸鐵鋰電池，整車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

表1 純電動(dòng)整車(chē)基本參數(shù)

1.2 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

車(chē)輛再生制動(dòng)系統(tǒng)由ABS 系統(tǒng)、整車(chē)控制器（vehicle control unit，VCU）、電機(jī)控制器（motor con?trol unit，MCU）、電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）等組成。各控制器間采用CAN 總線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

純電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)是指車(chē)輛在減速或制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池內(nèi)已備驅(qū)動(dòng)時(shí)使用的過(guò)程［1］。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)是由電機(jī)控制器內(nèi)脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)單元，進(jìn)而控制絕緣柵雙極型晶體管完成。以單相電路為例進(jìn)行說(shuō)明，再生制動(dòng)電氣原理如圖2所示，電機(jī)的定子繞組簡(jiǎn)化為電阻電感電路，T1、T2 為2 個(gè)IGBT 器件，C 為濾波電容，D 為二級(jí)管。車(chē)輛行駛時(shí)，T1 打開(kāi)，T2 關(guān)斷，電流方向如路徑①所示。車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程分為能耗制動(dòng)階段和再生制動(dòng)階段。能耗制動(dòng)時(shí)，T1 關(guān)斷、T2 打開(kāi)，在電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的作用下，電樞電流逐漸增大，開(kāi)始儲(chǔ)存能量，電流方向如路徑②所示。再生制動(dòng)時(shí)，T1和T2關(guān)斷，由于電動(dòng)機(jī)電感的作用，電樞電流不能突變，產(chǎn)生較高的電壓通過(guò)T1 的續(xù)流二級(jí)管D1 向電池組充電，電樞電流逐漸降低，釋放能量，電流方向如路徑③所示［1］。

圖2 再生制動(dòng)電氣原理圖

2 整車(chē)制動(dòng)力分配

車(chē)輛踩下制動(dòng)踏板后，整車(chē)控制器根據(jù)踏板的位置、輪速傳感器的信號(hào)以及電機(jī)、電池的狀態(tài)，決定如何在前后軸、再生制動(dòng)以及液壓制動(dòng)之間分配制動(dòng)力。制動(dòng)力的分配決定著車(chē)輛的方向穩(wěn)定性和附著條件利用程度，制動(dòng)系統(tǒng)滿(mǎn)足安全性、穩(wěn)定性和相關(guān)法規(guī)要求是研究再生制動(dòng)的前提。

1）前后輪受力分析 由汽車(chē)?yán)碚摚?］可知，車(chē)輛制動(dòng)時(shí)前后輪受力情況為

式中：L為前后軸距離；m為整車(chē)質(zhì)量；a和b分別為前后軸到質(zhì)心的距離；φ為附著系數(shù)；hg為車(chē)輛質(zhì)心高度；FZ1為地面對(duì)前輪的法向作用力；FZ2為地面對(duì)后輪的法向作用力。

2）制動(dòng)力分配曲線(xiàn) 為了實(shí)現(xiàn)前后輪同時(shí)抱死，前后輪地面制動(dòng)力應(yīng)滿(mǎn)足理想制動(dòng)力分配曲線(xiàn)（I線(xiàn)），前后制動(dòng)力受力［2］情況為

式中：Fbf和Fbr分別為前后輪制動(dòng)力；z為制動(dòng)強(qiáng)度。車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，前輪抱死、后輪未抱死時(shí)的制動(dòng)力分配線(xiàn)為f線(xiàn)，制動(dòng)力受力情況為

3）ECE 法規(guī)曲線(xiàn) ECE R13 法規(guī)和GB/T12676—1999對(duì)雙軸汽車(chē)前后輪制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力的分配提出了明確規(guī)定［2］，由此得到ECE線(xiàn)：

綜上所述，為保證汽車(chē)制動(dòng)穩(wěn)定性和制動(dòng)效能，前后輪制動(dòng)力的分配應(yīng)處于I線(xiàn)、橫軸、ECE線(xiàn)以及f 線(xiàn)圍成的區(qū)域內(nèi)。結(jié)合車(chē)輛參數(shù)，利用MA?TALB繪制圖形區(qū)域如圖3所示。

圖3 制動(dòng)力分配區(qū)域圖

3 再生制動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

典型的制動(dòng)力分配策略有并聯(lián)混合制動(dòng)控制策略、理想制動(dòng)力分配串聯(lián)控制策略和最大制動(dòng)能量回收控制策略。由于并聯(lián)制動(dòng)策略具有改動(dòng)小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合車(chē)輛實(shí)際情況，采用并聯(lián)混合制動(dòng)控制策略進(jìn)行仿真分析。

