HEV制动能量回收策略研究

李博溪，谭立真

Li Boxi，Tan Lizhen

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）具有节能、环保等方面的优势，主要体现在制动能量的回收与利用。制动能量回收就是将汽车制动时的动能（下坡时为动能和势能）转化为其他形式的能量[1]储存起来再利用。研究表明，城市路况下汽车由于频繁启动、制动，消耗大约 50%的牵引能量[2-3]，而有效的制动能量回收策略可将汽车行驶里程延长10%～30%[4]。

文献[5]针对前轮驱动型电动汽车，提出了一种前、后轮制动力分配控制策略；文献[6]针对具有双轴双电机四驱结构的电动汽车，设计了一种基于 I曲线的制动力分配策略。这些控制策略可实现一定的能量回收，但具有一定的局限性，对于客车或货车，在空载制动过程中踏板力逐渐加大时，会出现前轮没有抱死而后轮先抱死的不安全情况。

传统汽车前、后轮制动力分配按满载情况分配。通过载荷状态识别，合理分配制动力，汽车在轻载或中载时比满载可以分配更多的电机制动力，进而回收更多的制动能量，同时也提高了制动稳定性。文献[7]详尽描述了汽车载荷状态识别的基本思想。文中根据汽车驱动力、加速度以及车速估算汽车当前质量，提出了基于载荷状态识别的HEV（公交车）并联式制动能量回收策略。

1 载荷状态识别

载荷状态识别的基本思想：在汽车起步加速时，依据汽车车轮驱动力、加速度以及车速估算汽车当前质量。整车加速度和车速由车载传感器采集获得。车轮处的驱动力根据主电机转矩TPM、ISG电机转矩TISG、发动机转矩Te和离合器状态Sc计算得到，如式（1）。

式中，i0为主减速器传动比，η为传动效率，r为车轮半径，J1为发动机和ISG电机的转动惯量，J2为主电机转动惯量，J3为车轮转动惯量，we为发动机角速度，wPM为主电机角速度，wwh为车轮角速度。

由汽车理论[8]知识可知汽车在t时刻的行驶方程式如式（2）。

在汽车驱动力、车速、加速度已知的条件下，式（2）存在2个未知量，即m和α，求该未知量，仅需 2个方程，即可利用 t-1、t-2 时刻的方程来求解，具体如式（3）、式（4）所示。

为了保证整车质量估算值在合理范围内，对识别结果m进行判断，如果不在合理范围内，则采用上一次识别的结果。文中整车质量估计的精度要求不是很高，所需要的载荷信息只需轻载、中载和满载3种状态。当m1≤m≤m2时，判断为轻载；当m2≤m≤m3时，判断为中载；当m3≤m≤m4时，判断为满载。

2 制动能量回收策略

在制定制动能量回收策略时，需要考虑各种约束条件。当SOC（State of Charge，电池荷电状态）值过高或车速低于 10km/h时不进行能量回收，同时制动力分配需满足 ECE（Economic Commission of Europe，欧洲经济委员会）制动法规的要求。

在满足约束条件时，制定的策略为：针对并联式前驱HEV，首先对前、后轮制动力进行分配，在保证制动稳定性的前提下，尽可能多地把制动力分配在前轮；再对前轮电机制动力与机械制动力进行分配，在满足电机转矩特性的前提下，尽可能多地把制动力分配给电机制动力。

2.1 前、后轮制动力分配

针对汽车不同的载荷状态，基于I曲线合理分配前、后轮制动力，并保证将总制动力尽可能多地分配给前轮；同时，由于电机所能发出的制动转矩有限，只能尽可能多地把前轮制动力分配给电机制动力，其他的制动力由机械制动力提供。

