混合動力汽車再生制動系統控制策略的建模仿真分析

麥明珠

摘 要：文章主要對混合動力汽車在驅動循環下的實際工作特點進行了分析，并以傳統汽車制動理論為基礎，探究了制動安全性和高效制動能量回收情況。提出了較為有效的混合動力汽車再生制動系統控制策略。同時對混合動力汽車進行了系統建模以及程式驅動仿真實驗，結果表示目前符合制動汽車的分配策略能夠更好地符合車輛動力要求，提升能量使用效率。

關鍵詞：混合動力汽車 建模 仿真

1 引言

混合動力汽車中采用了不同的動力裝置，其中主要有內燃機和電機，在實際運行過程中可以通過對內燃機和電機儲能裝置的有效時間控制和能量分配提升能量使用效率。其主要特點在于當車輛減速和制動時，車輛的動能通過電動機發電的形式實現制動性能，在電能儲存的過程中實現能量回收，既實現車輛的制動和減速，又有效降低整車的耗能，降低燃油消耗。

2 混合動力汽車再生制動系統分析

在混合動力汽車中不但有液壓制動系統，同時也包含再生制動系統，再生制動系統在實際工作過程中會依靠驅動電機發電來運行，可以將制動過程中汽車動能勢能轉化為電能，在電池中儲存。大部分情況下再生制動系統與液壓制動系統都處于運行狀態，一同向汽車提供動能，因而混合動力汽車制動系統屬于復合制動系統，需要對其進行一定的系統控制。在混合動力汽車中運用制動技術時還需要控制其保持最佳制動能量回收效率。另外，為了提升混合動力汽車制動系統的可靠性，液壓制動系統和再生制動系統可以獨立工作，避免互相影響，此時一旦再生制動系統存在內部故障，可通過液壓制動系統單獨完成制動需求。

3 再生制動系統的結構組成及運行機理

車輛內部制動系統主要分為制動控制器、再生制動控制器和液壓控制器。汽車在實際制動中，內部制動踏板單元傳感器檢測踏板行程會將其轉化為電子信號，并將其傳輸給車輛內部制動器，進而結合設定好的制動力分配進行控制計算，得出前輪、后輪制動力，并將相關信號分別傳遞給再生制動控制器與液壓制動控制器。

再生制動控制器通過和電機控制器合并能夠更好地調節再生制動系統內部所需要的制動力;而液壓制動控制器則可以通過調整電磁比例閥的情況調節前后輪制動液，對前后輪制動液制動力進行調節。同時，混合動力汽車內部系統在實際運行中可通過傳感器實時反饋系統內部的不同零件參數，并結合實際制動需求調整制動系統工作狀態;其優勢主要在于能夠實現再生制動，即在車輛進行降速或制動時能夠確保車輛的性能，同時通過車輛動能帶動發電機發電，使其轉化為電能儲存于電池中，從而更好地回收能量。

4 再生制動系統控制策略

4.1 仿真模型建立及模型原理

文章以某輕度混合動力轎車為研究對象，并結合車輛的不同行駛情況和路面抓地條件，通過Advisor軟件進行了車輛制動力學仿真模型建立，在仿真模型中涵蓋了蓄能器再生能量、馬達損耗、變量泵、變速機構損耗、空氣阻力損耗以及滾動阻力損耗等相關仿真模型數據，具體參數如表1所示：

在仿真模型實驗中，提出了較為實用的車輛制動能量回收策略，從而實現了混合動力汽車的建模與仿真，使車輛能源消耗得到有效證實，為混合動力再生系統的開發提供了參考依據[1]。整車仿真模型圖如圖1：

4.2 仿真結果分析

本次實驗主要以輕度混合動力汽車為基礎，汽車啟動發電一體機和直流機與發動機輪直接相連，汽車電機在實際工作過程中可以結合汽車的行駛條件進行工作模式的隨意變換。混合動力汽車制動過程中減速不但可以進行摩擦制動，還可以進行電機再生制動，在產生制動感應時液壓制動系統和電機都會參與到制動過程中進行協調制動[2]。