3.1 前后軸制動(dòng)力分配策略

采用基于I 線(xiàn)、ECE 線(xiàn)進(jìn)行制動(dòng)力分配的并聯(lián)混合制動(dòng)策略，機(jī)械制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)的分配比例采用模糊控制進(jìn)行輸出。因汽車(chē)在行駛中制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)強(qiáng)度不同，在保證制動(dòng)安全、穩(wěn)定的前提下，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度劃分制動(dòng)力，分配曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖4。z不大于0.11時(shí)，屬于輕度制動(dòng)，制動(dòng)力分配按縱軸OC段執(zhí)行，即整車(chē)制動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)軸后軸提供。因制動(dòng)強(qiáng)度小，后輪提供的再生制動(dòng)力滿(mǎn)足制動(dòng)需求，制動(dòng)能量能最大程度地回收。當(dāng)z不大于0.7 時(shí)，屬于中度制動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)力分配按I線(xiàn)的BD段執(zhí)行，即整車(chē)制動(dòng)力由前后輪制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力共同提供。其中電機(jī)再生制動(dòng)力由后輪制動(dòng)力按模糊控制的比例輸出，制動(dòng)能量回收受模糊控制輸出比例影響較大。z大于0.7 時(shí)，屬于大強(qiáng)度緊急制動(dòng)，制動(dòng)力分配按I線(xiàn)DE段執(zhí)行，即電機(jī)不參與制動(dòng)，全部采用前后輪的機(jī)械制動(dòng)，制動(dòng)能量回收為零。

圖4 制動(dòng)力分配曲線(xiàn)圖

3.2 再生制動(dòng)力的模糊控制策略

模糊控制不依賴(lài)被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型、便于實(shí)現(xiàn)、魯棒性和適應(yīng)性好，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)。利用MATALB 內(nèi)Fuzzy Logic Designer 模塊實(shí)現(xiàn)模糊控制，將需求制動(dòng)壓力F、車(chē)速V、電池剩余電量（state of charge，SOC）作為模糊控制器的輸入量，再生制動(dòng)分配系數(shù)k作為輸出量。F和SOC 的模糊子集為{L，M，H},V和k的模糊子集為{S,M,B,VB}，各個(gè)模糊子集的定義為L(zhǎng)（低）、M（中）、H（高）、S（?。?、M（中）、B（高）、VB（很高）。圖5～8為輸入和輸出的隸屬度函數(shù)規(guī)則設(shè)計(jì)，隸屬度函數(shù)的模糊控制規(guī)則如表2所示。

圖5 F隸屬度函數(shù)

圖6 V隸屬度函數(shù)

圖7 電池組SOC隸屬度函數(shù)

圖8 k隸屬度函數(shù)

表2 k模糊控制規(guī)則

4 再生制動(dòng)影響因素和控制邏輯

4.1 再生制動(dòng)主要影響因素

1）ABS 制動(dòng)系統(tǒng) 為確保車(chē)輛ABS 系統(tǒng)工作的可靠性和考慮控制器成本，純電動(dòng)車(chē)輛在ABS處于激活狀態(tài)下，關(guān)閉制動(dòng)能量回收功能。

具體來(lái)講，劉德平教授的“桑葉苦瓜糖果壓片”是通過(guò)四步來(lái)完成安全、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)血糖功能的：第一步：激活胰島。“桑葉苦瓜糖果壓片”通過(guò)激活胰島、激活胰島素受體，提高胰島素有效利用率，使血糖調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮正常作用。第二步：調(diào)節(jié)血糖。胰島素、胰島素受體的激活，恢復(fù)了機(jī)體正常血糖代謝能力，實(shí)現(xiàn)降低血糖的目的。第三步：調(diào)整代謝系統(tǒng)。由于胰島素的激活和有效利用，機(jī)體的蛋白代謝系統(tǒng)、脂代謝系統(tǒng)也逐步由紊亂狀態(tài)調(diào)整到正常狀態(tài)。第四步：穩(wěn)定。隨著糖、蛋白質(zhì)、脂肪三大代謝系統(tǒng)趨于正常，機(jī)體內(nèi)部的各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入良性循環(huán)狀態(tài)，糖尿病患者的各種癥狀因此逐步減輕和消失。

