串聯再生制動策略下考慮力矩分配的電動汽車聯合仿真分析

【摘 要】以某新能源電動汽車為原型，對車輛進行解析后，使用Cruise搭建車輛模型，并基于MATLAB/Simulink平臺搭建考慮前后軸制動力矩分配的串聯再生制動控制策略，通過C++編譯器編譯成dll文件進行聯合仿真，分析模型車輛在NEDC工況的運行結果。結果表明，在NEDC工況下運行，車輛運行穩定，制動效果和再生制動能量回收情況良好，可為車輛再生制動優化提供參考和借鑒。

【關鍵詞】串聯再生制動;電動汽車;Cruise;Simulink;仿真

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0005-03

Modeling and Simulation Analysis of Electric Vehicles Considering

Torque Distribution Under Series Regenerative Braking Strategy*

【Abstract】Taking a new energy electric vehicle as the prototype，after analyzing the vehicle，Cruise was used to build the vehicle model，and a series regenerative braking control strategy considering the braking torque distribution of the front and rear axes was built based on the MATLAB/Simulink platform，which was compiled into dll files by C++ compiler for co-simulation. The operation results of model vehicle in NEDC condition were analyzed. The results show that the vehicle runs stably under NEDC conditions，and the braking effect and regenerative braking energy recovery are good，which can provide reference for vehicle regenerative braking optimization.

【Key words】series regenerative braking;electric vehicles;Cruise;Simulink;simulation

0 引言

為了減輕環境污染和能源短缺，中國積極推進電動汽車技術發展[1]。電動汽車驅動電機不僅能作為驅動裝置為車輛行駛提供驅動力，在車輛需要減速時，還能夠作為發電機為電池反向充電，由此可提升電動汽車能量利用效率，增加續航里程[2]。目前，通過仿真試驗可以降低研發成本，幫助優化汽車的性能，提升車輛設計可靠性，為整車生產制造提供試驗依據。Cruise功能強大，是汽車制造領域應用廣泛的仿真工具，提供了MATLAB/Simulink接口模塊，使工程師能夠方便地開發復雜的控制算法。Simulink被廣泛應用于汽車控制系統的開發和驗證。工程師可以通過圖形化建模的方式，快速構建復雜的控制系統模型進行仿真分析和優化。

電動汽車制動時，前后軸制動力分配是非常重要的設計因素。本文通過Cruise-Simulink搭建了聯合仿真平臺，構建了車輛等效模型，與考慮車輛前后軸力矩分配的串聯形式再生制動控制策略進行聯合仿真，并驗證車輛控制策略模型的可靠性，能夠為優化再生制動控制策略，提升電動汽車能量效率提供試驗依據。

1 建模過程與方法

1.1 電動汽車模型搭建

通過查閱原型車輛手冊、試驗、測量得到車輛的數據，在Crusie中搭建車輛的等效模型，如圖1所示。在不考慮能量回收時，經濟性能表現為：在NEDC工況下，車輛總能耗49.838kW·h，可行駛309.971km，電動燃油經濟性為6.2196km/（kW·h）;動力性能表現為：全負荷加速，模型車輛0—100km/h加速時間為7.38s;制動性能表現為：模型車速100km/h時，施加制動力100N，車輛制動距離32.32m。模型車輛結構合理，動力性、經濟性和制動性能均能滿足要求。

1.2 再生制動控制策略搭建

將Criuse中的信號作為輸入，在Simulink計算后輸出，控制策略模型如圖2所示，接口信息見表1、表2。通過試驗分析，原型車輛采用串聯式再生制動控制策略。在這種控制模式下，當車輛開始制動時，制動力較小，電機的再生制動力會提供整車制動力。隨著制動踏板的開度增加，電機的制動力也會隨著增加，直到達到電機最大輸出轉矩。達到最大輸出轉矩后，電機提供的制動力不再改變。此時，機械制動系統會介入，并繼續提供制動力，并隨著制動踏板的行程增加而相應增加。這種控制策略優先利用電機制動，可以最大程度地提高電制動能量回收效率[3]。因此，本文設計制動踏板開度在≤0.2時，完全由電機進行電制動;制動踏板開度>0.2時，由電制動和機械制動進行復合制動。控制邏輯如圖3所示[4]。

1.3 前后軸制動力矩分配

通過合理分配前后軸制動力，可以保持電動汽車在制動時的穩定性和平順性。通過控制前后軸制動力的分配比例，可以避免車輛在制動時出現側滑或甩尾等情況。原型車輛是前驅車輛，根據電動汽車的特性進行設計和調整，以確保最佳的經濟性和制動性能。

