混合动力串并联制动能量回收策略设计与仿真
2018-10-09何艳则李敏刘国弟谭浩钟田财
何艳则 李敏 刘国弟 谭浩 钟田财
摘要： 以某并联混合动力汽车为研究对象，提出一种对比汽车串联和并联制动能量回收系统的仿真方案。利用MATLAB/Simulink平台搭建控制策略，并与AVL Cruise进行联合仿真，用电池端能量评价制动能量回收率对经济性的影响。仿真结果表明：串联式制动能量回收系统是较为理想的选择。
关键词：混合动力； 制动能量回收； 串联； 并联； 控制策略
中图分类号： U463.99
文献标志码： B
Abstract：Taking a parallel hybrid power vehicle as the research object， a simulation scheme for comparing different automobile braking energy recovery systems of parallel and series is proposed. The control strategy is built using MATLAB/Simulink platform， the simulation is performed with AVL Cruise， and the energy of the braking energy recovery rate is evaluated by the battery end energy. The simulation results show that the series braking energy recovery system is an ideal choice.
Key words：hybrid power； braking energy recovery； series； parallel； control strategy
0 引 言
回收制动能量是纯电动汽车和混合动力汽车最重要的特性之一。[1]在车辆减速过程中，车辆的动能通过电机转换为电能，并储存在电池中，得以再次利用。
制动能量回收系统的研究是纯电动汽车和混合动力汽车开发过程中的一个重要环节，该回收系统的性能主要依赖于自身结构类型和控制策略。制动能量回收过程中，在保证整车制动安全的前提下，电机制动占总制动比例越大，能量回收率越高，对整车经济性越有利。制动能量回收系统主要分为并联和串联2种方式。[2-3]目前，研究制动能量回收系统对车辆能量利用率、经济性影响的文献[4-7]较多，但对串、并联制动能量回收系统仿真对比的研究较少。
本文介绍串联和并联式制动能量回收系统的原理，在混合动力联合仿真模型中设计2种形式制动系统控制策略，对比分析串联与并联式制动能量回收系统在不同控制策略下的制动能量回收率，以及对混合动力汽车纯电动模式下续航里程的影响。
1 制动能量回收系统原理
1.1 串联式制动能量回收系统
串联式制动能量回收系统最重要的特点是通过优先使用再生制动扭矩，实现高效的制动能量回收，其前、后机械（液压）制动力可以调整，作用在驱动轮上的制动力由电机制动力和机械制动力2部分组成。在满足一定条件下进行能量回收时，电机制动可占主导地位，不足部分由机械制动补充。与传统的机械制动车辆相比，驾驶员的制动感觉基本相同，电机制动应提供获得最大能量回收的条件。然而，电机制动力和前后机械制动力需要调整，会增加一些复杂结构，同时还要配合ABS系统的实时控制要求。串联式制动能量回收系统制动扭矩分配示意见图1。
1.2 并联式制动能量回收系统
并联式制动能量回收系统的结构和控制简单，保留传统制动的主要部件，其最大的特点是电机制动扭矩叠加在机械制动扭矩之上。
并联式制动能量回收系统分为滑行回收和制动回收2个阶段。在滑行回收阶段，制动踏板开度非常小，存在踏板空行程，即机械制动扭矩存在死区，此时机械制动扭矩较小，电机制动起主导作用，回收部分制动能量。随着制动踏板行程的增加，进入到制动回收阶段，机械制动和电机制动同时作用，回收部分制动能量。并联式制动能量回收系统制动扭矩分配示意见图2。
2 制动能量回收系统控制策略设计
基于串、并联式制动能量回收系统扭矩分配原理，仿真模型设计分为2个阶段：第一制动阶段为踏板空行程回收；第二制动阶段为联合制动回收。[8]制动扭矩分配控制策略原理如下。
（1）确定减速工况且变速器置于非空挡：若车速
（2）进入第一制动阶段（踏板空行程回收，制动踏板深度≤b%），完全进行电机制动，且电机制动加速度为d m/s2。
（3）若第一制动阶段不满足减速需求，则继续加大制动踏板深度。当制动踏板深度>b%时进入第二阶段。
（4）在第二制动阶段：串联式制动能量回收系统为电机优先制动，制动不足的部分由机械制动补充；并联式制动能量回收系统为机械制动，制动扭矩可由制动压力与制动扭矩对应关系查表得出，电机制动扭矩=驾驶员制动需求扭矩-机械制动扭矩。
并联式制动能量回收系统的第一制动阶段可最大限度地利用电机进行再生制动，机械制动为0。假设空行程最大限制为a%，制动加速度为d m/s2，若第一阶段电机制动不满足整车制动工况中的减速需求，则需要踩制动踏板进入第二制动阶段。制动扭矩控制策略设计流程见图3。
3 仿真分析和计算
3.1 循环工况制动能量
国内轻型车辆燃料消耗测試基于欧洲NEDC循环驾驶工况实现。NEDC循环由4个城市驾驶循环和1个郊区驾驶循环组成，共有28种驾驶工况，包括怠速、恒速、加速和减速等。
NEDC循环共有18个减速工况，其中：城市驾驶循环包括4个制动减速工况，即15 km/h→0 km/h、32 km/h→0 km/h、50 km/h→35 km/h、35 km/h→0 km/h；郊区驾驶循环包括2个制动减速工况，即70 km/h→50 km/h和120 km/h→0 km/h。
