純電動汽車電液復合制動能量回收策略研究

陳 勇　李聰聰　郭立書　魏長銀　邱子楨　李光鑫

文章編號：1007-2373（2022）01-0007-09

摘要 為了進一步提升純電動汽車的能量回收效率，提出一種電液復合制動能量管理策略。為解決低速時電機效率較小且存在轉矩波動的問題，設置制動能量回收車速門限值為20 km/h。比較電機回收力矩最大值與法規規定的界限，取兩者中最大為電機回收力矩。為了驗證能量回收效果，搭建了SIMULINK逆向仿真模型，將該策略與無制動能量回收策略和理想制動能量回收策略在NYCC、CATC、FTP? 3種循環工況下進行對比仿真，采用制動能量回收效率和整車有效能量回收效率2個指標來評價該策略制動能量回收的效果。仿真結果表明在NYCC循環工況下電液復合制動系統的整車有效制動能量回收效率平均提高了21.61%，動力電池SOC值提高了1.85%，增加了電池電量，提高了汽車的續駛里程。

關 鍵 詞 純電動汽車;電液復合;制動能量回收;SIMULINK

中圖分類號 U469.721.3? ? ?文獻標志碼 A

Research on energy recovery strategy of electro-hydraulic composite brake for pure electric vehicles

CHEN Yong LI Congcong GUO Lishu ?WEI Changyin

QIU Zizhen LI Guangxin

（1.Tianjin Key Laboratory of Power Transmission and Safety Technology for New Energy Vehicles， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 2. Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicle Research Institute， Hangzhou， Zhejiang 310052， China）

Abstract To improve the braking energy recovery rate of electric vehicles， an energy recovery strategy is proposed for the electro-hydraulic composite braking system. The brake energy recovery vehicle speed threshold is set low to 20km/h to solve the problem of low motor efficiency and torque fluctuation at low speed. After comparing the maximum value of the motor recovery torque with the limits specified by the regulations， we find that the maximum of the two is the motor recovery torque. In order to validate the performanceof the energy recovery strategy， the SIMULINK reverse simulation model was built. The strategy was compared with the no-braking energy recovery strategy and the ideal braking energy recovery strategy under the three cycle conditions of NYCC， CATC and FTP. The recovery efficiency and the effective energy recovery efficiency of the vehicle are used to evaluate the performanceof the brake energy recovery of the strategy. The simulation results of NYCC cycle condition show that the effective braking energy recovery efficiency of the electro-hydraulic composite brake system is increased by 21.61% on average， and the SOC value of the power battery is increased by 1.85%， which increases the battery power and driving mileage of the vehicle.

Key words pure electric car; electro-hydraulic compound; brake energy recovery; SIMULINK

0 引言

純電動汽車的續駛里程是當前的研究熱點。在傳統的制動系統中，大約三分之一的能量在減速期間被浪費[1]，因此有必要采用有效的方法來重新獲得這種浪費的動能。純電動汽車的制動過程中進行能量回收是增加電動車續駛里程的有效方法[2]。制動能量回收的結構需要將電動車在減速制動過程中把車輛的一部分動能轉化為電能并儲存在儲能裝置中，常用的能量回收系統包括電動、機械和液壓系統[3]，其中，電動再生制動系統在車輛制動過程中進行頻繁的能量轉換，而驅動電池功率密度低，大大縮短蓄電池的壽命，且電池一旦報廢對環境造成不可控的影響[4]。液壓再生制動系統結構能量密度低[5]，比最接近的電氣系統小33%，輕20%，液壓系統因此是再生制動的合理選擇[6]。而電液復合制動系統具有高功率密度和節能效率，已被證明適用于重型車輛[7]，在保證安全駕駛的情況下，既可進行ABS液壓制動、電液復合能量回收制動，又能實現ABS與電液復合能量回收制動和自動輔助制動，確保電動車制動能量回收的最大化[8]，就現階段為最佳選擇。制動能量回收控制策略既是汽車制動性能的保證，又可以提高制動能量回收率，最終提高整車效率。 Ko等[9]把前后軸上的制動力按固定比值進行分配，當汽車進行高強度制動時，摩擦制動線已遠遠高于I曲線，無法保證汽車的穩定性。趙國柱[10]最大限度的使用電機制動，雖然制動能量回收率高，但是實現結構復雜，且技術難度高。Kawabe等[11]充分利用地面附著條件，用于精確檢測前、后軸法向載荷的控制器需要智能化，結構冗余復雜。在保證汽車安全的前提下，電液復合制動能量回收策略對電機制動具有優先使用權，以確保能量回收最大化[12]，其仿真結果表明在日本1015道路循環中，電機回收能量提升了56.1%。

