纯电动汽车再生制动控制策略

徐海彤，樊亚军，贺赵豫

（西安工业大学 机电工程学院，陕西 西安 710021）

目前，纯电动汽车的最大优势在于其行驶过程中噪音小且对环境友好。因此，电动汽车的发展受到了重视[1]。由于车辆在行驶过程中的路况信息不确定，一方面，当车辆通过较为复杂的路况，或者受到气温的影响时，将会导致纯电动汽车的续驶里程无法达到驾驶员的预期[2]；另一方面，由于当前电池技术不能取得较好的发展，因而影响纯电动汽车的快速发展[3]。当前再生制动技术的研究及应用可以在很大程度上缓解电动汽车续驶里程不足的缺陷。当车辆由于制动需求而进入到制动状态时，驱动电机模式会切换至发电机模式，根据电机的四象限工作原理，当电机处于发电机模式时，车轮通过传动系统向发电机输入动能，从而驱动发电机转动，将其中的一部分能量传输至动力电池，从而起到能量回收的目的[4]。

近年来，针对制动能量回收技术的研究，国内外的专家学者从不同的角度出发对该技术进行了研究。卢秀和等人[5]针对某款纯电动汽车，提出通过采用模糊控制理论，在建立的再生制动控制策略中引入三输入单输出的模糊控制器，仿真结果表明，能量回收效率可提高6.55%。郭金刚等[6]提出依据制动强度的不同，通过设计合理的前、后轴制动力分配策略以及采用再生制动最优控制策略，并进行仿真。仿真结果表明，制动强度的大小会影响能量回收效率且该策略可以很好的回收制动能量，但是控制策略较为复杂。LI S等[7]提出采用模糊控制的方法，并考虑了电机的充电功率等对电机制动力的影响，建立了模糊控制策略并进行仿真分析，仿真结果显示所提出的控制策略能够有效地回收制动能量，但是忽略了电池的安全性问题。ANDREW A等[8]设计了一种超级电容及锂离子电池储能模块，采用DC/DC变换电路，在新能源汽车上实现了制动能量回收，但是未发挥出电机的制动潜力。

针对以上研究所存在的不足，本文提出以某款前驱式纯电动汽车为研究对象，基于联合国欧洲经济委员会（Economic Commission of Europe,ECE）汽车法规，I曲线以及f线组的前、后轴制动力分配方法，提出以加速踏板位移、制动踏板位移、电池荷电状态（State Of Charge, SOC）值、车速及制动强度为判断条件，并根据前、后轴制动力分配来计算整车制动力与前、后轴制动力的关系，在Simulink中建立制动能量回收控制策略，根据本文提出的控制策略，合理分配电机制动力占比，在进行制动能量回收时，还应保证车辆的制动安全性。分别在AVL Cruise和Simulink中建立整车模型和再生制动控制策略模型，将控制策略模型编译为动态链接库（Dynamic Link Library,DLL）文件并导入至AVL Cruise整车模型中并进行联合仿真，使其达到制动能量回收的目的。

1 制动力分析

图1为车辆在水平路面上制动时的受力状况，图中忽略了车辆的滚动阻力偶矩、空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩[9]。

图1 车辆制动过程受力分析

其中，v为汽车的行驶速度，km/h；Fx1为汽车前轮地面制动力，N；Fx2为汽车后轮地面制动力，N；Fz1为地面对前轮的法向反作用力，N；Fz2为地面对后轮的法向反作用力，N；aj为制动减速度，m/s2；L为汽车轴距，mm；a为汽车质心至前轴距离，mm；b为汽车质心至后轴距离，mm；hg为汽车质心高度，mm；m为汽车质量，kg。

1.1 理想制动力分配曲线

车辆行驶在任何附着系数的路面上，当车辆进行制动时，此时由于前、后轮的制动强度相同。因此，前、后轴制动力分配曲线被称为理想制动力分配曲线。为保证制动时的安全性，前、后轮处于同时抱死的状态，在车辆进行紧急制动时，由于车辆初始减速度较大，对路面附着条件的利用以及车辆制动时的方向稳定性较好。理想制动力分配曲线也称为I曲线[10]，表达式为

