纯电动汽车再生制动控制策略研究

惠登峰（江苏省镇江市路桥工程总公司，江苏 镇江 212017）



纯电动汽车再生制动控制策略研究

惠登峰
（江苏省镇江市路桥工程总公司，江苏 镇江 212017）

摘要：基于传统再生制动控制策略和制动稳定性，提出了一种适用于纯电动汽车的再生制动复合控制策略。采用Matlab/simulink和Carsim 软件在FTP75标准工况下进行联合仿真，与传统并联再生制动控制策略的仿真结果进行分析比较。结果表明：所提出的再生制动复合控制策略在保证制动稳定性的前提下，能回收更多能量，增加续驶里程，明显优于传统并联再生制动控制策略。

关键词：再生制动；联合仿真；控制策略；纯电动汽车

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-136-04

前言

传统汽车所带来的空气污染日益加重和石油短缺问题，日益得到了人们的重视[1]。为解决节能和环保的问题，国家大力支持电动汽车的发展。电动汽车具有能量来源可持续、零排放、低噪音等优势，因而被认为是传统车辆的理想替代品[2]。同时，电动汽车通过自身的驱动电机，可以方便地实现再生制动能量回收。

续航历程短一直是制约电动汽车普及发展的关键因素。再生制动能量回收技术是提高电动车续航里程的有效手段[3]。再生制动能量回收就是在汽车制动时，通过将电动机作为发电机使用，把车辆动能转化为电能储存在动力电池、超级电容等储能设备中，供驱动时使用，以达到延长电动汽车续驶里程的目的，同时还可起到减少制动器工作强度、延长机械制动系统寿命的作用。

因为具备上述优点，再生制动能量回收技术已成为纯电动汽车和燃料电池汽车等新能源汽车节能减排的主要技术之一。本文针对纯电动汽车的制动系统进行分析，提出了适用于纯电动汽车的复合再生制动能量回收策略，并对该策略进行了仿真分析。

1、汽车制动受力分析

把整车看作一个刚体，当汽车沿水平路面进行制动时，受力情况如图1所示。在纯电动汽车特点的基础上，对整车模型提出如下假设和简化[4]：

视整车为刚体，假设在绝对平坦的水平路面上行驶，忽略悬架系统、簧上质量与簧下质量间的相互影响。

（2）忽略轮毂电机在驱动和制动时可能产生的转矩脉动所带来的影响。

（3）忽略汽车行驶时的空气阻力、轮胎滚动阻力以及车轮转动惯量在制动时的影响。

（4）假设制动时车轮不会滑移。

图1　整车制动受力模型

图1中，L 为轴距，a为车辆质心至前轴中心线的距离，b为车辆质心至后轴中心线的距离，L=a+b。hg为车辆质心高度。FXb1、FXb2分别为前后车轮的总制动力，对于电动轮汽车有：

式中：FXbr1、FXbr2分别为前后轴的再生制动力；FXbrm1、FXbrm2分别为前后轴的机械制动力。

分别对前轮接地点、后轮接地点取力矩，得：

在任何附着系数φ的路面上，前、后车轮同时抱死的条件是：前、后轴制动力之和等于总附着力，并且前、后车轮制动力分别等于各自的附着力[4]，数学表达式如下：

联立式（7）～（11）可得前、后车轮同时抱死时轴间制动力分配关系：

式（12）即为理想的前、后轮制动力分配曲线。

2、典型再生制动控制策略

纯电动汽车制动控制的总体目标是：在保证整车制动性能的前提下，使能量回收到最大。具体到实际结构，就是必须考虑到驾驶员的制动需要、电动机所能提供的最大功率和能量储存装置的充电限制等因素，并结合控制的难易程度及成本，制定电动机进行再生制动的方法，同时控制策略应与ABS、ESP等系统相融合，不影响其性能[5]。

2.1最大回馈功率制动

最大回馈功率制动是以制动过程中尽可能多地回收能量为目的。通过对制动过程中电枢电流控制，使回收功率达到最大。最大回馈功率制动多用于电力机车，因为机车直接从电网取电，回馈电流的大小对电网的影响不大。此控制策略也可用于电动自行车和电动三轮车等功率较小的场合，因为这些电动机功率较小且电枢电阻较大，因而不会产生过大的电枢电流和充电电流，但有如下缺点：

（1）采用这种制动方式时，由于电枢电阻小，因而即使在电动机转速很低时，也会产生过大的电枢电流和蓄电池充电电流。

（2）当纯电动汽车采用最大回馈功率方式制动时，电动机转速将按指数规律下降，这不符合驾驶员的操作特性。

所以，将最大回馈功率制动应用于电动车，必须处理好过大充电电流的安全问题，以及由此造成的对电源系统寿命的影响。

2.2最大回馈效率制动

最大回馈效率制动是以制动过程中回馈效率最大为目的，回馈的能量最多，制动距离最长，制动的过程中，车速按照抛物线规律下降。但是这种方式需要控制电枢电流，要实时检测汽车的阻力，因而增加了控制的不确定性，实现起来的难度较大。

2.3恒定力矩制动

对永磁直流电机，恒定力矩制动等价于恒定电枢电流制动。此策略通过在不同踏板开度时对电枢电流进行控制，恒定力矩制动能够实现制动力矩和踏板开度的同步增大，这与传统汽车液压制动系统不同踏板开度对应不同制动力矩相同，车速线性下降，也符合驾驶员的操作习惯，控制方便，所以此策略具有一定的优越性[4]。

为了保证蓄电池的安全充电，对蓄电池的充电电流不能超过其最大充电电流，这就限制了所采用的恒定电枢电流的大小，而且在踏板开度一定的情况下，随电机转速的下降，虽然电枢电流保持恒定，但充电电流持续减小。因此，该策略不能有效地回收能量。

