羅 勇,張嘉璐,李小凡,李莉莎,張 隆,孫 強

(1.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室, 重慶 400542;2.寧波圣龍(集團)有限公司,技術(shù)中心, 浙江 寧波 315199)

0 引言

在當前生態(tài)背景和行業(yè)背景下,插電式混合動力汽車成為從傳統(tǒng)燃油車到新能源汽車的主要路徑,也是汽車電動化轉(zhuǎn)型的至關(guān)重要的一步[1]。東風馬赫動力MHD(micro hybrid drive)采用的是P1+P3的DHT(dedicated hybrid transmission)方案,能夠?qū)崿F(xiàn)啟停、純電行駛、串、并聯(lián)、駐車發(fā)電和能量回收等多種駕駛模式[2],該車型已投放到國內(nèi)市場。隨著混合動力系統(tǒng)的發(fā)展,基于雙電機的串并聯(lián)構(gòu)架的DHT系統(tǒng)也逐漸成為國內(nèi)車企研究的新風向[3]。因此,選用當下主流的混合動力系統(tǒng)方案,即以配有AMT的雙電機(P1+P3)插電式混合動力汽車為研究對象。

日常行車過程中常常會出現(xiàn)減速或制動的情況,傳統(tǒng)制動方式會消耗掉整車行駛過程中的總能耗的1/3～1/2。這不僅會對制動器造成損傷,還會造成能耗浪費。新能源汽車技術(shù)中的再生制動技術(shù)可以減輕這種浪費,同時減少制動器的磨損[4]。本文中選用P1+P3雙電機PHEV結(jié)構(gòu),其P1和P3電機均可以進行能量回收,有明顯的能量回收優(yōu)勢,利于車輛的行駛里程。

目前,國內(nèi)對制動能量回收策略的研究主要集中在車輛前、后軸制動力分配,電機制動力與機械制動力分配上。密歇根大學的Mi等[5]以電機最優(yōu)轉(zhuǎn)矩為目標,通過控制車輪滑移率和制動時路面附著系數(shù)以防止車輪抱死,從而提出一種基于迭代學習的HRV防抱死控制方法。Panagiotidis等[6]提出一種基于并聯(lián)混合動力汽車為研究對象的制動力分配策略,通過仿真分析了該再生制動系統(tǒng)的影響因素。姜良超[7]以電動汽車為研究對象,結(jié)合電池、電機、ECE法規(guī)提出一種基于制動意圖識別的能量回收控制策略,將制動意圖通過模糊控制的方式進行細分識別,制定相應(yīng)的前后軸制動力分配和前軸機電制動力的分配,以提高制動過程中的能量回收率。李鵬[8]以長豐CS7Plug-in混合動力汽車為研究對象,對制動過程中車輛受力進行分析,以制動能量回收最大化為目標,提出一種與傳統(tǒng)制動力分配方法不同的復合型混合動力分配策略。李剛等[9]提出根據(jù)制動強度分配電機、機械制動力的控制策略,制動時,先由電機盡可能多地提供電機制動力,不足部分由機械制動力補充。韓愛國等[10]以能量回收率為目標,通過對某一前、后雙電機驅(qū)動的純電動汽車進行研究,合理地分配前、后軸上機械制動力與電機制動力各自的比例,并引入相關(guān)影響因子對電機制動力進行修正,制定經(jīng)濟性控制策略。以上研究的對象大都為單電機汽車,且對于制動力的分配大都集中在前后軸制動力、機電制動力分配上,對于雙電機的制動能量回收研究較少。

基于此,以提高能量回收為目的,提出一種前后軸制動力分配、電機制動力和機械制動力分配、雙電機之間制動力分配的多級制動力分配策略,并在Matlab/Simulink中搭建制動能量回收控制模型,通過典型的制動工況對其進行仿真驗證。

1 P1P3構(gòu)型PHEV結(jié)構(gòu)

本文中所研究的對象為前驅(qū)式雙電機插電式混合動力汽車。搭載了2臺電機,1臺是裝配在發(fā)動機輸出軸端、離合器之前的P1電機,與發(fā)動機剛性連接;另一臺是裝配在變速器輸出軸上的P3電機,即為時下較為流行的雙電機P1+P3構(gòu)型,如圖1所示。