式中，Fb1为前轮制动器制动力，N；Fb2为后轮制动器制动力，N；G为汽车重力，N。

1.2 ECE制动法规曲线

为了保证制动时汽车的方向稳定性和有足够的制动效率，联合国欧洲经济委员会制定的 ECE R13制动对双轴汽车前、后轮制动器制动力提出了明确的要求，对于附着系数φ=0.2～0.8的各种车辆，其制动强度z要满足z≥0.1+0.85（φ-0.2），此时，前轴利用附着系数曲线φf应在后轴利用附着系数曲线φr之上，经过公式推导，可得出前、后轴制动力关系式为[10]

在车辆进行制动的过程中，路面所能提供的最大制动力由路面的附着系数来决定，另一方面，当车辆前轮先抱死拖滑，后轮还未抱死但趋向抱死状态，在该条件下，前、后地面制动力关系曲线称为f线组，而本文采用常见的沥青、混凝土路面，其附着系数为0.7，f线组的表达式为[11]

1.3 前后轴制动力分配

在进行制动能量回收时，应首先确保车辆制动时的稳定性及安全性，其次进行能量回收[12]。在进行制动能量回收时，只有驱动轮所产生的制动能量能够被回收，即本文研究对象只有前轮所产生的制动能量可被回收。

结合分析上述理想制动力分配曲线关系式、ECE制动法规曲线关系式以及路面附着系数等于0.7时的f线组关系式，按照给出的某款前驱式纯电动汽车参数，利用绘图工具可以作出如图 2所示的前、后轴制动力分配曲线。一方面，根据该分配曲线，可以计算前、后轴制动力与整车需求制动力之间的关系，为后续的再生制动控制策略建模提供理论基础；另一方面，本文所设计的再生制动控制策略采用的前、后轴制动力分配可以按照图中ABCDE线段进行分配。在该分配曲线下，不但能够确保车辆的制动安全性和稳定性，还能够有效地提升制动能量回收效率。

图2 制动力分配曲线

本文中需要定义一个临界制动强度z，根据该制动强度进行制动能量回收的判别。当制动强度较小时，能够判别此时车辆处于轻度制动状态，电机可以提供整车需求制动力；当制动强度大于z时，前、后轴制动力分配曲线依照图 2所示进行分配。假定本文采取的制动强度为0.2，在此制动强度下，车辆在进行制动时符合再生制动的要求。当制动强度小于 0.2时，此时车辆的制动需求较小，电机制动力可以提供整车需求制动力，此时后轴制动力为 0，前、后轴制动力分配按照图 2中的AB段进行分配；当制动强度大于0.2且小于0.7时，随着制动强度的增加，车辆容易进入抱死，而在制动强度增加的过程中，应使前轴分配更多的电机制动力，能够确保车辆制动时的能量回收效率和车辆制动安全性，如图2中BC、CD段所示；当制动强度大于0.7时，车辆此时进入紧急制动状态，为确保车辆制动安全性，此时电机制动退出工作，整车需求制动力全部由液压制动力提供。

2 制动能量回收控制策略

在驾驶员准备制动的过程中，其动作可以大致分为三个部分，如：释放油门踏板、将脚移至制动踏板上、踩下制动踏板。在驾驶员踩下制动踏板以后，此时需要判断车辆的当前车速、电池SOC值以及制动强度，根据这三个条件来判断制动能量回收系统在何时介入，图 3为制动能量回收控制策略流程图。

图3 制动能量回收控制策略流程

2.1 制动能量回收判断条件

当车辆处于正常的行驶状态中时，要判断其在何时制动，要通过油门踏板和制动踏板的位移来进行判断。当油门踏板的位移大于 0时，表明此时车辆处于正常的加速行驶过程中，此过程不进行制动；当制动踏板的位移大于 0时，表明车辆有进行制动的趋势，但要判别车辆在何种状态下进行制动能量回收，仍需要判别其他因素。

2.2 电池SOC值判断

车辆在进行制动的过程中，判别制动能量回收系统在何时介入，首要判别电池SOC值。考虑电池充电安全，本文将初始电池SOC值设置为95%，当电池SOC值大于95%或小于5%时不进行制动能量回收。

2.3 车辆当前车速判断

此外，还需要判别车辆的当前车速，当车辆处于低速运行状态时，此时电机的转速较低，在车辆进行制动时，因为初始制动减速度较小，电机能够提供整车需求制动力；当车辆速度较大时，为了尽可能多的回收制动能量，应增加前轴电机制动力分配比例，此时电机制动力和液压制动力提供整车需求制动力；当车辆速度较高时，由于初始制动减速度较大，为保证车辆制动安全性，电机制动退出工作且液压制动力提供整车需求制动力。

