純電動汽車電液復(fù)合制動系統(tǒng)聯(lián)合仿真

王 暉，陳 燎，盤朝奉，b

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院;b.汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

隨著汽車保有量快速增長，由汽車引發(fā)的資源緊缺、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重。純電動汽車對能源的利用率較高，在節(jié)能和環(huán)保方面具有較大優(yōu)勢，且其技術(shù)相對簡單成熟，具有十分廣闊的發(fā)展前景［1］。研究表明:在城市駕駛工況下，大約有1/3～1/2的能量被消耗在制動過程中，所以對純電動汽車制動能量回收的研究具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義［2－12］。

Mourad Mohamed［7］建立了蓄電池、電機、控制器以及傳動系統(tǒng)模型，運用ADVISOR軟件進行多種城市工況下的仿真，獲得了行駛工況與制動能量回收利用率之間的關(guān)系，最終確定了一種適用于最佳制動能量回收的結(jié)構(gòu)。

在電動汽車行車液壓制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)液壓控制單元和行程模擬器。基于所設(shè)計的電液復(fù)合制動系統(tǒng)與控制策略建立了AMEsim-Simulink聯(lián)合仿真模型，對電動汽車制動能量回收系統(tǒng)進行了仿真研究。

1 制動能量回收系統(tǒng)簡介

1.1 制動能量回收的原理

當(dāng)電動汽車制動時，通過控制可以將車輛以發(fā)電機模式運行。這樣一方面可以提供制動力，另一方面可以將車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能。轉(zhuǎn)化的電能存儲在儲能裝置中，從而增加電動汽車的行駛里程。圖1為電動汽車制動能量回收原理。與傳統(tǒng)汽車上的單一液壓制動力相比，電動汽車可以通過電機來提供制動力，液壓制動系統(tǒng)與電機制動系統(tǒng)共同組成了電液復(fù)合制動系統(tǒng)。

圖1 電動汽車制動能量回收原理

1.2 能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超級電容能量密度小，在回收制動能量時，其端電壓變化大且輸出特性偏軟。因此，在超級電容與電機控制器之間設(shè)置DC/DC變換器，以實現(xiàn)對能量雙向升壓和降壓的傳輸功能。超級電容與蓄電池組成的復(fù)合電源再生制動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)合電源再生制動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

驅(qū)動時，蓄電池經(jīng)電機控制器給電機供電以驅(qū)動車輪;制動時，車輪帶動電動機發(fā)電，交流電由電機控制器整流后成為直流電，經(jīng)DC/DC變換后將電能儲存在超級電容中。當(dāng)超級電容中儲存足夠多能量后，可經(jīng)由DC/DC變換器用于電機驅(qū)動車輛行駛或?qū)㈦娔芄┯杵渌碾娫O(shè)備。整車控制器根據(jù)駕駛員意圖與車輛行駛狀態(tài)決定系統(tǒng)工作狀態(tài)，且可通過控制DC/DC的運行控制電機產(chǎn)生制動力。

2 AMEsim-simulink聯(lián)合仿真模型的建立

2.1 基于AMEsim的液壓相關(guān)模型

2.1.1 行程模擬器模型

本文選用被動調(diào)節(jié)式行程模擬器。該模擬器簡單可靠，易于實現(xiàn)，且可反饋踏板力與行程間的線性關(guān)系。如圖3所示，模擬器制動液腔被兩側(cè)面積不等的活塞分隔為前腔與后腔，分別與制動主缸的前腔與后腔相連，模擬器前腔中設(shè)有模擬器彈簧。由于活塞兩側(cè)面積不等，活塞兩側(cè)所受壓力不同，可以抵消一部分作用在彈簧上的壓力，因此模擬器彈簧不需要太大的剛度來提供反力，避免因使用太大剛度的彈簧使行程模擬器尺寸變大。

在數(shù)學(xué)模型中，不計模擬器彈簧預(yù)置力，則模擬器中活塞力平衡方程為

其中:Sa，Sb分別為模擬器前后腔活塞面積;Pf，Pr分別為制動主缸前后腔液壓壓力;Pf為模擬器彈簧剛度;Kss為模擬器彈簧剛度;Xss為模擬器彈簧位移。

將主缸減壓、制動液將要流入行程模擬器的時刻作為初始點，忽略機械阻尼及液體壓縮特性，由制動主缸與行程模擬器組成的液壓回路系統(tǒng)可由方程(2)～(5)描述。