2.4恒定充电电流制动

为了避免过大的回馈电流对蓄电池造成伤害，文献[6]提出了恒定电流制动方式，即以蓄电池充电电流为被控制对象，在车辆制动过程中，控制系统维持蓄电池充电电流不变，兼顾能量回收与系统保护，是一种更实用的控制策略。

但是由于随着车速的降低，电枢电流持续上升，因而有可能超过电枢允许的最大电流，所以必须对充电电流的大小加以限制。当制动踏板开度与充电电流相对应时，在相同的踏板开度下，随着车速的下降，汽车将获得逐渐增加的制动力，这种现象不符合驾驶人的操作习惯。

3、再生制动复合控制策略

本文针对超级电容—蓄电池复合电源纯电动汽车进行了研究。总体的控制思想是，在制动意图的控制下，依据I曲线进行制动力分配，提高制动能量回收率的同时保证制动稳定性，低制动强度采用电机制动，中强度制动协调再生制动与机械制动一同工作，高制动强度只有机械制动力工作。

基于复合电源系统纯电动汽车储能系统的特点，综合典型再生制动控制策略，本文提出依据减速踏板位移行程，使用模糊控制识别驾驶员的制动意图，对再生制动复合控制策略进行优化。

制动踏板位移反映了驾驶员的制动意图，使用Matlab提供的模糊工具箱设计制动意图识别控制器，对模糊输入参数进行归一化处理，使输入分量在[0，1]范围变化，参数阈值和制动强度分配如表1所示，图2为纯电动汽车制动系统控制流程。

表1　制动强度分配表

图2　纯电动汽车制动系统控制流程

4、模型建立及仿真

4.1模型建立

本文采用Matlab/simulink和Carsim进行联合仿真，在Carsim中建立整车模型，在simulink下搭建再生制动复合控制策略模型。模型中的电池、电机子模型采用查表的方式建立，相关性能数据由实验获得，该方法建立的模型使得仿真结果更接近于实际[7]。分别采用再生制动复合控制策略和传统并行再生制动控制策略进行仿真。仿真工况采用FTP75标准工况，假定汽车初始状态SOC=80％，终了状态SOC=20％。其它各模型参数如表2所示。

表2　仿真参数

4.2仿真结果分析

按照前面制定的再生制动复合控制策略以及仿真模型，采用FTP75标准工况进行了A、B车型的仿真对比。仿真的结果分别如图3、图4所示。

图3　FTP75工况下里程（纯电动汽车模型A）

图4　FTP75工况下里程（纯电动汽车模型B）

表3　仿真结果比较

图3是没有使用再生制动复合控制策略模型的仿真结果，图4是使用再生制动复合控制策略模型的仿真结果。可以明显看出，加入复合再生制动控制策略后，纯电动汽车运行过程中车速变化更加平稳，整体稳定性较好。

表3是A、B纯电动汽车模型仿真结果对比。从表中可以看出，加制动能量回收之前，在FTP75工况下，A汽车模型的续驶里程为17.78 km。加再生制动能量回收复合控制策略的B纯电动汽车模型，同样的条件下续驶里程为30.27km，比A纯电动汽车模型多行驶约60％里程。

5、结论

本文提出了适用于纯电动汽车的再生制动复合控制策略，通过对纯电动汽车模型进行仿真，验证了其较使用传统再生制动控制策略的纯电动汽车在能量回收方面具有很大优势，能有效地增加续驶里程，在节能和行驶稳定性方面优势明显，是比较理想的纯电动汽车再生制动控制策略。

参考文献

[1]林程,王砚生,孟祥峰. 奥运纯电动大客车技术与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2001:2-3.

[2]陈清泉,詹宜巨. 21世纪的绿色交通工具—电动车[M].北京:清华大学出版社,2000:5-6.

[3]叶敏,郭金刚. 电动汽车再生制动及其控制技术[M].北京:人民交通出版社,2013:7-8.

[4]余志生. 汽车理论[M].第4版.北京:机械工业出版社,2006: 108-109.

[5]Jingang Guo,Xiaoping Jian,Guangyu Lin.Performance Evaluation of an Anti-Lock Braking System for Electric Vehicles with a Fuzzy Sliding Mode Controller[J]. Energies 2014, 7:6459-6476.

[6]Ye M, Bai Z, Cao B. Robust sliding model control for regenerative braking of Electric Vehicle[C]. Proceedings of 2006 International Power Electronics and Motion Control Conference. Shanghai, China, 2006:1586-1589.

[7]孙旭.轮毂电机驱动汽车复合制动动力学分析及控制[D].长春:吉林大学,2014.

Multiplex Control Strategy for Regenerative Braking System of Pure Electric Vehicle

Hui Dengfeng
（Zhenjiang of Jiangsu provinceRoad &bridge engineering corporation, Jiangsu Zhenjiang 212017 )

Abstract:Based on conventional control Strategy for regenerative braking system and the braking stability of the automotive, a new multiplex control strategy of regenerative braking system for pure electric vehicle is proposed. Using proposed strategy, simulations of pure electric vehicle by Matlab/simulink and Carsim under FTP75 standard working condition were done, and comparison with traditional parallel regenerative braking control strategy was carried out. The results showed that the proposed strategy not only ensures the braking stability, but also recycles more braking energy and extends the mileage.

Keywords:regenerative braking; simulation; control strategy; pure electric vehicles

中图分类号：U469.7

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-136-04

作者简介：惠登峰，工程师，就职于江苏省镇江市路桥工程总公司。