從圖1可以看出,搭載在發(fā)動機曲軸上、離合器之前的P1電機,其所能實現(xiàn)的功能與P0電機相仿。由于P1電機固定在發(fā)動機曲軸上,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飛輪,曲軸則可以代替此時P1電機的轉(zhuǎn)子,配合完成發(fā)動機啟停、能量回收的工作。除此之外,P1電機還可以在長坡路段為提升安全性能提供相應(yīng)的輔助制動力矩。該電機還能彌補P0電機不可以實現(xiàn)輔助動力和能量回收的功能。其動力傳動效率更高,經(jīng)濟性效果更好。與發(fā)動機同軸同源輸出,搭載在變速器輸出端的P3電機作為驅(qū)動電機,可輸出較大扭矩,克服AMT動力中斷問題,同時也可以進行能量回收。因此,當車輛進入能量回收模式后,存在單電機制動模式、雙電機制動模式、混合制動模式和機械制動模式。不同的工作模式有著不同的能量回收策略。

2 雙電機協(xié)同制動能量回收策略

本文中的研究對象為雙電機插電式混合動力汽車,根據(jù)這個結(jié)構(gòu)分析關(guān)于制動力的分配涉及到3次：第1次是前后軸的制動力分配;第2次是發(fā)生在電機制動和機械制動之間的分配;第3次是制動力在2個電機之間的分配關(guān)系,其流程如圖2所示。

圖2 制動力分配流程框圖

在實際車輛中前后軸制動力要實現(xiàn)I曲線的分配有一定困難,它們之間的關(guān)系通常是成定比值的。在制動力分配的過程中需要遵循安全可靠原則和能量回收盡可能多原則。由前面分析可以得出：前后軸制動力分配點應(yīng)位于I曲線下方、ECE法規(guī)邊界線上方、f線左側(cè)及橫縱坐標軸圍成的區(qū)域(包含邊界線)[11]。

基于此,提出一種依據(jù)電機所能提供的最大制動力和制動強度的前后軸制動力分配策略,如圖3所示。按照電機參與制動分為可以進行能量回收和不能進行能量回收2種情況。

圖3 基于ECE法規(guī)和I曲線的復合制動力分配策略

2.1 前后制動力分配策略

當車輛不能進行能量回收(即此時電機不輸出任何制動力)時,譬如當車輛電池SOC大于回收上限值、車速低于回收下限值,或者處于緊急制動時,此時不需要考慮能量回收,所以應(yīng)該盡可能提高制動效能和制動穩(wěn)定性,可以按照I曲線進行前后軸制動力的分配。取此時的地面附著系數(shù)為φ=0.7。

電機不進行能量回收時,當0

(1)

(2)

當z>0.7時,制動強度很大,屬于緊急制動,在道路系數(shù)為0.7的路面上地面制動力達到附著力后不會再繼續(xù)增加。若仍然按照I曲線進行分配,則后輪會先抱死,出現(xiàn)后軸側(cè)滑。因此,當處于緊急制動(z>0.7)時,以制動強度線與I曲線交點c進行分配(如圖3所示),且一直遵循這個分配比例,不再隨制動強度的改變而改變。

(3)

(4)

電機進行能量回收時,為了完成兼顧制動能量回收和制動安全性能的目標,將有電機參與制動的過程分為以下4個階段：

第1階段為oa段：此階段制動強度很小,可以不受ECE法規(guī)的限制,為了多回收一些能量,將制動力全部分配到前軸上：

Ff=G·Z

(5)

Fr=0

(6)

點a為ECE法規(guī)和橫軸坐標的交點。通過計算可以得到a點所對應(yīng)的制動強度為0.24。

第2階段為ab段：此階段制動強度不算大,仍然可以堅持能量回收最大化原則。此時,前后軸制動力分配點必須落在ECE法規(guī)曲線上及上方。b點為ECE法規(guī)線與f線組的交點。其所對應(yīng)的制動強度可根據(jù)下列公式計算,通過計算可以得到zb為0.525。

(7)