本文針對電液復合制動系統的構型特點根據汽車制動力學分析的理論搭建SIMULINK逆向仿真模型。提出一種帶有車速門限并實現能量回收最大化的制動力分配策略，在3種循環工況（即美國NYCC工況、中國CATC工況、美國FTP工況）下進行制動仿真，采用制動能量回收效率和整車有效能量回收效率兩個指標來評價3種制動能量回收策略的效果。

1 汽車制動系統結構與動力學

1.1 電液復合制動結構

純電動汽車電液復合制動系統結構中液壓制動與能量回收制動并存，其模塊結構示意圖如圖1。

在制動管路上安裝高速閥2，其目的是實現踏板力與制動壓力分離，兩位兩通閥1用于傳統制動模式與電液復合制動模式的相互轉換，閥1只有在閥2出現故障和速度不滿足電液復合制動要求時才會開啟，閥3用于各車輪壓力調節。在各閥以及再生制動控制器的的配合下實現能量回收。該結構的能量傳輸情況如圖2所示。

當汽車啟動后，動力電池驅動電機工作，為汽車提供能量驅動汽車行駛;當汽車需要減速或者駐車時，由摩擦制動與回饋制動組成的制動力起作用，摩擦制動通過前、后輪摩擦制動以摩擦熱形式散發能量，而回饋制動使驅動電機旋轉發電，為動力電池提供能量。

1.2 汽車制動動力學分析

汽車在水平路面上制動時的受力示意圖如圖3所示 [13]。

對圖3中汽車前輪和后輪的接地點分別取力矩，得到地面的法向反力，當前、后輪相對于制動器沒有相對運動時，考慮到汽車制動時遇到路面的不平度具有平穩隨機的特征，求得地面作用于前、后輪的法向反作用力為

式中：FZ1為地面對前輪的法向反作用力（N）;G為汽車重力（N）;a為質心至前輪中心線的距離（m）;m為質心質量（kg）;hg為質心高度（m）。

1.3 理想制動力分配曲線

在附著系數[?]為任何數的路面上，前、后車輪同時相對于制動器沒有相對運動的條件為：附著力等于前、后車輪制動器制動力之和，且附著力等于各自前、后輪制動器制動力[13]，并聯立式（1）得

根據式（2）得到的曲線，稱I曲線。I曲線和汽車的結構有關系，并且汽車質心位置不同，畫出的I曲線也不相同。

由式（2）可以看出，當汽車制動時，若增加前車輪的載荷，則后車輪的載荷減小，結合I曲線可知，在汽車制動過程中，前輪的制動力增大，后輪制動力減小，因此大多數汽車采用前輪進行制動能量回收。

1.4 前、后輪抱死曲線

在汽車制動過程中，若某一車輪的制動力大于地面提供的制動力，則車輪將抱死，并在地面上拖滑。不但會使汽車失去轉向能力、使汽車的穩定性降低，還會加大輪胎的磨損，從而降低輪胎的使用壽命。當前輪相對于制動器沒有相對運動時，有如下關系：

式中：[Fbf]為此刻前輪制動力（N）;[?]為路面附著系數，根據[?]值的不同，可畫出不同的曲線，得到f線組，同理可得到后輪相對于制動器沒有相對運動時的r線組。

1.5 《ECE制動法規》

為了保證汽車制動時的穩定性和足夠的制動效率，聯合國制定了《ECE R13制動法規》，其對象是雙軸汽車，目的是對汽車的前、后輪制動器制動力提出要求。對于附著系數在0.2～0.8之間的車輛要求其制動強度z ≥ 0.1+0.85（[?]-0.2），車輛在各種裝載狀態時，前軸利用附著曲線應在后軸利用附著曲線之上[13]。根據上述要求可得到ECE法規曲線，

