HEV制動能量回收策略研究

李博溪，譚立真

Li Boxi，Tan Lizhen

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）具有節能、環保等方面的優勢，主要體現在制動能量的回收與利用。制動能量回收就是將汽車制動時的動能（下坡時為動能和勢能）轉化為其他形式的能量[1]儲存起來再利用。研究表明，城市路況下汽車由于頻繁啟動、制動，消耗大約 50%的牽引能量[2-3]，而有效的制動能量回收策略可將汽車行駛里程延長10%～30%[4]。

文獻[5]針對前輪驅動型電動汽車，提出了一種前、后輪制動力分配控制策略；文獻[6]針對具有雙軸雙電機四驅結構的電動汽車，設計了一種基于 I曲線的制動力分配策略。這些控制策略可實現一定的能量回收，但具有一定的局限性，對于客車或貨車，在空載制動過程中踏板力逐漸加大時，會出現前輪沒有抱死而后輪先抱死的不安全情況。

傳統汽車前、后輪制動力分配按滿載情況分配。通過載荷狀態識別，合理分配制動力，汽車在輕載或中載時比滿載可以分配更多的電機制動力，進而回收更多的制動能量，同時也提高了制動穩定性。文獻[7]詳盡描述了汽車載荷狀態識別的基本思想。文中根據汽車驅動力、加速度以及車速估算汽車當前質量，提出了基于載荷狀態識別的HEV（公交車）并聯式制動能量回收策略。

1 載荷狀態識別

載荷狀態識別的基本思想：在汽車起步加速時，依據汽車車輪驅動力、加速度以及車速估算汽車當前質量。整車加速度和車速由車載傳感器采集獲得。車輪處的驅動力根據主電機轉矩TPM、ISG電機轉矩TISG、發動機轉矩Te和離合器狀態Sc計算得到，如式（1）。

式中，i0為主減速器傳動比，η為傳動效率，r為車輪半徑，J1為發動機和ISG電機的轉動慣量，J2為主電機轉動慣量，J3為車輪轉動慣量，we為發動機角速度，wPM為主電機角速度，wwh為車輪角速度。

由汽車理論[8]知識可知汽車在t時刻的行駛方程式如式（2）。

在汽車驅動力、車速、加速度已知的條件下，式（2）存在2個未知量，即m和α，求該未知量，僅需 2個方程，即可利用 t-1、t-2 時刻的方程來求解，具體如式（3）、式（4）所示。

為了保證整車質量估算值在合理范圍內，對識別結果m進行判斷，如果不在合理范圍內，則采用上一次識別的結果。文中整車質量估計的精度要求不是很高，所需要的載荷信息只需輕載、中載和滿載3種狀態。當m1≤m≤m2時，判斷為輕載；當m2≤m≤m3時，判斷為中載；當m3≤m≤m4時，判斷為滿載。

2 制動能量回收策略

在制定制動能量回收策略時，需要考慮各種約束條件。當SOC（State of Charge，電池荷電狀態）值過高或車速低于 10km/h時不進行能量回收，同時制動力分配需滿足 ECE（Economic Commission of Europe，歐洲經濟委員會）制動法規的要求。

在滿足約束條件時，制定的策略為：針對并聯式前驅HEV，首先對前、后輪制動力進行分配，在保證制動穩定性的前提下，盡可能多地把制動力分配在前輪；再對前輪電機制動力與機械制動力進行分配，在滿足電機轉矩特性的前提下，盡可能多地把制動力分配給電機制動力。

2.1 前、后輪制動力分配

針對汽車不同的載荷狀態，基于I曲線合理分配前、后輪制動力，并保證將總制動力盡可能多地分配給前輪；同時，由于電機所能發出的制動轉矩有限，只能盡可能多地把前輪制動力分配給電機制動力，其他的制動力由機械制動力提供。