但若此時只按照ECE法規(guī)曲線進行分配,會遠離I曲線,即制動方向的穩(wěn)定性變差。所以,可以進一步對其進行改善,根據(jù)當前電機最大制動力(P1和P3最大電機制動力之和)進行劃分,每一個制動強度線與I曲線、ECE法規(guī)線都有2個交點：

① 若當下電機制動力小于I曲線上的交點的橫坐標值時,為滿足提高能量回收率,則按該點(即I曲線)進行前后制動力分配。

② 若當下電機制動力處于兩交點橫坐標值之間時,則采用前軸只需按照電機當前能輸出的最大制動力進行制動,剩余分配給后軸。

Ff=Fm

(8)

Fr=Gz-Fm

(9)

③ 若當下電機制動力大于在ECE法規(guī)線上的交點橫坐標值時,則前后軸制動力分配按照此點(ECE法規(guī)線)進行,分配公式如式(7)。

第3階段為bc段：此時車輛處于中等制動強度,按照f線進行分配。

(10)

(11)

第4階段：c點及以后階段。此時制動強度大,整個汽車處于緊急制動狀態(tài),與電機未參與能量回收時的緊急制動狀態(tài)一樣。采用c點進行制動力的分配,其具體分配見式(3)和式(4)。

2.2 前軸機電制動力分配策略

由于電機制動不可能總滿足前軸的制動力,所以前軸上的制動力還需要由機械制動力提供部分。這就涉及到了關(guān)于制動力的第2次分配,即前軸機電制動力的占比問題。此次同樣需要遵循制動安全和能量最優(yōu)化原則。

同樣地,在前軸機電制動力分配的過程中依然分為4個階段：

第1階段(oa段)：這個階段的制動強度在車輛行駛途中占了相當大的比例,出現(xiàn)此種小強度制動情況的時候較多,所以應(yīng)該在這個過程中盡量使用電機進行制動,從而達到提高能量回收率的目的。于是,將此時前軸全部的制動力都分配給電機,選擇單電機制動模式,即：

Ffe=Ff,Ffh=0

(12)

第2階段(ab段)：根據(jù)上一節(jié)的分析,此階段利用電機所能提供的最大制動力(P1和P3最大電機制動力之和)又可以分為：

若當下電機制動力小于I曲線上的交點的橫坐標值時,前軸所分配到的總制動力大于此時電機的最大制動力,所以電機此時不足以支撐前軸全部制動力。剩余不夠的制動力由機械制動器提供,此即為混合制動模式。二者共同完成前軸的制動要求：

Ffe=Fm,Ffh=Ff-Fm

(13)

若當下電機制動力處于兩交點橫坐標值之間時,此時電機完全能夠為前軸制動供給足夠的制動力,所以可以由電機承擔全部的前軸制動力,采用雙電機模式：

Ffe=Ff,Ffh=0

(14)

若當下電機制動力大于在ECE法規(guī)線上的交點橫坐標值時,電機制動力大于所分配給前軸的制動力,此時仍然按照前軸制動力全部由電機提供的方案,即采用雙電機制動方案：

Ffe=Ff,Ffh=0

(15)

第3階段(bc段)：此時制動強度偏高,不宜再進行純電機制動,需要由機械制動器提供制動力來保證安全性。此過程中隨著制動強度或者車速的變化,機械制動的參與程度應(yīng)該逐漸增加。該過程中機電制動力的分配為

(16)

式中,α為前軸電機制動力與前軸總制動力的比值,稱為電機制動力系數(shù)。該系數(shù)隨著制動強度的增加而減少;在制動強度不變的情況下,隨著車速的降低而增加。利用模糊控制對該系數(shù)進行調(diào)控,車速和制動強度以及電機制動力系數(shù)隸屬度函數(shù)如圖4,模糊規(guī)則如表1,形成的模糊規(guī)則三維圖如圖5所示。

圖4 隸屬度函數(shù)

圖5 電機制動力系數(shù)模糊規(guī)則

第4階段(c點及以后)：高強度制動下,前軸制動力全部由機械制動器提供,電機此時不參與制動。

Ffe=0

(17)

(18)