本文考慮了車輛前后軸機械制動扭力分配。圖4是制動過程中車輛的受力圖，已忽略了滾動阻力和空氣阻力，且不考慮車輪邊滾邊滑情況，對后輪和前輪接地點分別取力矩得[5]：

FZ1=FZ10+Z×G×Hg / L

FZ2=FZ20+Z×G×Hg / L

式中：FZ1、FZ2——前后軸動軸荷;G——汽車重力;Z——制動強度;L——軸距;Hg——質心高度;FZ10、FZ20——前后軸軸荷。

由力的平衡條件得：

Fzb1+Fzb2=G×Z

式中：Fzb1、Fzb2——地面作用于前后輪的制動力;a——質心至前軸中心線的距離。

設前后輪與地面附著系數為φ1、φ2得到：

Fzb1=φ1×FZ1，Fzb2=φ2×FZ2

將前軸軸荷與后軸軸荷之比定義為理想制動力比β：

將車輛參數代入上式可得到模型車輛前軸、后軸制動力矩約為0.65和0.35，即在不考慮電機制動時，機械制動的前后軸制動力力矩按照0.65、0.35進行分配，并在Simulink中搭建制動力分配控制策略圖，如圖5所示。圖中整車制動扭矩需求=制動踏板開度×整車最大制動扭矩;前輪需求扭矩=整車制動扭矩需求×前軸分配系數（0.65）÷2，后輪需求扭矩=整車制動扭矩需求×后軸分配系數（0.35）÷2。

2 試驗結果分析

2.1 NEDC循環工況

NEDC是新歐洲行駛循環（New European Driving Cycle）的縮寫，可用于評估電動汽車的續航里程和能源效率。在NEDC工況（圖6）下，電動汽車會根據規定的速度和加速度模式進行測試，以模擬城市和郊外環境的駕駛情況。通過測試，可以得出電動汽車在理想駕駛條件下的續航里程和能源效率數據，幫助消費者和政府監管機構了解電動汽車的實際性能。通過Cycle Run-NEDC循環工況對模型車輛行駛里程進行仿真計算。

2.2 運行結果

將制動踏板開度（Brake_Pedal_Travel）、車速（Velocity）、加速踏板開度（Acceleration_Pedal_Travel）、制動能量（Brake_Power）、再生制動回收能量（eBrkRecvryEngy）作為目標數據放入到坐標圖中，如圖7所示。節選部分數據（圖8）進行分析，在時間區域內，車輛運行情況大致可分為兩個階段：第1階段，當車速為120km/h時，松開加速踏板，車輛在電動機再生制動力矩的作用下減速運動，再生制動回收能量迅速升高;第2階段，隨著制動踏板開度增加到>20°時，機械制動介入，踏板開度達到峰值時，車速逐漸降至0km/h。

制動前軸、后軸制動力矩分配按照0.65∶0.35的比例進行分配，將車速（Velocity）、前軸制動能量（Brake Front Brake Power）、后軸制動能量（Brake Rear Brake Power）放到坐標圖（圖9）中，前后軸制動力矩按照比例進行分配，制動效能數據如圖10所示。

3 結束語

電動汽車制動時，前后軸制動力分配是非常重要的設計因素，前后輪制動力矩分配不均衡容易導致車輛在制動時出現側滑、失控。本文在Cruise-Simulink環境下搭建了串聯再生制動控制策略并考慮前后軸制動力分配的電動汽車等效模型，驗證了模型的制動效果、制動力分配情況和能量回收情況。結果表明，在NEDC工況下運行，前后軸制動力矩按照0.65∶0.35進行分配，車輛運行穩定，制動效果和再生制動能量回收情況良好，可為車輛再生制動優化提供參考和借鑒，為電動汽車的參數選擇以及結構優化提供依據。

參考文獻：

[1] 孟澤文，張鐵柱，張洪信，等. 后驅式純電動車再生制動控制策略研究[J]. 青島大學學報（工程技術版），2020，35（1）：65-71.

[2] 張慶良，趙樹國. 基于ADVISOR的電動汽車再生制動控制策略改進[J]. 邯鄲職業技術學院學報，2022，35（3）：44-49.

[3] 王智明. 純電動車再生制動控制策略優化研究[D]. 秦皇島：燕山大學，2023.

[4] 王浮生不怕生. Cruise+Simulink聯合仿真建模-純電動汽車串聯制動回收策略的實現[EB/OL].（2023-04-23）[2024-06-18]. https：//blog.csdn.net/WangFS_bps/article/details/130322581.

[5] 何宇平，朱伯比，余志生. 轎車前后軸軸間制動力矩分配的設計[J]. 兵工學報（坦克裝甲車與發動機分冊），1992（4）：28-36.