下面以30km/h初始車速為例，針對其小強度制動及中等強度制動工況的仿真結果進行分析（路面附著系數為0.7）：

（1）小強度制動情況下仿真結果如圖2、圖3，其制動模式為輕度制動（a<1m/s2）時，參數仿真曲線如下：

通過該仿真結果能夠看到，在車輪滑移率相對較小的時候并沒有出現車輪抱死情況。在此作用下，電機制動力矩和液壓制動力矩可以在控制策略作用下進行協調工作，能夠滿足穩定制動的需求。在整個制動中，電機作為施加力矩的主要動力來源，而液壓制動力矩則起到輔助制動作用，當車速達到最低穩定車速后，由于電機不再持續回收制動能量，也就停止了制動力的施加，停車制動力矩轉而由液壓制動系統提供。在這一過程中，回收能量約為22513J。

（2）中等強度制動情況下仿真結果如圖4、圖5，其制動模式為中等強度制動（1m/s2

通過仿真圖像可以看到，在車輪滑移率相對較小的情況下，同樣未出現車輪抱死，此時仍在電機制動力矩以及液壓制動力矩控制策略下進行協調工作，能夠實現制動穩定性要求。在最初制動階段，制動力矩的施加主要由電機提供，但相比小強度制動其回收的能量要少一些。產生這一結果主要是因為在高轉速下電機能夠提供的制動轉矩比較有限，因而難以滿足駕駛員的制動需求，此時就要求液壓制動力矩參加制動過程，從而導致回收能量降低。

綜合以上情況，想要進一步提升汽車制動能量回收效率，符合汽車這個安全性需求，就需要對車輛制動能量進行有效分配，也就是對車輛制動力進行相應的分配，調節汽車的再生制動，摩擦制動控制協調性。若不考慮滾動阻力，空氣阻力和坡道阻力的影響，汽車的減速主要是由制動力F1、F2提供，則：

F1+F2=m du/dt （1）

式中，F1為前輪產生的制動力;F2為后輪產生的制動力;m 為汽車整備質量;du/dt為汽車減速度。在汽車制動過程中，前后輪所受法向反力為：

FZ1=（G+m du/dthg）/L （2）

FZ2=（G-m du/dt*hg）/L （3）

式中，FZ1、FZ2分別為地面對前輪、后輪的法向反作用力，G為汽車所受重力。在仿真建模實驗中，混合動力汽車各工況下制動消耗能量與總能量的對比關系如表2所示：

在對程式內部驅動循環分析后可以得出，滿足汽車制動安全性的基礎上可以重新調節汽車前后輪驅動力，而汽車主要是在較小的制動強度下進行減速，在不同程式驅動循環下其制動強度也各不相同。車輛使用的啟動發電一體機最大制動扭矩為45N每米，結合發動機制動的影響可以得知，不同檔位下汽車內部電機的最大轉距會隨著車速變化而變化，程式內部驅動循環下車速會普遍較低，在絕大部分情況下汽車會處于較低檔位運行時這使其制動強度也會逐漸下降，所以混合動力汽車內部制動力的分配需要盡可能地利用電機制動力來促使能量大范圍回收，在不同制動強度下，動力分配可以按照制動強度進行[3]。

5 結語

綜上所述，對混合動力汽車進行再生制動系統的建模與仿真結果表示在混合動力汽車內部的驅動循環下可以使用合理的再生控制策略，從而使車輛在運行過程中制動力得到有效分配，不但能夠提升制動安全性，同時也能夠提升車輛的能源回收率，具有較好的使用價值。

基金項目：廣東省普通高校青年創新人才類項目（2019GKQNCX93）。

參考文獻：

[1]張丹，李治國，陳標.串聯式混合動力汽車能量控制策略研究與仿真分析[J]. 時代汽車，2019，000（010）：46-47.

[2]馮帆，黃赟熹，劉優.基于Cruise和Simulink的某48V輕度混動車輛仿真分析[J].汽車實用技術，2019，288（09）：15-18.

[3]方桂花，曾標，胡賢東，等.混合動力礦用車再生制動能量回收系統控制策略[J].機床與液壓，2020，48（1）：135-140.

[4]王哲.并聯式混合動力汽車再生制動研究[J].科技與創新，2019（4）：86-87+89.