2.3 雙電機之間的制動力分配策略

由于本構(gòu)型的特點是P1和P3電機均可進行制動能量回收,因此,在制動力完成前后分配和機電分配后,還需要在2個電機之間再進行一次分配。電機進行制動能量的能力除受到電機外特性影響外,還受到電機本身效率的影響。圖6為P1電機、P3電機不同轉(zhuǎn)速下的效率。

圖6 P1電機、P3電機MAP圖

當車輛進入制動能量回收狀態(tài)時,驅(qū)動輪處的動能通過AMT和P1電機轉(zhuǎn)化為電能儲存到電池中。驅(qū)動車輪處的再生制動力矩見公式：

Treg=Tm·ηm·ηAMT·η0

(19)

Preg=Freg·V

(20)

式中：Treg為再生制動扭矩,N·m;Tm為電機扭矩,N·m;ηm為電機效率;ηAMT為AMT傳遞效率;η0為主減速器效率;Preg為再生制動功率;Freg為再生制動力;V為車速,km/h。

從式(19)(20)可以看出,再生制動力矩Treg與電機ηm效率相關(guān),電機效率ηm越高,Treg越大,Preg也越大,從而回收的能量就越多。本構(gòu)型中P1和P3電機都能進行能量回收,為了進一步達到提高能量回收率的目的,可以在能量回收時優(yōu)先選用效率高的電機進行制動。

從圖6可以看出,P1和P3電機在不同轉(zhuǎn)速下的效率有所不同。因此,在制動力第3次分配的過程中,可以通過2個電機的效率進行劃分：

當車輛進入雙電機均參與的制動模式時：

若Eff1(P1電機效率)>Eff3(P3電機效率),則優(yōu)先選用P1電機進行能量回收,剩余的電機制動力由P3電機進行輔助;

若Eff1

特別說明：若Eff1=Eff3,優(yōu)先選用P3電機進行制動,未滿足的部分由P1電機提供。若此時選擇P1先電機制動,會因為發(fā)動機反拖扭矩的存在,損耗掉一部分的能量,造成能量回收的浪費。同樣地,在單電機回收模式中只使用P3電機工作。特別說明,發(fā)動機反拖扭矩存在的意義是制動強度較大時發(fā)動機反拖扭矩可以增加制動可靠性。本文中制動強度介于a點和c點之間有P1電機參與的制動模式中發(fā)動機扭矩才會被利用到。

3 仿真結(jié)果分析

結(jié)合前文對雙電機構(gòu)型結(jié)構(gòu)和制動能量回收策略制定,在Simulink/Stateflow中建立了整車仿真模型,如圖7(b),模型框架如圖7(a),主要包含輸入(駕駛循環(huán))模塊、駕駛員模塊、車輛模型模塊、仿真結(jié)果、控制策略模塊。其中,關(guān)鍵器件模型包括發(fā)動機特性模型、電機特性模型、電池模型、車輛縱向動力學模型;控制策略模塊主要包括扭矩分配、模式選擇等模塊。

圖7 雙電機構(gòu)型制動能量回收管理仿真模型

為了進一步驗證本文中所制定的策略,需要在特定的循環(huán)工況下進行仿真分析。分別取初始SOC均為0.8、60、100 km/h下的制動強度為0.1、0.3、0.6、0.7進行對比分析。

3.1 初始車速為100 km/h的仿真分析

圖8—圖12為車輛在制動初速度為100 km/h、制動強度分別為0.1、0.3、0.6、0.7工況下的仿真結(jié)果。從圖8中可以看出,在車速增長階段,發(fā)動機和P3電機輸出正扭矩驅(qū)動車輛,而P1電機此時處于負扭矩區(qū)域,在發(fā)電狀態(tài)。此時主要消耗電量,SOC 在這個階段消耗比較快。當開始減速制動時,從SOC變化曲線和扭矩圖可以看出,此時電機P3進行制動能量的回收,電池開始充電,SOC回升。