主缸推桿力:

主缸后腔活塞力平衡:

前腔進出油液平衡:

后腔進出油液平衡:

方程(2)～(5)中:Sf，Sr分別為主缸前后腔活塞面積;Kfs，Krs分別為制動主缸前、后腔回位彈簧剛度;Xfs，Xrs分別為制動主缸前、后腔彈簧位移。由此可推出主缸推力Frod與主缸有效行程Xrod的關(guān)系:

圖3 行程模擬器結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上模型，建立制動操縱機構(gòu)AMEsim模型，如圖4所示。

圖4 制動操縱機構(gòu)AMEsim模型

2.1.2 高壓蓄能器模型

制動系統(tǒng)中，液壓制動的油源是由高壓蓄能器中儲存的高壓制動液，液量可以滿足車輛多次連續(xù)制動。本文選用氣囊式高壓蓄能器。當(dāng)蓄能器作為高壓油源時，儲存和釋放的容量和氣囊中的氣體體積變化量相等，而氣體狀態(tài)的變化符合玻意耳定律，即

式(7)中:Pb為制動狀態(tài)下的壓力;Vb為對應(yīng)于Pb時氣體體積;P1為液壓泵對蓄能器儲油結(jié)束時的壓力;V1為對應(yīng)于P1時的氣體體積;P2為蓄能器的工作最低壓力限值;V2為對應(yīng)于P2時的氣體體積;P為氣囊的充氣壓力;V為氣囊的充氣體積，即蓄能器容量，這時氣囊應(yīng)充滿殼體內(nèi)腔;n為多變指數(shù)，1＜n＜1.4。

若設(shè)儲能器工作時體積變化為ΔVb(ΔVb=Vb－V1)，則

根據(jù)電動車參數(shù)，設(shè)定高壓蓄能的工作低壓限值P2=15 MPa，高壓限值為P1=18 MPa。

2.1.3 液壓泵模型

液壓泵為柱塞泵，當(dāng)高壓蓄能器內(nèi)制動液壓力降至設(shè)定的下限值時，電機帶動柱塞泵工作，向蓄能器加壓至設(shè)定的壓力值。液壓泵的輸出流量Qout與其額定的排量Vc、電機轉(zhuǎn)速nm等參數(shù)有關(guān)。液壓泵的流量可以表示為

根據(jù)電動車參數(shù)，選取液壓泵的額定排量Vc=1 mL/r，電機轉(zhuǎn)速 nm=1400 r/min。

2.2 基于Simulink的模型

2.2.1 車輛整車動力學(xué)模型

為驗證電液復(fù)合制動的制動效果，需要對整車進行動力學(xué)建模，以得到仿真過程中車輛的實時車速。車輛行駛時受力平衡可表示為

2.2.2 電機模型

電動車采用直流無刷電機，直流無刷電機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子繞組中的電流與轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生的。定子繞組產(chǎn)生的電磁功率表達式為

因此，電機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為

系統(tǒng)運動方程為

式(13)中:TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;B為電機阻尼系數(shù);J為電機軸的轉(zhuǎn)動慣量。

由式(12)可知:電機電磁轉(zhuǎn)矩的大小與磁通和電流的幅值成正比。對于永磁電機，可以通過控制逆變器輸出的電流幅值來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。本文為了研究電機的發(fā)電特性，建立了驅(qū)動電機的Simulink模型。

2.2.3 超級電容模型

忽略自放電特性對超級電容帶來的影響，將超級電容模型簡化為理想電容器和電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并建立Simulink模型。

超級電容在充電過程中，其輸入電壓為uc，可用超級電容端電壓Vc減去超級電容內(nèi)阻Rc上的壓降表示，超級電容實時SOC值可以通過制動過程中輸入電壓和充電電流計算得到。

式(14)～(15)中:Uh為超級電容的額定電壓;C為超級電容的本征容量。

超級電容為單體DLCAP2.5V700F型超級電容，其單體電壓為2.5 V，本征容量為700 F。超級電容單體通過限壓電路串聯(lián)成超級電容組作為能量回收儲能裝置，由28個單體串聯(lián)為一組，兩組并聯(lián)而成，組成的超級電容組額定電壓為70 V，本征容量為50 F。

