混合动力汽车再生制动仿真分析

昙花一现

再生制动对于电动汽车有着显著的优点，通过再生制动将汽车在制动或下坡行驶时的动能和势能转化为电能贮存起来，以供下次的加速或起动过程使用，使车辆在运行过程中能够降低燃料消耗，减少污染物，减轻制动盘的磨损[1]。再生制动是电动汽车以及混合动力汽车中的关键技术，包括现在的传统汽车也开始逐渐使用。它对节约燃料，降低排放和制动安全性有着直接的影响。
　　在实际行驶过程中，制动力的分配很难达到理想的状态，为此，加装再生制动系统后，在满足ECE制动安全法规的前提下，如何将制动力分配尽可能地靠近理想制动力分配曲线，同时尽可能多地提供再生制动能量，以进一步提高回收能量，是本文研究的重点。

　　1 再生制动系统的结构及原理
　　再生制动系统的结构图如图1所示。它主要由驱动轮、主减速器、变速器、电机、AC/DC转换器、控制器及能量管理系统组成。
　　在汽车制动或滑行过程中，根据驾驶员的制动意图通过制动踏板位置传感器，采集制动信号传递给控制器后，制动控制器计算出所需要的总的制动力，然后再依据控制策略进行制动力分配确定电机的再生制动强度。电机控制器计算出电机电枢所需要的制动电流，再通过跟踪制动电流以提供精确的再生制动力矩。由电机电枢产生的制动电流经AC/DC转换器转换后贮存到电贮存装置中[2]。

　　2 制动控制策略
　　理想的制动力分配是使前后轮同时抱死，此时附着条件才能够得到充分的利用。但在实际过程中是很难达到的，一般是基于ECE制动法规要求的复合制动的比例控制策略[3]。
　　ECE制动法规对双轴轿车的前、后轴制动力提出了明确的要求。当制动强度z=0.2～0.8时，前轴利用附着系数曲线应在后轴利用附着系数之上，使前轮先抱死，防止后轴侧滑，保证汽车制动时的方向稳定性，而且利用附着系数应满足≤（z+0.07）/0.85，使利用附着系数接近理想的=z线，以保证较高的附着利用率。当z=0.3～0.4时，后轴的利用附着系数曲线不超过= z+0.05的条件下，允许后轴利用附着系数曲线在前轴利用附着系数曲线上方[4]。
　　如图2所示，直线OF和EF是摩擦制动系前、后制动器制动分配关系线，是装有比例阀时能更好地调节前后制动器制动力的比值，从而使其制动曲线更接近理想制动曲线。复合制动区的下边界线与ECE制动法规边界线相切，即图中的AB线，是为了满足ECE法规所定的安全下限值。
　　图2中，Fxb1/Fxb2为汽车地面制动力，Fu1/Fu2为制动器制动力。AB线为ECE安全制动法规线的切线，与横轴交于A点与=0.7的f线交于B点；BE线为=0.7的f线，E点为BE线与理想的I线的交点。
　　电制动力（Fe）随制动强度（z）的分布系如下：
　　（1） 0＜z≤0.1，制动力全部由再生制动力提供，此时Fe=Gz。
　　（2） 0.1＜z≤0.527，制动力由再生制动力、前轴制动力和后轴制动力提供，此时Fe=0.7116 Gz +394.6。
　　（3） 0.527＜z≤0.64，制动力由再生制动力、前轴制动力和后轴制动力共同提供，此时Fe=
　　-2.86 Gz+2.23G。
　　（4） 0.64＜z≤0.7，制动力由再生制动力、前轴制动力和后轴制动力共同提供，此时Fe=
　　-4.75 Gz+3.26 G+3836。
　　（5） 0.7＜z＜1，制动力完全由前后轴的摩擦制动，此时Fe=0。
　　那么，再生制动力、前轴摩擦制动力和后轴摩擦制动力各自所占的比例为
　　式中：为电制动力所占比例；为前轴摩擦制动力所占比例；为后轴制动力所占比例；为电制动力；为前轴摩擦制动力；为后轴摩擦制动力；G为车重；z为制动强度。