理想前、后轮制动力分配关系如式（5）所示。

式中，Fu1为前轮制动力，Fu2为后轮制动力，m为整车质量，hg为汽车质心高度，b为汽车质心至后轴中心线的距离，L为轴距。

在实际中汽车前后制动力按一固定比值分配，常用前制动力与汽车总制动力的比值表示，符号为β，如式（6）所示。

则可得式（7）。

当汽车载荷状态识别为满载时，前、后轮制动力分别按照比例系数β分配；当汽车载荷状态识别为中载、轻载时，前、后轮制动力分别按照比例系数β1、β2分配，如图1所示。

2.2 电机制动力分配

制定制动力分配策略，目的是在保证汽车制动稳定性的前提下，尽可能地提高电机制动力的比例。

所研究车型为并联式前驱混合动力汽车，电机制动力施加在前轴处，电机制动力和机械制动力之间以固定比分配，引入电机制动力分配系数βreg。

式中，Freg为前轴电机制动力，Fbff为前轴机械制动力。

汽车的总制动力为

式中，Fb为整车的总制动力，Fu2为后轴的机械制动力。

3 仿真结果与分析

选择中国典型城市公交循环路况作为仿真工况，如图 2所示。中国典型城市公交循环路况是由中国汽车技术研究中心制定的城市公交车运行工况，具有典型性。根据提出的制动能量回收策略，基于载荷状态识别，同时考虑电池 SOC、车速及ECE法规的要求，以某型并联式混合动力电动公交车为例，在Matlab/Simulink中建立相应的仿真模型。

以中国典型城市公交循环为循环工况，设计整车质量变化规律如下：初始时刻整车和驾驶员质量为11600 kg，在115s 时整车质量变为13000 kg，在300 s时整车质量变为14500 kg，在400 s时整车质量变为 15500 kg，在560 s时整车质量变为18000 kg，在750 s时整车质量变为16500 kg，在920 s时整车质量变为15000 kg。当11500 kg≤m≤14000 kg时，判断为轻载；当14000 kg≤m≤16000 kg 时，判断为中载；当16000 kg≤m≤20000 kg时判断为重载。载荷状态识别仿真结果如图3所示。

从图 3仿真结果中可以看出：识别得到的载荷状态可以反映整车质量的变化，载荷识别结果分为 3个阶层，分别为轻载、中载及重载，载荷识别效果良好。同时看到：载荷状态识别产生延迟，这是由于起步时刻与识别时刻具有时间差，但是该延迟不会影响控制策略。

分别按照无制动能量回收策略、无载荷状态识别的制动能量回收策略和有载荷状态识别的制动能量回收策略进行仿真，仿真结果如图 4所示。

从图4的仿真结果中可以看出：在中国典型城市公交循环工况下，有载荷状态识别的制动能量回收策略电池SOC的值>无载荷状态识别的制动能量回收策略电池SOC的值>无制动能量回收策略电池SOC的值，进而也可以看出有载荷状态识别的制动能量回收策略所回收的能量更多。

有载荷状态识别的制动能量回收策略、无载荷状态识别的制动能量回收策略的制动能量回收率见表1。从表1中可以看出，有载荷状态识别的制动能量回收策略其制动能量回收率更高，为35.6%，提高了9.6%，从而验证了文中制动控制策略的正确性与优越性。

表1 制动能量回收率

4 结 论

针对并联式前驱HEV的制动能量回收控制系统，基于载荷状态识别，合理分配车轮前、后制动力及前轮电制动力、机械制动力，制定了制动能量回收控制策略。在此基础上建立了制动能量系统的仿真模型，并在Matlab/Simulink中进行了仿真分析。通过仿真分析，验证了制动力分配策略的可行性，且在该策略下车辆具有较高的能量回收率。

[1]何仁.汽车制动能量再生方法的探讨[J].江苏大学学报（自然科学版），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]翟志强，赵国柱，朱思洪.电动汽车再生制动控制策略研究[J].计算机仿真，2013，30（11）：160-163.

[6]孙大许，兰凤崇，陈吉清.基于I 曲线制动力分配的四驱纯电动汽车制动能量回收策略的研究[J].汽车工程，2013，12（35）：1057-1061.

[7]罗国鹏.基于道路工况和载荷状态识别的混合动力客车控制策略[D].北京：清华大学，2011.

[8]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.