2）電機(jī)最低轉(zhuǎn)速 根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作原理可知，當(dāng)車(chē)速較低或車(chē)輪可能發(fā)生抱死而造成電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速很低時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)較小，此時(shí)電動(dòng)機(jī)很難給電池組充電［1］。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于500 r?min-1時(shí)禁止電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)，采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)。

3）電池SOC 當(dāng)電池組SOC 過(guò)高時(shí)，應(yīng)禁止給電池組充電，以免過(guò)充，縮短電池壽命。當(dāng)電池組SOC 大于90%時(shí)禁止電機(jī)再生制動(dòng)，采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)。

4）電機(jī)最大制動(dòng)力 電機(jī)可提供最大制動(dòng)力：

式中：Tmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；i為減速比，取10.5；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；η為機(jī)械傳動(dòng)效率，取0.95。代入整車(chē)基本參數(shù)求得Fzmax為6995 N?m。當(dāng)z不大于0.11時(shí)，整車(chē)制動(dòng)力由電機(jī)制動(dòng)提供。z取0.11時(shí)，整車(chē)所需最大制動(dòng)力為

計(jì)算得Fz為1732.5 N?m，小于Fzmax，可以實(shí)現(xiàn)完全電機(jī)制動(dòng)。當(dāng)z為（0.11, 0.7］時(shí)，整車(chē)制動(dòng)力由電機(jī)再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)共同完成，制動(dòng)器制動(dòng)力矩與制動(dòng)器參數(shù)之間關(guān)系［3］為

式中：PB為制動(dòng)壓力；AB為制動(dòng)器活塞缸面積；ηB為制動(dòng)器效率；μB為制動(dòng)器摩擦系數(shù)；rB為有效摩擦半徑；cB為制動(dòng)因子。各參數(shù)取值如表3所示?？傊苿?dòng)力為

表3 制動(dòng)器參數(shù)

5）充電功率限制 當(dāng)電機(jī)的最大發(fā)電功率大于電池組最大充電功率時(shí)，為保護(hù)電池組，只能以最大充電功率進(jìn)行充電。反之則表明電池組完全能夠滿(mǎn)足電機(jī)的發(fā)電功率需求，此時(shí)以電機(jī)的實(shí)際發(fā)電功率進(jìn)行充電。

4.2 再生制動(dòng)控制邏輯

根據(jù)再生制動(dòng)主要影響因素，設(shè)計(jì)再生制動(dòng)控制邏輯如圖9所示。

圖9 再生制動(dòng)控制邏輯圖

5 再生制動(dòng)控制策略建模仿真

利用MATALB/Simulink 搭建再生制動(dòng)控制策略模型，在Cruise 內(nèi)搭建純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型，進(jìn)行聯(lián)合仿真。

5.1 搭建模型

根據(jù)控制策略建立再生制動(dòng)力模型如圖10所示。圖10為頂層模型，包含驅(qū)動(dòng)模塊和制動(dòng)模塊。制動(dòng)模塊如圖11 所示，總需求制動(dòng)力計(jì)算模塊的輸入為PB，輸出為Fz和z，z可以通過(guò)式（10）計(jì)算得到。條件判斷模塊中，輸入為z、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電池組SOC，輸出為再生制動(dòng)影響因素條件觸發(fā)信號(hào)。模型中按z進(jìn)行制動(dòng)力分配，分為z≤0.11 模塊、0.110.7 模塊。聯(lián)合仿真時(shí)，由于Cruise自帶模型控制器為串聯(lián)制動(dòng)模式，不適用于文中設(shè)計(jì)的策略，利用MATALB DLL模塊取代Cruise自帶模型中eBrake&mBrake Unit（制動(dòng)控制模塊）和eDrive Control System（驅(qū)動(dòng)控制模塊）。

圖10 頂層模型

圖11 制動(dòng)模塊

5.2 仿真結(jié)果分析

1）電池組SOC 選擇新歐洲行駛工況（new european driving cycle，NEDC）［4］進(jìn)行仿真測(cè)試，SOC初始值設(shè)置為100%，前4個(gè)NEDC工況循環(huán)如圖12 所示。電機(jī)正扭矩代表驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，負(fù)扭矩表示制動(dòng)狀態(tài)下電機(jī)負(fù)載信號(hào)為負(fù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)對(duì)電池組進(jìn)行充電。電池組SOC 大于90%時(shí)，在制動(dòng)狀態(tài)下電機(jī)無(wú)負(fù)扭矩，關(guān)閉再生制動(dòng)，整車(chē)制動(dòng)力由前后輪制動(dòng)力提供；SOC 小于90%時(shí)，電機(jī)有負(fù)扭矩，進(jìn)行制動(dòng)能量回收。曲線(xiàn)波動(dòng)情況符合策略中的SOC對(duì)再生制動(dòng)的影響。

