雙電機(jī)驅(qū)動電動汽車再生制動控制研究

韓愛國 劉奕驛

摘 要：為提高純電動汽車再生制動過程中的能量回收率，文章以某一前、后雙電機(jī)驅(qū)動的純電動汽車為對象，針對純電動汽車再生制動過程中機(jī)械制動力與電機(jī)制動力的分配進(jìn)行研究，合理的分配前、后軸上機(jī)械制動力與電機(jī)制動力各自的比例，并引入相關(guān)影響因子對電機(jī)制動力進(jìn)行修正，制定了經(jīng)濟(jì)性控制策略，最后用Simulink和Cruise軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。結(jié)果表明，采用經(jīng)濟(jì)性控制策略能夠提高制動能量回收率，且在車速波動更為頻繁的城市工況下更有利于電動汽車回收制動能量。

關(guān)鍵詞：雙電機(jī)驅(qū)動;制動能量回收;影響因子;Simulink

Abstract： To improve the braking energy recovery rate of the pure electric vehicles in the process of regenerative braking， this paper takes a dual motor drive the pure electric vehicles as the object， in view of the pure electric vehicle regenerative braking during the process of mechanical braking force and to study the mechanism of electric power distribution， reasonable distribution of mechanical braking force on the front and rear axle and the mechanism of electric power in proportion to the respective， and introducing relevant impact factors to modify mechanism of electric power， then the optimal economic control strategy is developed， finally using Simulink and Cruise joint simulation software. The results show that the optimal economic control strategy can improve the braking energy recovery， and is more beneficial to the recovery of braking energy in electric vehicles under the urban conditions where the speed fluctuation is more frequent.

前言

隨著石油資源枯竭以及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，節(jié)能優(yōu)勢明顯的電動汽車得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，如何提高電動汽車的續(xù)航里程成為了研究重點。電動車的再生制動技術(shù)能夠回收制動過程中摩擦消耗的部分制動能量，提高整車的能量效率，延長續(xù)駛里程，同時也可以減輕制動器的熱負(fù)荷，提高行駛的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

目前，國內(nèi)對于再生制動控制策略的研究大部分都是基于三種典型的控制策略，郭棟等人[1]以某一后輪驅(qū)動的電動車為研究對象，對簡單并聯(lián)控制策略進(jìn)行了改進(jìn);王超[2]在理想制動力分配控制策略的基礎(chǔ)上，考慮了電機(jī)制動特性，提出了針對插電式四驅(qū)混合動力汽車的制動控制策略。本文主要針對再生制動過程中機(jī)械制動力與電機(jī)制動力的分配進(jìn)行研究，以雙電機(jī)驅(qū)動純電動汽車為研究對象，通過合理的分配前、后軸上機(jī)械制動力與電機(jī)制動力各自的比例，達(dá)到提高能量回收率的目的，并通過仿真分析，驗證了本文提出的控制策略的實用性。

1 純電動汽車制動力分配

本文選擇雙電機(jī)驅(qū)動電動汽車為研究對象，忽略制動過程中空氣阻力和滾動阻力的影響，受力分析如圖1所示。

式中：Fz1和Fz2分別為制動時地面對前輪和后輪的法向反作用力;G為作用在整車上的重力;L為軸距;a和b分別為質(zhì)心到前、后軸的距離;hg為質(zhì)心高度;z為制動強(qiáng)度。

制動過程中，當(dāng)前后輪同時抱死時，可得：

式中：Fxb1和Fxb2分別為前、后輪地面制動力;φ為路面附著系數(shù)。

由式（4）可得到前后軸制動器制動力的理想分配曲線，即I曲線。當(dāng)前后輪制動器制動力按照 I 曲線分配時，無論φ為何值，前后輪總是同時抱死，保證制動穩(wěn)定性和較高的路面附著系數(shù)利用率。

對于本文所研究的純電動汽車，其前后輪制動器的制動力分配比例關(guān)系設(shè)置為固定值β，β即制動力分配系數(shù)，則有：

2 制動力分配策略

2.1 再生制動控制策略的選擇

汽車再生制動控制策略的核心就是制動力的分配問題，在進(jìn)行制動力分配策略的研究時主要集中在以下兩個問題：一是如何分配前后軸的制動力;二是如何分配摩擦制動力和再生制動力。當(dāng)前主要存在三種典型的制動力分配控制策略：理想制動力分配控制策略、最佳制動能量回收控制策略、并聯(lián)再生制動力分配控制策略。研究表明，并聯(lián)控制策略具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低和制動穩(wěn)定性好等特點，便于大范圍推廣使用，雖然其制動能量回收率較低，但可通過對控制策略的優(yōu)化來提高[3]。

本文基于典型制動力分配控制策略，結(jié)合電動汽車的理想制動力分配曲線（I曲線），建立了能量回收率較高的經(jīng)濟(jì)性控制策略，即圖2中的OABCDE線。由于本研究中的電動汽車為雙電機(jī)四輪驅(qū)動，故在此對前后軸的制動力進(jìn)行重新分配，使電機(jī)盡可能多地參與制動[4]，本文提出的經(jīng)濟(jì)性控制策略如圖2所示。

2.2 電機(jī)制動力的修正

在制動過程中，再生制動能夠回收能量的與電機(jī)此時的工作狀態(tài)及電池工作狀態(tài)有關(guān)[6]，此外當(dāng)由小強(qiáng)度制動過渡到大強(qiáng)度制動時，電機(jī)制動力矩需要退出過渡到純液壓制動模式，為防止電機(jī)制動力產(chǎn)生突變影響制動時的平順性，因此引入相關(guān)影響因子，對制動過程中的電機(jī)制動力進(jìn)行修正[7]。

