混合動力汽車制動能量回收與ABS控制策略研究

（武漢商學院機電工程與汽車服務學院，武漢 430056）

摘 要：本文基于常規混動汽車（HEV）的制動控制邏輯，提出同時兼顧制動能量回收與車輛制動穩定性的控制策略。采用邏輯門限控制方法對混動車輛的常規ABS控制邏輯進行修改，并將制動能量回收系統進行集成，形成制動能量回收與ABS控制策略，兼顧車輛經濟性與制動安全性能。最后運用ADVISOR軟件進行仿真運行，對課題所提出的相關控制邏輯進行分析，并驗證其運行的合理性及可行性。

關鍵詞：混合動力;制動能量回收;控制策略

0 前言

混合動力汽車同時采用傳統發動機和電動機作為其動力源，在車輛制動工況下，有效地將車輛制動時的能量轉換為電池的電能并加以存儲，作為電動機工作時的能量來源，對比傳統內燃機，其在相同的行駛里程下具有更高的燃油經濟性和更低的排放性能。現如今，為保證車輛在制動尤其是緊急制動時車身的穩定性，幾乎所有的汽車都裝配有ABS系統，那么怎樣使得HEV車輛在ABS系統起作用時，最大程度地回收制動能量，對于延長車輛行駛里程，改善整車使用率來講，是HEV汽車一個及其重要的研究方向。

1 傳統汽車前、后軸制動力分配

為滿足混動車輛制動時駕駛員的需求以及達到相關規定對制動效果的要求，應對傳統汽車前、后軸制動力分配進行分析。為了避免制動時由于后軸抱死而發生的側滑現象，車輛制動時理想的制動力分配曲線應隨時處于實際制動力分配曲線上方。同時為了避免制動時由于前軸抱死而發生的車輛轉向能力喪失的現象， 實際制動力分配曲線應越靠近理想制動力分配曲線。

2 制動能量回收系統原理分析

傳統汽車在制動過程中，其動能被轉化成制動器工作所產生的摩擦熱能而散發到大氣中，從而實現車速的降低，因此制動時的能量不能加以利用而白白浪費掉。如圖1所示，減小電動機工作時的頻率可達到對電動機減速的目的，電機轉速隨著工作頻率的下降而減小，但由于電機轉子旋轉慣量的存在，轉子轉速并不會馬上下降，此時定子所產生的反電動勢會大于變頻器直流端的輸出電壓，電機將轉換為發電機的工作狀態（再生制動），產生的電能會被儲能裝置所吸收。這樣車輛在產生制動作用的同時，系統電能將會得到有效回收。所以相對于傳統車輛，采用了制動能量回收系統的混動汽車其能量利用率顯著提高，車輛的經濟性、續航里程得到極大改善。

電源儲能裝置是HEV車輛最為重要的部件，其能量存儲的大小直接關系到汽車的行駛里程。當前，電池自身的容量大小與成本仍制約著混動車輛續航里程的提高。車輛制動時，通過制動能量回收系統將減小的動能更多地轉換為電能并存儲在電源儲能裝置內，轉換后的電能可供電機驅動系統使用，制動能量回收越充分，轉換的電能越多，可供電機運轉的電量越多，即可有效地減少內燃機工作時間，從而提高燃油經濟性及續航里程。

3 基于ABS的制動能量回收控制策略

由于混動車輛制動系統仍采用傳統液壓制動系統，制動過程中，車輪產生波動，勢必對制動能量回收系統中的再生制動力矩產生變化，變化的力矩又會對車輪的減速度產生進一步的影響。同時，ABS液壓控制單元的壓力調節周期明顯快于電動機動作時間，從而影響了車輛制動壓力的調節控制，ABS調節失效。因此，必須在確保在制動安全性的條件下，使制動能量回收和 ABS 制動系統協同工作，最大限度回收能量，從而實現制動能量回收和ABS制動系統的綜合控制，兼顧車輛經濟性與制動安全性能。

