混合動(dòng)力汽車制動(dòng)能量回收與ABS控制策略研究

（武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，武漢 430056）

摘 要：本文基于常規(guī)混動(dòng)汽車（HEV）的制動(dòng)控制邏輯，提出同時(shí)兼顧制動(dòng)能量回收與車輛制動(dòng)穩(wěn)定性的控制策略。采用邏輯門限控制方法對(duì)混動(dòng)車輛的常規(guī)ABS控制邏輯進(jìn)行修改，并將制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成制動(dòng)能量回收與ABS控制策略，兼顧車輛經(jīng)濟(jì)性與制動(dòng)安全性能。最后運(yùn)用ADVISOR軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行，對(duì)課題所提出的相關(guān)控制邏輯進(jìn)行分析，并驗(yàn)證其運(yùn)行的合理性及可行性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;制動(dòng)能量回收;控制策略

0 前言

混合動(dòng)力汽車同時(shí)采用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力源，在車輛制動(dòng)工況下，有效地將車輛制動(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換為電池的電能并加以存儲(chǔ)，作為電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的能量來源，對(duì)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，其在相同的行駛里程下具有更高的燃油經(jīng)濟(jì)性和更低的排放性能。現(xiàn)如今，為保證車輛在制動(dòng)尤其是緊急制動(dòng)時(shí)車身的穩(wěn)定性，幾乎所有的汽車都裝配有ABS系統(tǒng)，那么怎樣使得HEV車輛在ABS系統(tǒng)起作用時(shí)，最大程度地回收制動(dòng)能量，對(duì)于延長車輛行駛里程，改善整車使用率來講，是HEV汽車一個(gè)及其重要的研究方向。

1 傳統(tǒng)汽車前、后軸制動(dòng)力分配

為滿足混動(dòng)車輛制動(dòng)時(shí)駕駛員的需求以及達(dá)到相關(guān)規(guī)定對(duì)制動(dòng)效果的要求，應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)汽車前、后軸制動(dòng)力分配進(jìn)行分析。為了避免制動(dòng)時(shí)由于后軸抱死而發(fā)生的側(cè)滑現(xiàn)象，車輛制動(dòng)時(shí)理想的制動(dòng)力分配曲線應(yīng)隨時(shí)處于實(shí)際制動(dòng)力分配曲線上方。同時(shí)為了避免制動(dòng)時(shí)由于前軸抱死而發(fā)生的車輛轉(zhuǎn)向能力喪失的現(xiàn)象， 實(shí)際制動(dòng)力分配曲線應(yīng)越靠近理想制動(dòng)力分配曲線。

2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)原理分析

傳統(tǒng)汽車在制動(dòng)過程中，其動(dòng)能被轉(zhuǎn)化成制動(dòng)器工作所產(chǎn)生的摩擦熱能而散發(fā)到大氣中，從而實(shí)現(xiàn)車速的降低，因此制動(dòng)時(shí)的能量不能加以利用而白白浪費(fèi)掉。如圖1所示，減小電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的頻率可達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)減速的目的，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著工作頻率的下降而減小，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)慣量的存在，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不會(huì)馬上下降，此時(shí)定子所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)大于變頻器直流端的輸出電壓，電機(jī)將轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)（再生制動(dòng)），產(chǎn)生的電能會(huì)被儲(chǔ)能裝置所吸收。這樣車輛在產(chǎn)生制動(dòng)作用的同時(shí)，系統(tǒng)電能將會(huì)得到有效回收。所以相對(duì)于傳統(tǒng)車輛，采用了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的混動(dòng)汽車其能量利用率顯著提高，車輛的經(jīng)濟(jì)性、續(xù)航里程得到極大改善。

電源儲(chǔ)能裝置是HEV車輛最為重要的部件，其能量存儲(chǔ)的大小直接關(guān)系到汽車的行駛里程。當(dāng)前，電池自身的容量大小與成本仍制約著混動(dòng)車輛續(xù)航里程的提高。車輛制動(dòng)時(shí)，通過制動(dòng)能量回收系統(tǒng)將減小的動(dòng)能更多地轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)在電源儲(chǔ)能裝置內(nèi)，轉(zhuǎn)換后的電能可供電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用，制動(dòng)能量回收越充分，轉(zhuǎn)換的電能越多，可供電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電量越多，即可有效地減少內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)間，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性及續(xù)航里程。

3 基于ABS的制動(dòng)能量回收控制策略

由于混動(dòng)車輛制動(dòng)系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)過程中，車輪產(chǎn)生波動(dòng)，勢(shì)必對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中的再生制動(dòng)力矩產(chǎn)生變化，變化的力矩又會(huì)對(duì)車輪的減速度產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。同時(shí)，ABS液壓控制單元的壓力調(diào)節(jié)周期明顯快于電動(dòng)機(jī)動(dòng)作時(shí)間，從而影響了車輛制動(dòng)壓力的調(diào)節(jié)控制，ABS調(diào)節(jié)失效。因此，必須在確保在制動(dòng)安全性的條件下，使制動(dòng)能量回收和 ABS 制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同工作，最大限度回收能量，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收和ABS制動(dòng)系統(tǒng)的綜合控制，兼顧車輛經(jīng)濟(jì)性與制動(dòng)安全性能。