2 整車制動能量回收模型

2.1 整車動力學模型

汽車在水平道路上行駛時，受到滾動阻力、空氣阻力以及加速阻力的影響，汽車的行駛阻力為

式中：f為滾動阻力系數;[CD]為空氣阻力系數;A為迎風面積，即汽車行駛方向的投影面積（m2）;u為汽車的行駛速度（m/s）;δ為汽車旋轉質量換算系數。

2.2 電機模型

驅動電機是純電動車里最重要的部分，也是制動能量回收最重要的部分之一[14]，當處于再生制動時，電動機相當于發電機，電機的發電能量為

式中：[TN]為電機的額定轉矩（N·m）;[PN]為電機的額定功率（kw）;[nN]為電機的額定轉速（r/min），[n]為電機的轉速，由當前車速計算出;[ω]為電機的角速度（rad/s）;[ηm]為電機的發電效率。

3 最大化制動能量回收策略設計

電機在不同材質、制造工藝以及結構等方面都會存在差異，這些差異導致單位電流在不同的轉子位置角處產生的轉矩也不盡相同[15]。轉矩波動主要由高頻電壓諧波形成，其頻率特征與其相同。電機工作運轉時，電機控制器中的某些參數會發生變化，那么電流將不再同電壓保持相同的正弦波形，此時電機會產生大量高頻諧波。在一個電機控制器周期內，電機產生高頻諧波的計算公式如下：

式中：[uerr]為逆變器輸入與輸出電壓的差值即偏差電壓;Δu為逆變器電流的平均誤差電壓。

這些高頻諧波通過介質傳至整輛汽車中，汽車會產生不同程度的脈動，低速時高頻諧波的頻率更接近于驅動電機的固有頻率，脈動會更加明顯，因此設定一個閾值來改善整體效率與轉矩脈動的狀況，設定閾值為20 km/h，消除整車低速抖動的情況。

3.1 制動力分配

電動車的總制動力被分配到前、后輪上，并且前、后輪制動力的分配點應在I曲線、F線、x軸和ECE法規線圍成的封閉區域內如圖5中ABCD所示，把無限空間中有限的個體映射到有限的空間中去，對封閉區域離散化，有效降低了時間復雜度，提高了工作效率。擬定Z線為汽車制動時的一條變動線，在這條變動線上對前后制動力進行分配，每有一個制動強度，都會有一個m點與之對應，同時會讀取一個前輪制動力和后輪制動力，當m點在x軸、ECE法規線和f線上時，前軸具有最大的制動力。根據以上的分析，以某款前驅型電動車為例，敘述基于電液復合制動的能量回收策略。

1）當m點位于I曲線的下方時，前輪制動力均由再生制動力提供，即

式中：[Fe]為電機的實際再生制動力;[Fm]為前輪的液壓制動力。

2）當m點位于I曲線的上方時，前輪的制動力由再生制動與液壓制動共同提供。即

3）當電動車處于緊急制動時，為了保證駕駛安全，僅進行液壓制動，不再進行制動能量回收。

針對以上各種情形，后輪的液壓制動力應由各分配點確定。

3.2 能量回收策略的實現

根據電液復合制動能量回收策略搭建SIMULINK模型，圖6是SIMULINK模型流程圖。

4 仿真分析

整車制動能量回收模型主要由整車模塊、車輪及減速器模塊、傳動系模塊、電機模塊、制動能量回收模塊、電池模塊構成，如圖7所示。電動汽車通過某一汽車循環工況獲得速度，該速度信號會迅速傳到車輪以及減速器模塊。車輪及減速器模塊對這一信號做出反應，然后將此信號通過傳動系模塊傳到電機模塊。電機模塊需對當時處于發電狀態及電動狀態做出判斷，若電機處于發電狀態，將電機狀態的信號傳遞到制動能量回收系統模塊中。動力電池對制動能量回收系統模塊做出反應，則需要回收能量，即將電能轉化為化學能并儲存在動力電池中。若電機處于發電狀態，將電機狀態的信號傳遞到制動能量回收系統模塊中。動力電池對制動能量回收系統模塊做出反應，則需要釋放能量，即將動力電池中的化學能轉化為電能，使電機驅動傳動系模塊，為車輪以減速器模塊和整車提高電能，最終保證汽車的正常行駛。其中具體仿真參數如表1所示。