目前通過采用邏輯門限值這一制動控制策略在國內較為普及，根據前期試驗確定與待控制目標相一致的門限值，而后依據各傳感器所輸入的實測值與前期門限值的對比從而進行控制調節制動力大小的一種方法。邏輯門限值控制方法所需的控制參量較少，硬件系 統結構簡單，因而成本較低。系統基于邏輯門限值制動控制策略，通過集成控制器控制電動機輸出處于不同工況下對應的不同制動力矩。若前輪趨于抱死，則適當減小前軸的再生制動力矩。此時車輪轉速上升，若車輪轉速再次進入穩定區域，則維持力矩值不變，否則繼續減小力矩值。若此時前輪仍處于抱死趨勢，則應協調控制車輛再生制動力矩值和制動液壓力矩值。減壓工況下，減小前軸的再生制動力矩。當處于減壓工況外的其他工況下， 維持車輛再生制動力矩值不變。若某一前輪處于減壓制動工況下，則適當減小前軸的再生制動力矩。若兩前輪都處于非減壓制動工況下，則維持車輛再生制動力矩值不變。

4 仿真分析

4.1 ADVISOR簡介

ADVISOR是由美國可再生能源實驗室在MATLAB和SIMULINK軟件環境下開發的高級車輛仿真軟件。目前隨著國內混動汽車的不斷普及，ADVISOR越來越受到各大汽車制造廠商及汽車研發單位的青睞。

4.2 仿真分析

本車定義參數如下，車身質量1390Kg，風阻系數0.335，迎風面積2.0m2，車輪半徑0.282m，電動機最大功率49Kw，最大電流400A，發動機排量1.0L，最大功率41/5700r（Kw），最大扭矩81/3477r（Nm），蓄電池額定容量45Ah，峰值功率3.3Kw。建立制動能量回收與ABS集成控制模型，如圖2所示。

邏輯門限控制模型和集控邏輯模型一同組成制動集成控制器。邏輯門限控制量模型接受車輪制動狀態的輸入，通過安裝在各個車輪上的輪速傳感器采集不同制動減速度下車輪的轉速及滑移率并輸入集控邏輯模型。集控邏輯由制動能量回收控制邏輯、制動防抱死控制邏輯兩部分組成，其根據邏輯門限控制模型輸出的數據發送相應的制動能量回收控制指令，通過控制電機的工作負荷達到輸出液壓控制指令的目的，實現制動能量的回收與ABS控制。通過ADVISOR中以存在的并聯混動汽車模型，在CYC_1015工況下進行仿真分析，并對比默認并聯混動汽車模型相關指標 ，如下表所示，樣車模型油耗優于默認并聯模型，但排放性差別不大，進入ESS的總能力略小。這說明究其制動能量回收方面，本文所提控制策略與傳統并聯控制策略相差不大。其原因是在CYC_1015工況中，對于軟件默認并聯模型制動控制策略， 速度高于43.48km/h的制動為112秒，占全部制動工況的75%。而對于邏輯門限值控制策略，制動強度在0.1范圍內的制動為130秒，占全部制動工況的87%。ADVISOR軟件默認并聯制動控制策略中，當車輛速度處于43.48km/h以上時，電制動所占份額高于80%。故基于邏輯門限值控制策略中制動能量回收效率要略多一些。

（CYC_1015工況中，制動時間660S，制動距離2.59km，空轉時間215S，停止次數7次，最大速度43.48km/h ，平局速度14.09km/h，最大加速度2.6m/s2，最大減速度-2.76 m/s2）。/

5 結束

制動能量回收是HEV的關鍵技術，在滿足制動能量回收前提下，根據ECE制動法規規定，提出能量回收與ABS控制策略并建立仿真模型，通過ADVISOR軟件對策略進行仿真，結果表明，在保證制動時車輛穩定性的基礎上，更多的制動能量被系統回收，此控制策略比較適合在城市內行使的小型混合動力汽車，提高了能量回收利用率，對節約減排具有顯著的意義。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].吉林大學出版社，2003.

[2]襲著永.混合動力電動汽車控制策略的仿真研究及優化[D].合肥工業大學，2005（05）.

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注：本文系武漢商學院校級科研項目“混合動力汽車（HEV）制動能量回收與ABS控制策略研究”（項目編號：2014Y005）研究成果之一