圖12 前4個(gè)NEDC工況循環(huán)

2）制動(dòng)強(qiáng)度 在Cruise 的NEDC 循環(huán)工況中SOC初始值設(shè)為80%，以完成1個(gè)工況循環(huán)為例進(jìn)行分析。當(dāng)z不大于0.7時(shí)，整車(chē)制動(dòng)力分配情況見(jiàn)表4。當(dāng)z不大于0.11時(shí)，車(chē)速?gòu)?0.5 km?h-1降低至19.0 km?h-1，z最大值為0.086，最小值為0.075。此階段z小于0.11，F(xiàn)bf、Fbr均為0說(shuō)明機(jī)械制動(dòng)沒(méi)有起作用；電機(jī)負(fù)載T為負(fù)值,說(shuō)明電機(jī)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電機(jī)再生制動(dòng)提供制動(dòng)時(shí)的全部制動(dòng)力。當(dāng)z為（0.11,0.7］時(shí)，車(chē)速由45.8 km?h-1降至17.29 km?h-1，z均大于0.11。Fbf、Fbr均大于0，T小于0，說(shuō)明整車(chē)制動(dòng)力由前后輪制動(dòng)力和電機(jī)的再生制動(dòng)力共同提供。文中NEDC 工況內(nèi)z最大為0.14，屬于中度制動(dòng)，因此z大于0.7時(shí)制動(dòng)力分配情況暫不討論。

表4 不同制動(dòng)強(qiáng)度下制動(dòng)力分配情況

5.3 評(píng)價(jià)

QC/T1089—2017指出汽車(chē)制動(dòng)能量回收效能用于評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收有效性，包括制動(dòng)能量回收效率、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度。制動(dòng)能量回收效率指再生制動(dòng)系統(tǒng)回收最終回饋至可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量與汽車(chē)減速過(guò)程中所施加的制動(dòng)能量之間的比值。［5］在Cruise 模型中設(shè)定SOC 初始值80%，完成1 個(gè)NEDC 循環(huán)，制動(dòng)回收能量為1304 kJ，輸出消耗總能量為6658 kJ，制動(dòng)能量回收效率約為19.6%，如圖13所示。

圖13 制動(dòng)回收能量與制動(dòng)消耗總能量

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)續(xù)航里程貢獻(xiàn)度是指開(kāi)啟和關(guān)閉制動(dòng)能量回收功能時(shí)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行里程的差值與關(guān)閉制動(dòng)能量回收的里程的比值［5］。在Cruise 模型中設(shè)定SOC 初始值為100%，仿真終止SOC值為0，連續(xù)運(yùn)行多個(gè)NDEC工況，仿真結(jié)果如圖14所示。關(guān)閉和開(kāi)啟再生制動(dòng)整車(chē)?yán)m(xù)航里程分別約為247 km 和299 km，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)續(xù)航里程貢獻(xiàn)度約為21%，開(kāi)啟再生制動(dòng)后約299 km的續(xù)航里程接近滿(mǎn)足中純電動(dòng)乘用車(chē)NEDC 續(xù)航里程不低于300 km的要求。

圖14 再生制動(dòng)開(kāi)關(guān)續(xù)航里程對(duì)比

6 結(jié)論

針對(duì)后驅(qū)純電動(dòng)車(chē)輛，采用并聯(lián)混合再生制動(dòng)控制策略，結(jié)合制動(dòng)I曲線(xiàn)、f曲線(xiàn)、ECE法規(guī)以及再生制動(dòng)影響因素，在不同制動(dòng)強(qiáng)度下討論前后輪制動(dòng)力及電機(jī)再生制動(dòng)力的分配情況。通過(guò)Cruise整車(chē)模型和MATALB/Simulink 控制策略模型的聯(lián)合仿真，驗(yàn)證了該控制策略的有效性和合理性。文中只研究了制動(dòng)工況下的再生制動(dòng)策略，未對(duì)滑行再生制動(dòng)及電池充放電特性、功率等因素對(duì)制動(dòng)力分配的影響進(jìn)行展開(kāi)，結(jié)合電池充放電特性制定滑行工況下的能量回收策略是后續(xù)研究重點(diǎn)。