4.1 不同制動能量回收策略的對比

采用制動能量回收率和整車有效能量回收率這2個評價指標作為電液復合制動能量回收策略的判斷標準。儲能裝置回收的能量與整車制動消耗能量之比為制動能量回收率，儲能裝置回收的能量與整車驅動消耗的能量和整車制動消耗量的和之比為整車有效回收率[16]。

根據表2可以得到，在NYCC工況下，汽車在電液復合制動能量回收控制策略下整車制動能量回收率和有效能量回收率最高，理想制動能量回收策略次之，無制動回收策略沒有能量回收;其中電液復合制動能量回收控制策略較理想制動能量回收策略的整車制動能量回收率和有效能量回收率分別提高18.53%、9.15%，而所提策略較無制動回收策略的整車制動能量回收率和有效能量回收率分別提高43.76%、21.61% 。說明本文所提的策略具有優異的能量回收效果。

下面是本文所搭建的SIMULINK模型與原有ADVISOR模型結果對比，在誤差允許范圍內認為所得結果一致，如表3。

4.2 不同循環工況的能量回收策略對比

為了研究電動車在電液復合制動能量回收策略，工況下的制動能量回收狀況，對3種循環工況進行制動仿真，仿真結果如圖8～圖16所示。

NYCC工況的時間與車速的曲線如圖8所示，該工況循環時間為600 s，最大速度為44.58 km/h，圖9是該工況的制動強度曲線，從圖中可以得出電動車的制動強度波動大，該工況的制動強度大多在0.05附近，且Z≤0.27，NYCC工況下的再生制動功率曲線如圖10所示，此工況的再生制動功率回收時刻稀少，但再生制動功率較大，最大的再生制動功率Preg-max=17.19 kW。

CATC工況的時間與車速的曲線如圖11，該工況循環時間為1 800 s，最大速度為114 km/h，圖12為該工況的制動強度曲線，從圖中可以得出電動車的制動強度波動較小，該工況的制動強度大多在0.025和0.07附近，且Z≤0.20，CATC工況下的再生制動功率曲線如圖13所示，此工況的再生制動功率回收時刻較多，且再生制動功率也較大，最大的再生制動功率Preg-max=32.27 kW。

FTP工況的時間與車速的曲線如圖14，該工況循環時間為2 500 s，分別為冷啟動階段、暫態階段和熱啟動階段，最大速度為91.25 km/h，圖15是該工況的制動強度曲線，該工況的制動強度多在0.02和0.15附近，且Z<0.16，FTP工況下的再生制動功率曲線如圖16所示，再生制動時間點多，回收功率大，最大的再生制動功率Preg-max=21.25 kW。下圖是3種循環工況下電液復合制動能量回收策略的制動能量回收情況。

圖17中NYCC、CATC、FTP分別是3種循環工況下電液復合制動能量回收策略的Ereg變化曲線，結合各工況的制動強度曲線即可得出：在NYCC工況下，其循環耗時600 s，在制動強度越大的時間點處，能量回收曲線越陡，循環結束能量回收停止，即儲能越多且能量回收為[EN=314.69]kJ;在CATC工況下，其循環運行時間為1 800 s，能量回收曲線在500 s后較陡，即能量回收為[EC=1 508.48]kJ;在FTP工況下，每個時間點回收的能量相差甚微，整個能量回收曲線陡峭程度較平緩，在1 400～2 000 s之間為汽車的熱啟動階段，因此能量回收關閉，最終回收的能量為[EF=1 943.66]kJ。

電液復合制動控制策略在3種循環工況下的制動能量回收率情況，見表4。

在電液復合制動能量回收策略下，汽車在NYCC、CATC和FTP工況下的制動能量回收率依次增大，整車有效能量回收率也是如此。通過觀察對比這3種工況的速度曲線和制動強度曲線，其制動愈頻繁且制動強度均值愈大則制動能量回收率和整車有效能量回收率越高。

4.3 電池SOC值

電池管理系統的關鍵參數——電池的荷電狀態（SOC），用來監測、評估電池壽命和健康狀態[17]。有研究顯示，通過能量再生制動回收可使續駛里程提高10%～30%[18]。SOC值與汽車的行駛里程息息相關，圖18是3種制動能量回收控制策略下的電池SOC變化曲線。