圖8 初始車速為100 km/h不同制動強度下工況

圖9 SOC變化曲線

圖10 P1電機扭矩

圖11 P3電機扭矩

圖12 總機械扭矩

當制動強度為0.1時,制動強度比較小,機械制動力矩不參與制動,為0,只進行單電機制動,即P3電機參與制動。當制動強度為0.3時,P1和P3電機同時參與制動,此時轉(zhuǎn)速高于2 568 r/min,優(yōu)先選用P3電機進行制動,P1電機進行補充,符合所制定的策略。且電機制動力能夠滿足制動要求,所以此時機械制動力同樣為0。當制動強度為0.6時,從圖10、11和12可以看出,電機制動參與減少,此時機械制動開始參與。此時,所回收的能量明顯比制動強度少,為0.3。當制動強度為0.7時,電機全部退出制動,僅有機械制動存在,沒有能量回收,制動開始后,SOC也沒有增加。

從圖中的機械轉(zhuǎn)矩和電機制動轉(zhuǎn)矩可以看出,隨著制動強度的增加,機械制動力矩逐漸增加,電制動參與減少,SOC回升的程度越小。這符合所制定的制動扭矩策略。

用制動能量回收率評價制動能量回收效果,如下式

(21)

式中：η為能量回收率;Wreg為所回收的能量,kJ;Wb為制動所消耗的總能量,kJ。

從表2可以看出,隨著制動強度的增加,電池剩余SOC越少,回收的能量越少,能量回收率也相應(yīng)減少。當處于緊急制動時,完全不進行能量回收。這符合所制定的制動力分配策略。

3.2 初始車速為60 km/h的仿真分析

圖13—圖17為車輛在制動初速度為60 km/h、制動強度分別為0.1、0.3、0.6、0.7工況下的仿真結(jié)果。同樣地,從圖13中可以看出,在車速增長階段,發(fā)動機和P3電機輸出正扭矩驅(qū)動車輛,而P1電機此時處于負扭矩區(qū)域,處在發(fā)電狀態(tài)。此時主要消耗電量,SOC 在這個階段消耗比較快。當開始減速制動,從SOC變化曲線和扭矩圖可以看出,此時電機P3進行制動能量的回收,電池開始充電,SOC回升。

圖13 初始車速為60 km/h不同制動強度下工況

圖14 SOC變化曲線

圖15 P1電機扭矩

圖16 P3電機扭矩

圖17 總機械扭矩

當制動強度為0.1時,此時制動強度比較小,機械制動力矩不參與制動,為0,只進行單電機制動,即P3電機參與制動。當制動強度為0.3時,P1和P3電機同時參與制動,此時轉(zhuǎn)速高于2 568 r/min,優(yōu)先選用P3電機進行制動,P1電機進行補充,符合所制定的策略。且電機制動力能夠滿足制動要求,所以此時機械制動力同樣為0。當制動強度為0.6時,從圖15、16和17可以看出來,電機制動參與減少,此時機械制動開始參與。此時,所回收的能量明顯比制動強度為0.3少。當制動強度為0.7時,電機全部退出制動,僅有機械制動存在,沒有能量回收,制動開始后,SOC此時也沒有增加。

從圖中的機械轉(zhuǎn)矩和電機制動轉(zhuǎn)矩可以看出,隨著制動強度的增加,機械制動力矩逐漸增加,電制動參與減少,SOC回升的程度越小。這符合所制定的制動扭矩策略。

從表3可以看出,隨著制動強度的增加,電池剩余SOC越少,回收的能量越少,能量回收率也相應(yīng)減少。當處于緊急制動時,完全不進行能量回收。這符合所制定的制動力分配策略。結(jié)合表2可以看出,在相同制動強度下,初始車速越高,所回收的能量越多。

表3 60 km/h下的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

為盡可能多地進行能量回收,參考某雙電機構(gòu)型插電式混合動力汽車,結(jié)合其構(gòu)型特點,提出了關(guān)于前后制動力分配、前軸機電制動力分配和雙電機之間的多級制動力分配策略;與此同時,在Simulink/Stateflow中搭建了整車控制模型,并在典型制動工況(制動強度為0.1、0.3、0.6、0.7,初速度分別為100 km/h和60 km/h)下對該策略進行仿真驗證分析。仿真結(jié)果顯示,本文中的制動能量回收率最高能達到66.56%,回收效果良好。