2.4 车辆制动强度判断

另外，还需要判断车辆制动强度的大小，当制动强度较小时，电机可以提供整车需求制动力，该制动状态为轻度制动；随着车速的增加，制动减速度不断提升，在进行中度制动时，应增加前轴电机制动力所占比例，剩余不足的制动力由液压制动力提供；当车速较高时，由于初始制动减速度也较大，因此，在车辆进行制动时，在确保车辆安全性的前提下进行制动能量回收，此时电机制动退出工作，液压制动力提供整车需求制动力。

综合加速踏板位移、制动踏板位移、电池SOC值、车速以及制动强度，设计了本文的再生制动控制策略，图4为再生制动控制策略图。

图4 制动能量回收控制策略

3 仿真分析

3.1 仿真模型的建立

本文采用 Cruise建立纯电动汽车整车模型，采用Simulink建立再生制动控制策略模型，并将二者进行联合仿真。首先，在 Cruise中建立纯电动汽车模型，主要包括差速器模块、主减速器模块、驱动电机模块和电池模块等；在 Matlab/Simulink中建立本文所设计的再生制动控制策略，配置编译环境，并对再生制动控制策略进行编译，将编译生成的DLL文件导入Cruise模型中进行联合仿真。根据控制策略所需要的信号实现 Cruise和Simulink的数据交换[13]，汽车主要参数见表1。

表1 汽车主要参数

3.2 仿真结果分析

图5为本文建立的整车模型在加载了制动能量回收控制策略后，在NEDC工况下的电机转矩变化曲线。可以看出，当车辆在进行制动时，电机均会产生负扭矩为车辆提供制动力矩。如图 5所示，由于市区循环的车速远低于市郊循环车速，因此，在市区循环工况中，车辆的车速不高，其制动强度较小，因此，需求制动力矩较小，所以电机制动力矩相对较小约为 61 Nm；而车辆处于市郊循环工况时，由于车辆的平均车速较大，当车辆进行制动时，由于其初始减速度较大，因此，需要较大的制动力矩，而电机相应的可以产生较大的制动力矩，最大可达到94 Nm。

图5 电机转矩变化曲线

图6为车辆的当前车速与实际车速的对比情况。在NEDC工况下，车辆主要有等速、加速、减速、停车这四种工况，图中所示的需求车速是NEDC工况下所设定的车速，而当前车速是指车辆在运行过程中的实时车速。从图中可以看出，当前车速能够很好的跟随需求车速，由此可见，本文所设计的再生制动控制策略能够达到仿真的要求。

图6 当前车速与需求车速

图7为车辆在不加载任何控制策略以及加载了本文所设计的再生制动控制策略后，电池SOC值在经过一个NEDC循环工况下的变化情况。可以看出，在两种不同的仿真工况下，电池的SOC值呈下降趋势。在进行仿真前，设置电池SOC值为95%，当不加任何控制策略时，电池的SOC值下降趋势较明显，由 95%下降至 90.7%；当车辆加载了本文所设计的再生制动控制策略后，在车辆进行制动时，电池SOC值下降的较缓慢，且电池SOC值由95%下降至91.6%；而且当车辆在进行制动状态时，电池SOC值有明显的上升趋势，车辆的初始速度越大，电池SOC值上升越明显,而且在市郊循环中，这种情况更加明显。

图7 电池SOC值变化曲线

图8为车辆的总能量输出和总能量输入的变化曲线，其中，总输入能量为1760.15 kJ，总输出能量为9765.22 kJ，由式（4）计算可得能量回收效率为18%[14]。

图8 能量输入、输出曲线

式中，η为能量回收率，Ei为整车总输入能量，Eo为整车总输出能量。

4 结论

本文针对某款前驱式纯电动汽车的制动能量回收效率问题，制定了基于理想制动力分配曲线、ECE法规曲线以及路面附着系数为0.7的f线组的前、后轴制动力分配方法，设计了以加速踏板位移、制动踏板位移、车速、电池SOC值及制动强度为判别条件的查表式制动能量回收控制策略，在NEDC工况下仿真得出该策略不仅可以有效地缓解电池SOC值下降的趋势，且制动能量回收效率可达18%，可有效提高车辆的经济性。