圖18中SOC1、SOC2、SOC3分別是無制動能量回收控制策略、理想制動能量回收控制策略、基于電液復合制動能量回收控制策略的SOC變化曲線，同一時刻，從SOC1到SOC3的值逐漸增大，同一SOC值，SOC3可以運行時間更長，從而增加了汽車的運行里程。在運行一次NYCC循環工況，SOC2的最小值比SOC1提高了1.13%，SOC3比SOC1提高了1.85%。

5 結論

本文針對電動汽車續駛里程低與低速時制動能量回收導致脈動的問題，提出一種改進制動能量回收策略，并在多種工況下與無制動能量回收策略和理想制動能量回收策略對比得出如下結論：

1）本文所提策略適用于具有頻繁制動且制動強度均值較大特征的工況，可實現更大的能量回收。

2）在NYCC工況下，所提策略能量回收較無無制動能量回收策提高43.76%的能量回收率，其中整車有效制動能量回收率提高21.61%，比理想制動能量回收策略提高僅18.53%， 而整車有效能量回收效率僅提高9.15%。

3）循環工況中制動愈頻繁且制動強度均值愈大則制動能量回收率和整車有效能量回收率越高。

參考文獻：

[1]? ? ZHANG J Z，LV C，GOU J F，et al. Cooperative control of regenerative braking and hydraulic braking of an electrified passenger car[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering，2012，226（10）：1289-1302.

[2]? ? XU G Q，LI W M，XU K，et al. An intelligent regenerative braking strategy for electric vehicles[J]. Energies，2011，4（9）：1461-1477.

[3]? ? HO T H，AHN K K. Design and control of a closed-loop hydraulic energy-regenerative system[J]. Automation in Construction，2012，22：444-458.

[4]? ? XU G Q，XU K，ZHENG C H，et al. Fully electrified regenerative braking control for deep energy recovery and maintaining safety of electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65（3）：1186-1198.

[5]? ? 劉煦. 純電動汽車再生制動控制策略研究[D]. 成都：電子科技大學，2015.

[6]? ? MIDGLEY W J，CEBON D. Comparison of regenerative braking technologies for heavy goods vehicles in urban environments[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering，2012，226（7）：957-970.

[7]? ? MILANéS V，GONZáLEZ C，NARANJO J E，et al. Electro-hydraulic braking system for autonomous vehicles[J]. International Journal of Automotive Technology，2010，11（1）：89-95.

[8]? ? 郭恬，郭立書. 一種具有能量回饋的電動汽車制動系統：CN106143163A[P]. 2016-11-23.

[9]? ? KO J W，KO S Y，KIM I S，et al. Co-operative control for regenerative braking and friction braking to increase energy recovery without wheel lock[J]. International Journal of Automotive Technology，2014，15（2）：253-262.

[10]? 趙國柱. 電動汽車再生制動穩定性研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2006.

[11]? KAWABE T. Model predictive pid traction control systems for electric vehicles[C]//IEEE International Conference on Control Applications. IEEE，2012：112-117.

[12]? 郭金剛，王軍平，曹秉剛. 電動車最大化能量回收制動力分配策略研究[J]. 西安交通大學學報，2008，42（5）：607-611.

[13]? 余志生. 汽車理論[M]. 5版. 北京：機械工業出版社，2009.

[14]? 王猛，孫澤昌，卓桂榮，等. 電動汽車制動能量回收最大化影響因素分析[J]. 同濟大學學報（自然科學版），2012，40（4）：583-588.

[15]? 高寬，馬鈞華. 低速下電機轉矩脈動抑制的算法研究[J]. 電氣傳動，2015，45（9）：15-19.

[16]? GANTT L R，PERKINS D E，ALLEY R J，et al. Regenerative brake energy analysis for the VT REX，plug-in hybrid electric vehicle[C]// Vehicle Power and Propulsion Conference. IEEE，2011：1-6.

[17]? 任永昌. 基于SK-PSO-RBF的純電動汽車動力電池SOC及剩余里程的預測研究[D]. 贛州：江西理工大學，2018.

[18]? 周豪. 純電動汽車動力系統參數匹配及制動能量回收控制策略研究[D]. 重慶：重慶理工大學，2018.

收稿日期：2019-04-04

基金項目：國家重點研發計劃（2018YFB0106403）

第一作者：陳勇（1954—），男，教授，博士生導師。通信作者：魏長銀（1993—），男，博士研究生，weiag2@163.com。