理想前、后輪制動力分配關系如式（5）所示。

式中，Fu1為前輪制動力，Fu2為后輪制動力，m為整車質量，hg為汽車質心高度，b為汽車質心至后軸中心線的距離，L為軸距。

在實際中汽車前后制動力按一固定比值分配，常用前制動力與汽車總制動力的比值表示，符號為β，如式（6）所示。

則可得式（7）。

當汽車載荷狀態識別為滿載時，前、后輪制動力分別按照比例系數β分配；當汽車載荷狀態識別為中載、輕載時，前、后輪制動力分別按照比例系數β1、β2分配，如圖1所示。

2.2 電機制動力分配

制定制動力分配策略，目的是在保證汽車制動穩定性的前提下，盡可能地提高電機制動力的比例。

所研究車型為并聯式前驅混合動力汽車，電機制動力施加在前軸處，電機制動力和機械制動力之間以固定比分配，引入電機制動力分配系數βreg。

式中，Freg為前軸電機制動力，Fbff為前軸機械制動力。

汽車的總制動力為

式中，Fb為整車的總制動力，Fu2為后軸的機械制動力。

3 仿真結果與分析

選擇中國典型城市公交循環路況作為仿真工況，如圖 2所示。中國典型城市公交循環路況是由中國汽車技術研究中心制定的城市公交車運行工況，具有典型性。根據提出的制動能量回收策略，基于載荷狀態識別，同時考慮電池 SOC、車速及ECE法規的要求，以某型并聯式混合動力電動公交車為例，在Matlab/Simulink中建立相應的仿真模型。

以中國典型城市公交循環為循環工況，設計整車質量變化規律如下：初始時刻整車和駕駛員質量為11600 kg，在115s 時整車質量變為13000 kg，在300 s時整車質量變為14500 kg，在400 s時整車質量變為 15500 kg，在560 s時整車質量變為18000 kg，在750 s時整車質量變為16500 kg，在920 s時整車質量變為15000 kg。當11500 kg≤m≤14000 kg時，判斷為輕載；當14000 kg≤m≤16000 kg 時，判斷為中載；當16000 kg≤m≤20000 kg時判斷為重載。載荷狀態識別仿真結果如圖3所示。

從圖 3仿真結果中可以看出：識別得到的載荷狀態可以反映整車質量的變化，載荷識別結果分為 3個階層，分別為輕載、中載及重載，載荷識別效果良好。同時看到：載荷狀態識別產生延遲，這是由于起步時刻與識別時刻具有時間差，但是該延遲不會影響控制策略。

分別按照無制動能量回收策略、無載荷狀態識別的制動能量回收策略和有載荷狀態識別的制動能量回收策略進行仿真，仿真結果如圖 4所示。

從圖4的仿真結果中可以看出：在中國典型城市公交循環工況下，有載荷狀態識別的制動能量回收策略電池SOC的值>無載荷狀態識別的制動能量回收策略電池SOC的值>無制動能量回收策略電池SOC的值，進而也可以看出有載荷狀態識別的制動能量回收策略所回收的能量更多。

有載荷狀態識別的制動能量回收策略、無載荷狀態識別的制動能量回收策略的制動能量回收率見表1。從表1中可以看出，有載荷狀態識別的制動能量回收策略其制動能量回收率更高，為35.6%，提高了9.6%，從而驗證了文中制動控制策略的正確性與優越性。

表1 制動能量回收率

4 結 論

針對并聯式前驅HEV的制動能量回收控制系統，基于載荷狀態識別，合理分配車輪前、后制動力及前輪電制動力、機械制動力，制定了制動能量回收控制策略。在此基礎上建立了制動能量系統的仿真模型，并在Matlab/Simulink中進行了仿真分析。通過仿真分析，驗證了制動力分配策略的可行性，且在該策略下車輛具有較高的能量回收率。

[1]何仁.汽車制動能量再生方法的探討[J].江蘇大學學報（自然科學版），2003，24（6）：1-4.

[2]GAO Yinmin，CHEN Liping，EHSANI M.Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV[J].SAE International SP-1466.1999-01-2910.

[3]EHSANI M，GAO Yinmin，BUTLER K L.Application of electrically peaking hybrid（ELPH）propulsion system to a full size passenger car with simulated design verification [J].IEEE Transaction on Vehicular Technology，1999，48（6）：1779-1881.

[4]J Lee.Rotating Inertia Impact on Propulsion and Regenerative Braking for Electric Motor Driven Vehicles［D］.Blacksburg：Mechanical Engineering of Virginia Polytechnic Institute and State University，2007.

[5]翟志強，趙國柱，朱思洪.電動汽車再生制動控制策略研究[J].計算機仿真，2013，30（11）：160-163.

[6]孫大許，蘭鳳崇，陳吉清.基于I 曲線制動力分配的四驅純電動汽車制動能量回收策略的研究[J].汽車工程，2013，12（35）：1057-1061.

[7]羅國鵬.基于道路工況和載荷狀態識別的混合動力客車控制策略[D].北京：清華大學，2011.

[8]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.