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研究 | 智能纯电动汽车再生制动力控制策略

2021-11-19 12:45:45·  来源：旺材动力总成  
　
来源：合肥工业大学学报自然科学版作者：张炳力，闻静，黄鹤，邢皎玉，梅炜炜引言电动汽车对能源的高效利用是发挥其节能和环保优势的关键所在。研究表明，在城市
来源：合肥工业大学学报自然科学版
作者：张炳力，闻静，黄鹤，邢皎玉，梅炜炜
引言
电动汽车对能源的高效利用是发挥其节能和环保优势的关键所在。研究表明，在城市行驶工况，大约有50％甚至更多的驱动能量在制动过程中被损耗，郊区工况也有至少20％的驱动能量在制动过程被损耗。因此，制动能量回收是提高汽车能量利用效率的有效措施，对电动汽车的节能、提高续航里程有着不可替代的作用。
本文以某双轴前驱智能纯电动汽车为研究对象，开发了基于ECE法规和I线制动力分配的制动能量回收策略，在Matlab/Simulink环境中构建了制动能量回收和制动力分配仿真模块，并与汽车仿真软件Cruise相结合，应用该策略对电动汽车的制动能量回收和制动力分配进行分析研究。
1. 制动能量回收系统结构
为了提高整车制动性能、满足制动能量回收系统要求，选用真空助力带电动真空泵的液压制动系统；选用Ｘ型双管路布置方案，其特点为结构简单、安全。 当一回路失效时仍能保持50％的制动性能，并且制动力的分配系数和同步附着系数没有变化，则能保证制动时与整车负载的适应性。对于质心偏前的车辆（本车在空载时前轴荷大于后轴荷），利用Ｘ型布置形式能满足法规要求，符合本课题要求。目标纯电动汽车的结构简图如图１所示。

其中，实线箭头表示液压油路，虚线箭头表示点连接和控制信号。制动时，总制动力分为机械摩擦制动和电再生制动，其中电再生制动只作用在前轮，即驱动轮。控制策略的目的就是解决制动力在前、后轮上的分配以及机械制动力与电再生制动力在前轴上的分配问题。为了不影响制动防抱死系统（ABS）的防抱死功能，降低开发风险，液压控制单元设置在ABS模块之前、制动主缸之后。
2. 制动能量回收控制
常见的纯电动汽车主要是采取前轮驱动的形式，制动时后轮的制动力是纯机械制动力，前轮的制动力是机械制动力与再生制动力之和。因此相应的制动能量回收的控制策略主要关注前、后轮制动器提供的制动力和前轮电机提供的再生制动力３个部分之间的关系。从制动能量回收的角度来看，前轴电机制动力越大，制动时可以回收的能量越多，但此时前、后制动力就会偏离理想制动力分配曲线，即Ｉ曲线。
因此，在满足理想制动力分配曲线分配的同时，要实现最大的再生制动能量回收，就要使制动力优先加载在前轮上。本文研究前轴电驱动汽车的最大制动能量回收策略和基于Ｉ线制动力分配的前、后轴制动力能量回收策略，并在能量回收和制动稳定性等方面进行比较。通过对车辆行驶时的动力学分析，得到纯电动汽车制动时的受力图，如图２所示。


其中，δ为车辆旋转质量转换系数；ｍ为汽车总质量；v为汽车车速大小；R为车轮半径；Jw、JＭ分别为车轮、电机的转动惯量；ηT为传动装置的传动效率。由图2的受力分析可以看出，整车制动力由以下几个部分组成：

其中，Ff、Fw、Fi、Fx分别为滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、地面制动力大小；θg为坡度；fr为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；Fb-Hf、Fb-Hr分别为前、后轮液压制动力；Fb-Ｍ为电机制动力。本文建立的前轮驱动下能量回收控制策略逻辑如图3所示。