目前通過采用邏輯門限值這一制動(dòng)控制策略在國內(nèi)較為普及，根據(jù)前期試驗(yàn)確定與待控制目標(biāo)相一致的門限值，而后依據(jù)各傳感器所輸入的實(shí)測(cè)值與前期門限值的對(duì)比從而進(jìn)行控制調(diào)節(jié)制動(dòng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因而成本較低。系統(tǒng)基于邏輯門限值制動(dòng)控制策略，通過集成控制器控制電動(dòng)機(jī)輸出處于不同工況下對(duì)應(yīng)的不同制動(dòng)力矩。若前輪趨于抱死，則適當(dāng)減小前軸的再生制動(dòng)力矩。此時(shí)車輪轉(zhuǎn)速上升，若車輪轉(zhuǎn)速再次進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域，則維持力矩值不變，否則繼續(xù)減小力矩值。若此時(shí)前輪仍處于抱死趨勢(shì)，則應(yīng)協(xié)調(diào)控制車輛再生制動(dòng)力矩值和制動(dòng)液壓力矩值。減壓工況下，減小前軸的再生制動(dòng)力矩。當(dāng)處于減壓工況外的其他工況下， 維持車輛再生制動(dòng)力矩值不變。若某一前輪處于減壓制動(dòng)工況下，則適當(dāng)減小前軸的再生制動(dòng)力矩。若兩前輪都處于非減壓制動(dòng)工況下，則維持車輛再生制動(dòng)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(shí)驗(yàn)室在MATLAB和SIMULINK軟件環(huán)境下開發(fā)的高級(jí)車輛仿真軟件。目前隨著國內(nèi)混動(dòng)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(fā)單位的青睞。

4.2 仿真分析

本車定義參數(shù)如下，車身質(zhì)量1390Kg，風(fēng)阻系數(shù)0.335，迎風(fēng)面積2.0m2，車輪半徑0.282m，電動(dòng)機(jī)最大功率49Kw，最大電流400A，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)集成控制器。邏輯門限控制量模型接受車輪制動(dòng)狀態(tài)的輸入，通過安裝在各個(gè)車輪上的輪速傳感器采集不同制動(dòng)減速度下車輪的轉(zhuǎn)速及滑移率并輸入集控邏輯模型。集控邏輯由制動(dòng)能量回收控制邏輯、制動(dòng)防抱死控制邏輯兩部分組成，其根據(jù)邏輯門限控制模型輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)的制動(dòng)能量回收控制指令，通過控制電機(jī)的工作負(fù)荷達(dá)到輸出液壓控制指令的目的，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收與ABS控制。通過ADVISOR中以存在的并聯(lián)混動(dòng)汽車模型，在CYC_1015工況下進(jìn)行仿真分析，并對(duì)比默認(rèn)并聯(lián)混動(dòng)汽車模型相關(guān)指標(biāo) ，如下表所示，樣車模型油耗優(yōu)于默認(rèn)并聯(lián)模型，但排放性差別不大，進(jìn)入ESS的總能力略小。這說明究其制動(dòng)能量回收方面，本文所提控制策略與傳統(tǒng)并聯(lián)控制策略相差不大。其原因是在CYC_1015工況中，對(duì)于軟件默認(rèn)并聯(lián)模型制動(dòng)控制策略， 速度高于43.48km/h的制動(dòng)為112秒，占全部制動(dòng)工況的75%。而對(duì)于邏輯門限值控制策略，制動(dòng)強(qiáng)度在0.1范圍內(nèi)的制動(dòng)為130秒，占全部制動(dòng)工況的87%。ADVISOR軟件默認(rèn)并聯(lián)制動(dòng)控制策略中，當(dāng)車輛速度處于43.48km/h以上時(shí)，電制動(dòng)所占份額高于80%。故基于邏輯門限值控制策略中制動(dòng)能量回收效率要略多一些。

（CYC_1015工況中，制動(dòng)時(shí)間660S，制動(dòng)距離2.59km，空轉(zhuǎn)時(shí)間215S，停止次數(shù)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(jié)束

制動(dòng)能量回收是HEV的關(guān)鍵技術(shù)，在滿足制動(dòng)能量回收前提下，根據(jù)ECE制動(dòng)法規(guī)規(guī)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(duì)策略進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，在保證制動(dòng)時(shí)車輛穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，更多的制動(dòng)能量被系統(tǒng)回收，此控制策略比較適合在城市內(nèi)行使的小型混合動(dòng)力汽車，提高了能量回收利用率，對(duì)節(jié)約減排具有顯著的意義。

參考文獻(xiàn)：

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注：本文系武漢商學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“混合動(dòng)力汽車（HEV）制動(dòng)能量回收與ABS控制策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2014Y005）研究成果之一