混合动力汽车再生制动系统控制策略的建模仿真分析

麦明珠

摘 要：文章主要对混合动力汽车在驱动循环下的实际工作特点进行了分析，并以传统汽车制动理论为基础，探究了制动安全性和高效制动能量回收情况。提出了较为有效的混合动力汽车再生制动系统控制策略。同时对混合动力汽车进行了系统建模以及程式驱动仿真实验，结果表示目前符合制动汽车的分配策略能够更好地符合车辆动力要求，提升能量使用效率。

关键词：混合动力汽车 建模 仿真

1 引言

混合动力汽车中采用了不同的动力装置，其中主要有内燃机和电机，在实际运行过程中可以通过对内燃机和电机储能装置的有效时间控制和能量分配提升能量使用效率。其主要特点在于当车辆减速和制动时，车辆的动能通过电动机发电的形式实现制动性能，在电能储存的过程中实现能量回收，既实现车辆的制动和减速，又有效降低整车的耗能，降低燃油消耗。

2 混合动力汽车再生制动系统分析

在混合动力汽车中不但有液压制动系统，同时也包含再生制动系统，再生制动系统在实际工作过程中会依靠驅动电机发电来运行，可以将制动过程中汽车动能势能转化为电能，在电池中储存。大部分情况下再生制动系统与液压制动系统都处于运行状态，一同向汽车提供动能，因而混合动力汽车制动系统属于复合制动系统，需要对其进行一定的系统控制。在混合动力汽车中运用制动技术时还需要控制其保持最佳制动能量回收效率。另外，为了提升混合动力汽车制动系统的可靠性，液压制动系统和再生制动系统可以独立工作，避免互相影响，此时一旦再生制动系统存在内部故障，可通过液压制动系统单独完成制动需求。

3 再生制动系统的结构组成及运行机理

车辆内部制动系统主要分为制动控制器、再生制动控制器和液压控制器。汽车在实际制动中，内部制动踏板单元传感器检测踏板行程会将其转化为电子信号，并将其传输给车辆内部制动器，进而结合设定好的制动力分配进行控制计算，得出前轮、后轮制动力，并将相关信号分别传递给再生制动控制器与液压制动控制器。

再生制动控制器通过和电机控制器合并能够更好地调节再生制动系统内部所需要的制动力;而液压制动控制器则可以通过调整电磁比例阀的情况调节前后轮制动液，对前后轮制动液制动力进行调节。同时，混合动力汽车内部系统在实际运行中可通过传感器实时反馈系统内部的不同零件参数，并结合实际制动需求调整制动系统工作状态;其优势主要在于能够实现再生制动，即在车辆进行降速或制动时能够确保车辆的性能，同时通过车辆动能带动发电机发电，使其转化为电能储存于电池中，从而更好地回收能量。

4 再生制动系统控制策略

4.1 仿真模型建立及模型原理

文章以某轻度混合动力轿车为研究对象，并结合车辆的不同行驶情况和路面抓地条件，通过Advisor软件进行了车辆制动力学仿真模型建立，在仿真模型中涵盖了蓄能器再生能量、马达损耗、变量泵、变速机构损耗、空气阻力损耗以及滚动阻力损耗等相关仿真模型数据，具体参数如表1所示：

在仿真模型实验中，提出了较为实用的车辆制动能量回收策略，从而实现了混合动力汽车的建模与仿真，使车辆能源消耗得到有效证实，为混合动力再生系统的开发提供了参考依据[1]。整车仿真模型图如图1：

4.2 仿真结果分析

本次实验主要以轻度混合动力汽车为基础，汽车启动发电一体机和直流机与发动机轮直接相连，汽车电机在实际工作过程中可以结合汽车的行驶条件进行工作模式的随意变换。混合动力汽车制动过程中减速不但可以进行摩擦制动，还可以进行电机再生制动，在产生制动感应时液压制动系统和电机都会参与到制动过程中进行协调制动[2]。