NEDC循环（见图4）规定整车参数、阻力等负载固定，整车NEDC循环减速产生的能量为定值，阻力消耗的能量确定，即理论上可回收的最大能量固定。电机能量回收系统的选型和控制策略设计，对电机能量回收具有重要影响。
以PHEV+P2+CVT并联式混合动力汽车为研究对象，整车纯电动运行模式见图5，基本参数见表1。
3.2 再生制动评价指标
文献[9]结合制动过程中能量的流动情况，考虑部件在传递过程中的损失，提出电动车制动能量回收的3个评价指标：制动能量回收率、节能贡献度和续航里程贡献度。制动能量回收率针对单次制动过程。本文针对循环工况提出一种以电池输入和输出端能量衡量再生制动贡献率的评价方式，即
式中：η为再生制动贡献率；Ein为电池净输入能量；Eout为电池实际放电能量，包括电池回收能量和放电能量。
3.3 仿真结果
基于MATLAB/Simulink建立混合动力汽车制动能量回收及整车模式判断、扭矩分配的计算模型，并与AVL Cruise联合仿真，续航仿真采用NEDC工况。针对第一制动阶段，分别设置10%和15%空行程，并对第一制动阶段加速度进行标定（0～0.1g）。不同空行程、不同制动加速度对应的再生制动贡献率见图6。
由图6a）可知：第一制动阶段加速度对串联系统影响较小；对于并联系统，第一制动阶段加速度越大（最大为0.1g），制动能量回收率越高，对经济性越有利。第一制动阶段加速度最大时，并联系统接近串联系统的能量回收效果，再生制动贡献率可达到14%。
由图6b）可知：第一制动阶段踏板空行程和制动加速度对串联系统影响较小；对于并联系统，第一阶段制动加速度为0.05g～0.07g时，增大制动空行程比例可提高制动能量回收率。
10%空行程对应的纯电动续航里程见图7。由此可知：并联系统制动能量回收率减小4%，影响续航里程约2 km；在几乎不考虑驾驶员制动感觉的前提下，第一制动阶段加速度越大，并联系统的能量回收率越接近串联系统。
4 结 论
（1）结合某混合动力汽车车型，采用将串、并联控制系统集成在同一种模型中的仿真方法，用电池端能量评价制动能量回收率对经济性的影响。
（2）基于AVL Cruise和MATLAB/Simulink联合仿真，可节省大量时间和成本，尤其可在项目开发前期对制动能量回收系统选型提供一定参考。
（3）对比串、并联式制动能量回收系统的不同控制策略，认为串联式制动能量回收系统是较为理想的选择，并联式制动能量回收系统在较大空行程比例、较大加速度的情况下，也可以达到与串联系统相当的效果，但会影响驾驶员的制动感觉。
参考文献：
[1] PENG D， ZHANG Y， YIN C L， et al. Combined control of a regenerative braking and antilock braking system for hybrid electric vehicles[J]. International Journal of Automotive Technology， 2008， 9（6）： 749-757. DOI 10.1007/s12239-008-0089-3.
[2] EHSANI M. 现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车——基本原理、理论和设计[M]. 2版. 熊素铭， 译. 北京： 机械工业出版社， 2010： 346-353.
[3] GAO Y M， CHU L， EHSANI M. Design and control principles of hybrid braking system for EV， HEV and FCV[C]//Proceedings of 2007 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Arlington： IEEE， 2008. DOI： 10.1109/VPPC.2007.4544157.
[4] 董晗， 刘昕晖， 王昕， 等. 并联式液压混合动力系统制动能量回收特性[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2014， 44（6）： 1655-1663. DOI： 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201406019.
[5] 苏航. 纯电动汽车制动能量回收效率试验方法研究[J]. 客车技术与研究， 2017， 39（3）： 50-52.
[6] 初亮， 蔡健伟， 富子丞， 等. 纯电动汽车制动能量回收评价与试验方法研究[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2014， 42（1）：18-22. DOI：10.13245/j.hust.140105.
[7] 张俊智， 陆欣， 张鹏君， 等. 混合动力城市客车制动能量回收系统道路试验[J]. 机械工程学报， 2009， 45（2）： 25-30. DOI：10.3901/JME.2009.02.025.
[8] 李敏， 何艳则， 牛大旭， 等. 基于能量回收率的空行程阶段电机制动速度标定方法： CN107885953A[P]. 2018-04-06.
[9] 初亮， 刘达亮， 刘宏伟， 等. 纯电动汽车制动能量回收评价方法研究[J]. 汽车工程， 2017， 39（4）： 471-479. DOI： 10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.016.
（編辑 付宇靓）