超級電容工作時能夠存儲的能量(即有效容量Es)由額定電壓、本征容量和最低工作電壓Ucmin共同決定:

令 Ucmin=qUh，則有

式(17)中:q為超級電容的放電深度，一般取q=0.6 ～0.7。

2.2.4 DC/DC 變換器模型

DC/DC變換器是常用的電路結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)成熟，但其電感的參數(shù)選擇對變換器的性能影響很大，在設(shè)計時一般根據(jù)紋波理論計算電感取值。本研究選用的電感值為6 mH。

DC/DC變換器中IGBT的開關(guān)頻率由主控芯片決定，f=28 kHz。

當(dāng)處于升壓狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)，設(shè)占空比為Dy。當(dāng)升壓釋放時，超級電容端電壓為

升壓回收時，

2.2.5 聯(lián)合仿真模型

在AMEsim環(huán)境下聯(lián)合仿真模型如圖5所示。該模型包括制動操縱機構(gòu)、4個輪缸與和輪缸對應(yīng)的4組高速開關(guān)閥。在高速開關(guān)閥的控制集成與液壓控制器中，HyS為與Simulink對接的Simucosim模塊。

圖5 AMEsim環(huán)境下電液復(fù)合制動聯(lián)合仿真模型

Simulink環(huán)境下的聯(lián)合仿真模型如圖6所示。模型包括整車動力學(xué)模型、電機模型、超級電容模型、DC/DC模型、制動力分配與駕駛員意圖識別等上述建立的模型，還設(shè)置了恒壓蓄電池作為供電單元。其中S－函數(shù)為與AMEsim數(shù)據(jù)交換的接口。設(shè)置系統(tǒng)仿真采樣時間與數(shù)據(jù)接口采樣時間均為 0.001 s。

圖6 Simulink環(huán)境下聯(lián)合仿真模型

3 制動能量回收仿真與分析

在初始速度為36 km/h的工況下，自第6 s開始制動，踏板力輸入時間為0.5 s，輸入大小分別選取30，50 N，對應(yīng)理想制動強度的控制分別為0.08，0.248。查看仿真過程中各個參數(shù)，進行制動能量回收效果分析。

當(dāng)制動踏板力為30 N時，輸出制動強度為0.085，如圖7(c)所示。制動初始階段可完全由電機制動提供制動力，是理想的制動能量回收狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速下降，電機最大再生力矩下降，前軸液壓介入，完成制動。

當(dāng)踏板力為50 N時，輸出制動強度為0.27，大于電機提供的最大制動強度，如圖7(d)所示，制動開始后電制動與前、后軸液壓制動共同參與制動。如圖8所示，隨著車速下降，電機反電動勢下降，電機發(fā)電功率減小，提供的再生制動電樞電流減小，對電容充電電流逐漸減小，超級電容充電功率也隨之減小。超級電容電壓與SOC變化如圖9所示。

對比踏板力為30 N的小強度制動與踏板力為50 N的中小強度制動時超級電容的充電過程。由圖8可見:電容電壓由48 V分別提高至53.71 V和50.97 V;電容 SOC 由 0.47 提高至 0.588 和0.532。對應(yīng)充入超級電容的能量為14455 J與7359 J，則可得到兩種制動強度下制動能量回收率分別為38.5%與19.6%。

圖7 制動力控制輸入與輸出

圖8 電樞電流與電容充電電流

圖9 超級電容端電壓與SOC變化

可見在小制動強度下，絕大部分制動力可由電機提供，制動能量回收率較高。受電機最大再生制動力限制，在中小制動強度下，液壓部分介入較多，導(dǎo)致能量回收率偏小。但鑒于該電動車主要行駛于城市工況，電液復(fù)合制動大多以小制動強度工作，制動能量回收率在40%左右，回收效果較好。

4 結(jié)論

1)基于AMEsim的模型建立了行程模擬器、高壓蓄能器和液壓泵的模型。基于Simulink的建立了車輛整車動力學(xué)模型、電機、超級電容和DC/DC變換器模型。根據(jù)以上建立的所有模型建立了AMEsim-Simulink聯(lián)合仿真模型。

2)在初始速度為36 km/h的工況下，分別選取踏板力大小為30 N(小強度制動)和50 N(中小強度制動)進行仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析。結(jié)果表明:在城市工況下(小強度制動)，制動能量回收率在40%左右，回收效果較好。

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