（1）車速影響因子i1。根據(jù)電機(jī)外特性圖，在電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時，電機(jī)能夠提供的轉(zhuǎn)矩很小，此時不進(jìn)行能量回收。設(shè)置車速門限值為Vl、Vh，i1表達(dá)式如下：

（2）SOC影響因子i2。當(dāng)電池SOC高于某一值時，為了保護(hù)電池則不再進(jìn)行充電，設(shè)置SOC門限值SOCh、SOCl，i2表達(dá)式如下：

（3）制動強(qiáng)度影響因子i3。為了保證在制動強(qiáng)度較高時電機(jī)制動力的退出較為平緩，引入制動強(qiáng)度影響因子i3，設(shè)置制動強(qiáng)度門限值zh、zl，i3表達(dá)式如下。

3 控制策略的建模與仿真

為了驗證本文提出的經(jīng)濟(jì)性控制策略，在MATLAB/ Simulink平臺下建立再生制動系統(tǒng)仿真模型，在Cruise軟件里搭建純電動汽車的整車模型，并進(jìn)行聯(lián)合仿真。

本文設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性控制策略模型如圖3所示，電機(jī)制動力修正模塊如圖4所示。在制動過程中，控制策略根據(jù)整車的車速、制動強(qiáng)度以及此時電池的工作狀態(tài)，確定此時需求的總制動力以及前、后電機(jī)制動力及機(jī)械制動力的比例。

4 仿真及結(jié)果分析

循環(huán)工況反映了車輛運(yùn)行的實際狀況，仿真結(jié)果更具有參考價值[8]。NEDC循環(huán)工況的最高車速較高，循環(huán)時間較長，包含了市區(qū)和市郊工況，能夠比較真實地反映車輛運(yùn)行情況[9]。故本文選取新歐洲循環(huán)測試NEDC作為試驗循環(huán)。將動力電池初始SOC值設(shè)置為0.8，在NEDC循環(huán)工況下分別對原車策略、Cruise自帶策略和本文設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性策略進(jìn)行仿真。為了確定本文設(shè)計的控制策略能夠在實際行駛中滿足要求，本文對NEDC工況需求的車速與汽車的實際車速進(jìn)行了對比，車速跟隨情況如圖5所示，此外選擇電池的SOC作為監(jiān)測目標(biāo)，用以驗證所設(shè)計控制策略能量回收的效果，NEDC循環(huán)工況下電池SOC變化結(jié)果如圖6所示。

由圖5可知，加入設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性控制策略后，汽車的當(dāng)前車速與工況需求車速基本吻合，驗證了控制策略的可行性。

由圖6可知，在NEDC循環(huán)下，采用本文設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性策略，電池的SOC整體下降的更為緩慢;在1100s后，采用經(jīng)濟(jì)性策略和Cruise自帶策略的SOC都會小幅上升，這是由于1100s后汽車開始進(jìn)行連續(xù)減速，此時會回收制動過程中的能量，且由圖中可看出，采用經(jīng)濟(jì)性策略的汽車回收的能量最多。

為了更加直觀的反映控制策略對整車?yán)m(xù)駛里程的影響，在NEDC循環(huán)工況下使汽車行駛至電池SOC從0.8減小至0.7，對三種控制策略進(jìn)行仿真驗證，原車策略、Cruise自帶策略和經(jīng)濟(jì)性策略下，整車的續(xù)駛里程如表2所示。

5 結(jié)論

通過對典型的制動力分配策略進(jìn)行分析，提出能量回收率更高的純電動汽車經(jīng)濟(jì)性控制策略。根據(jù)上述經(jīng)濟(jì)性控制策略，利用MATLAB/Simulink搭建模型進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果表明，采用經(jīng)濟(jì)性控制策略，能夠滿足制動安全性和穩(wěn)定性要求，與原車相比，回收的能量顯著增加，續(xù)駛里程可增加10.8%。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭棟，朱文平，孫宇航，等.城市電動公交車制動能量回收控制策略研究[J].汽車工程，2006，38（03）：11-15.

[2] 王超.插電式混合動力汽車制動模式切換協(xié)調(diào)控制策略[D].重慶：重慶大學(xué)，2018.

[3] 李旭健.再生制動與純電動汽車機(jī)電耦合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制[D].北京：清華大學(xué)，2017.

[4] LIAN Yu-feng，TIAN Yan-tao，HU Lei-lei，et al.A new braking force distribution strategy for electric vehicle based on regenerative brak -ing strength continuity[J].Journal of Central South University， 2013， 20（12）：3481-3489.

[5] 姬芬竹，杜發(fā)榮，朱文博.基于制動意圖識別的電動汽車能量經(jīng)濟(jì)性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2016，42（01）：24-30.

[6] 王燕然.分布式驅(qū)動電動汽車復(fù)合制動系統(tǒng)設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2019.

[7] 蘇玉青.汽車制動能量回收系統(tǒng)控制策略研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2017.

[8] 呂奉陽.純電動客車再生制動與氣壓制動協(xié)調(diào)控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009.

[9] 初亮，蔡健偉，富子丞，等.純電動汽車制動能量回收評價與試驗方法研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，42（01）：23-27.

[10] 楊海圣，姬芬竹，楊世春.基于Simulink_Cruise聯(lián)合仿真的制動能量回收系統(tǒng)研究[J].控制工程，2018，25（06）：140-144.