由表3可以看出，制动能量回收控制逻辑中，主要根据由液压制动压力所反映出的制动强度进行逻辑控制。当前端雷达、相机等采集的信号经融合处理后输入时，计算出此时所需的制动强度。 当需求制动强度z≤0.2时，仅由电机的再生制动力提供整车制动所需的力，此时液压制动系统不工作。 当需求制动强度0.2＜z＜0.7时，整车的制动力由液压制动力与电机再生制动力共同提供； 即随着需求制动力的增加，电机再生制动力所占比例逐渐减小，液压制动力逐渐开始起作用，车身电子稳定系统（ESP）电机启动，车轮进油阀InletValve开启，出油阀OutletValve关闭，各制动轮缸的制动压力逐渐增加。 当需求制动强度z≥0.7时，此时认为车辆进行紧急制动，为了保证制动安全性，制动力完全由液压制动来提供，其液压制动系统示意图如图４所示。

3. 控制策略建模及仿真
本文按照目标车基本技术参数，选用专业汽车仿真软件AVL Cruise建立纯电动前驱汽车模型，并与Matlab/Simulink控制策略联合仿真，其仿真模型如图5所示。

整车主要技术参数见表１所列。

选用NEDC工况进行模拟实验，整车初始电池SOC值设定为50％，仿真总步长为1190s；选择固定步长，仿真步长为1s，采用Ode4Runge-Kutta算法。仿真结果如图６所示。


图6a所示为NEDC循环工况理想车速与实际仿真车速对比，可以看出２条曲线几乎重合，即仿真车速很好地追随了理想车速。图6b所示为NEDC循环工况驱动电机转矩曲线。图6c所示为电池电流的变化，其中负值部分表示电机反转，此时有制动能量回收。图6d所示为NEDC循环工况电池SOC变化图，初始值设定为50％；无能量回收时，结束时SOC为37.98％，SOC值降低12.02％；有能量回收时，结束时SOC为45.48％，SOC值降低4.52％；本文制定的策略为整车仿真结果减低了7.50％的SOC消耗。图6e所示为NEDC循环工况的能量分布，无能量回收时消耗的总能量即为循环工况电机驱动总能量，当有制动能量回收时，整车消耗的能量随之相应减少。
4. 实车试验及结果分析
为了验证本文设计的制动能量回收策略，在AVL转鼓试验台上对目标车进行了NEDC工况实车试验。为了简化试验步骤，取NEDC工况的前200s进行分析。在AVL转鼓试验台中设定好城市工况，按照规定的操作要求，在公差范围内设定制动信号与电机加速信号，控制车速。分别按照有、无能量回收情况进行循环工况测试直至达到停止试验的条件，测试的实际车速与目标车速对比曲线如图7所示，电池SOC状态变化曲线如图8所示。

由图7可以看出，实车试验的速度变化曲线与设定值能够较好地拟合，速度跟踪符合试验要求。由图8可以看出，实车试验中，有能量回收时SOC值下降了0.4053％，而无能量回收时SOC值下降了1.2793％，两者相差0.8740％。
由于实车试验制定与实施过程中涉及到电机转速控制、实际车辆与模型之间的区别、测试时间仅为NEDC工况的前200s等因素，实车试验的结果与仿真结果相比略有出入，能量回收百分比较小。
除此之外，实车试验结果表明，本文制定的制动能量回收策略能够有效地达到能量回收的目的，进一步证实了仿真结果的正确性。
5. 结论
（1）本文选用NEDC工况，采用了Cruise与Simulink进行联合仿真。结果表明，在有能量回收的情况下，整车电池SOC的消耗降低了7.50%。
（2）实车试验选取了AVL台架试验，截取了NEDC工况的前200s进行试验。结果表明，在有能量回收的情况下，SOC的消耗从1.2793％降低到了0.4.53％。考虑到实车试验仅截取了部分仿真工况，这一结果与实际情况相符合，能够证实仿真结果的正确性，对仿真实验有验证、指导的作用。
（3）结合仿真实验与实车试验的结果可以看出，本文制定的能量回收策略能够达到整车能量回收的目的，也能够体现出虚拟仿真实验与实际实车试验之间的区别。本文实车试验仅测试了部分NEDC工况，在接下来的工作中可以进一步完善工况设定，更全面地进行实车台架测试。
来源：合肥工业大学学报自然科学版
作者：张炳力，闻静，黄鹤，邢皎玉，梅炜炜
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