下面以30km/h初始车速为例，针对其小强度制动及中等强度制动工况的仿真结果进行分析（路面附着系数为0.7）：

（1）小强度制动情况下仿真结果如图2、图3，其制动模式为轻度制动（a<1m/s2）时，参数仿真曲线如下：

通过该仿真结果能够看到，在车轮滑移率相对较小的时候并没有出现车轮抱死情况。在此作用下，电机制动力矩和液压制动力矩可以在控制策略作用下进行协调工作，能够满足稳定制动的需求。在整个制动中，电机作为施加力矩的主要动力来源，而液压制动力矩则起到辅助制动作用，当车速达到最低稳定车速后，由于电机不再持续回收制动能量，也就停止了制动力的施加，停车制动力矩转而由液压制动系统提供。在这一过程中，回收能量约为22513J。

（2）中等强度制动情况下仿真结果如图4、图5，其制动模式为中等强度制动（1m/s2

通过仿真图像可以看到，在车轮滑移率相对较小的情况下，同样未出现车轮抱死，此时仍在电机制动力矩以及液压制动力矩控制策略下进行协调工作，能够实现制动稳定性要求。在最初制动阶段，制动力矩的施加主要由电机提供，但相比小强度制动其回收的能量要少一些。产生这一结果主要是因为在高转速下电机能够提供的制动转矩比较有限，因而难以满足驾驶员的制动需求，此时就要求液压制动力矩参加制动过程，从而导致回收能量降低。

综合以上情况，想要进一步提升汽车制动能量回收效率，符合汽车这个安全性需求，就需要对车辆制动能量进行有效分配，也就是对车辆制动力进行相应的分配，调节汽车的再生制动，摩擦制动控制协调性。若不考虑滚动阻力，空气阻力和坡道阻力的影响，汽车的减速主要是由制动力F1、F2提供，则：

F1+F2=m du/dt （1）

式中，F1为前轮产生的制动力;F2为后轮产生的制动力;m 为汽车整备质量;du/dt为汽车减速度。在汽车制动过程中，前后轮所受法向反力为：

FZ1=（G+m du/dthg）/L （2）

FZ2=（G-m du/dt*hg）/L （3）

式中，FZ1、FZ2分别为地面对前轮、后轮的法向反作用力，G为汽车所受重力。在仿真建模实验中，混合动力汽车各工况下制动消耗能量与总能量的对比关系如表2所示：

在对程式内部驱动循环分析后可以得出，满足汽车制动安全性的基础上可以重新调节汽车前后轮驱动力，而汽车主要是在较小的制动强度下进行减速，在不同程式驱动循环下其制动强度也各不相同。车辆使用的启动发电一体机最大制动扭矩为45N每米，结合发动机制动的影响可以得知，不同档位下汽车内部电机的最大转距会随着车速变化而变化，程式内部驱动循环下车速会普遍较低，在绝大部分情况下汽车会处于较低档位运行时这使其制动强度也会逐渐下降，所以混合动力汽车内部制动力的分配需要尽可能地利用电机制动力来促使能量大范围回收，在不同制动强度下，动力分配可以按照制动强度进行[3]。

5 结语

综上所述，对混合动力汽车进行再生制动系统的建模与仿真结果表示在混合动力汽车内部的驱动循环下可以使用合理的再生控制策略，从而使车辆在运行过程中制动力得到有效分配，不但能够提升制动安全性，同时也能够提升车辆的能源回收率，具有较好的使用价值。

基金项目：广东省普通高校青年创新人才类项目（2019GKQNCX93）。

参考文献：

[1]张丹，李治国，陈标.串联式混合动力汽车能量控制策略研究与仿真分析[J]. 时代汽车，2019，000（010）：46-47.

[2]冯帆，黄赟熹，刘优.基于Cruise和Simulink的某48V轻度混动车辆仿真分析[J].汽车实用技术，2019，288（09）：15-18.

[3]方桂花，曾标，胡贤东，等.混合动力矿用车再生制动能量回收系统控制策略[J].机床与液压，2020，48（1）：135-140.

[4]王哲.并联式混合动力汽车再生制动研究[J].科技与创新，2019（4）：86-87+89.