　　3 仿真分析及结果对比

　　ADVISOR中的再生制动控制策略制动份额是依据速度来分配的。0～15 km/h时，从0%～50%递增，从80%～40%递减，=1--；15～95 km/h时，从50%～80%递增，从40%～20%递减，=1--。行驶工况选择美国城市循环工况CYC_UDDS。
　　3.1 仿真过程中电源的可用功率输出及SOC值情况
　　整个循环工况，最高行驶车速为91.25 km/h，平均车速为31.51 km/h。
　　如图3所示，在纵轴0以上的输出能量主要是电源对电机的驱动提供能量；0以下为输入能量，其输入能量主要是再生制动过程中的能量回收和发动机供电；出现较大辐值主要是再生制动过程的能量回收。由此可以看出由于循环工况的不断制动，电源能够回收较多的能量，为下一阶段电机的驱动供能。结合图5还可以看到整个运行过程，电源的SOC值都在0.635以上，均能较好地满足供电要求。
　　图4为原控制策略下仿真过程中的SOC值情况，图5为本文控制策略下的SOC值情况。从两图的对比可以发现，本文控制策略下SOC值的波动比原控制策略下的要大，即本文控制策略下的储能系统的充放电状态波动比原控制策略下的要大。这正好说明了在整个道路循环过程中，本控制策略能更有效地回收制动能量以及为电机提供能量。
　　3.2 仿真能量对比分析
　　由表2可知：（1）由发动机提供的能量由原控制策略的256 115 kJ减少为233 337 kJ，即需要发动机提供的能量降低了22 778 kJ，即能量提高了8.89%。（2）电源的能量输入由原控制策略的6 804 kJ提高到本文控制策略的13 426 kJ，输入的能量提高了97.33%。（3）电源的能量输出由原控制策略的8 371 kJ提高到本文控制策略的13 682 kJ，输出的能量提高了63.45%。（4）电机/控制器的能量输入由原控制策略下的3 047kJ增加到本文控制策略的5 986 kJ，整个再生制动系统的效率也有所提高。再进一步进行整体分析，改进控制策略后，在发动机能量输出降低的前题下，反而储能系统的能量储存量增加，其增加的能量主要来自于再生制动。由此可以进一步证明本文控制策略的优化效果。
　　3.3 排放和燃油消耗对比分析
　　由表3可知，依照本文控制策略，在满足ECE制动安全法规的前提下，每百公里汽车的HC排放能降低7.69%，CO的排放能降低14.74%，NOx的排放能降低11.18%，同时燃油消耗减少8.96%。说明在本文控制策略下，汽车在满足汽车制动安全性和稳定性的同时，能有效地减少汽车的燃油消耗和降低有害物质的排放，达到节能减排的目的。
　　4 结论
　　由电源的可用功率输出及SOC值情况、仿真能量对比分析、排放和燃油消耗对比分析3项仿真结果对比可以看出，在本文的控制策略下，汽车能够在满足制动安全性和稳定性的同时，使整车循环过程中的再生制动能量回收得比较明显，能够进一步发挥电源和电机辅助动力输出作用，从而可以降低发动机的能量输出达到节能减排的目的。
　　注：（1）因为在起动过程中，主要依靠电力驱动，电池对电机供电起了主要的作用，在一个行驶工况下使电驱动过程对整个循环工况影响较大。为了使其接近真实的使用环境，本文将循环行驶工况的测试次数选为10次，总的行驶里程为119.9 km，淡化起动过程中纯电驱动带来的部分假象，使整个过程更接近实际情况。（2）同时为了保证极限情况的紧急制动的稳定性，在制动力强度高于0.7时，前后轮只采用摩擦制动，以避免实物情况下和ABS所产生的干涉，保证制动的稳定性。（3）关于车型参数的选择，主要是依据ADVISOR软件模块已有模型，整车参数不一定最优，所以仿真结果有进一步提高的空间，此车型号只是更好地说明了改动后的控制策略效果。

　　参考文献(References):
　　Zhang Jingming，Ren Dianbo，Song Baoyu. The Research of Regenerative Braking Control Strategy for Advanced Braking Force Distribution[C]. IEE Computer Society，2009.
　　林飞，杜欣. 电力电子应用技术的MATLAB仿真[M]. 北京：中国电力出版社，2008.
　　Lin Fei，Du Xin. Power Electronics Applied Technology MATLAB Simulation[M]. Beijing：China Power Press，2008.(in Chinese)
　　余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2009.
　　Yu Zhisheng. Automobile Theory[M]. Beijing：China Machine Press，2009. (in Chinese)
　　赵国柱. 基于ECE法规的电动汽车再生制动控制策略的建模与仿真[J]. 武汉理工大学学报，2008，32(1)：149-152.
　　Zhao Guozhu. Control Strategy for Regenerative Braking in EV and HEV Based on ECE Regulation[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2008，32(1)：149-152.(in Chinese)
　　WALKER A M，LAMPERTH M U，WILKINS S. On Friction Braking Demand with Regenerative Braking[C]. SAE Paper 2002-01-2581.

YCHEILUOEUO

多谢楼主分享