双电机驱动电动汽车再生制动控制研究

韩爱国 刘奕驿

摘 要：为提高纯电动汽车再生制动过程中的能量回收率，文章以某一前、后双电机驱动的纯电动汽车为对象，针对纯电动汽车再生制动过程中机械制动力与电机制动力的分配进行研究，合理的分配前、后轴上机械制动力与电机制动力各自的比例，并引入相关影响因子对电机制动力进行修正，制定了经济性控制策略，最后用Simulink和Cruise软件进行联合仿真。结果表明，采用经济性控制策略能够提高制动能量回收率，且在车速波动更为频繁的城市工况下更有利于电动汽车回收制动能量。

关键词：双电机驱动;制动能量回收;影响因子;Simulink

Abstract： To improve the braking energy recovery rate of the pure electric vehicles in the process of regenerative braking， this paper takes a dual motor drive the pure electric vehicles as the object， in view of the pure electric vehicle regenerative braking during the process of mechanical braking force and to study the mechanism of electric power distribution， reasonable distribution of mechanical braking force on the front and rear axle and the mechanism of electric power in proportion to the respective， and introducing relevant impact factors to modify mechanism of electric power， then the optimal economic control strategy is developed， finally using Simulink and Cruise joint simulation software. The results show that the optimal economic control strategy can improve the braking energy recovery， and is more beneficial to the recovery of braking energy in electric vehicles under the urban conditions where the speed fluctuation is more frequent.

前言

隨着石油资源枯竭以及环境污染问题的日益严重，节能优势明显的电动汽车得到迅速发展和应用，如何提高电动汽车的续航里程成为了研究重点。电动车的再生制动技术能够回收制动过程中摩擦消耗的部分制动能量，提高整车的能量效率，延长续驶里程，同时也可以减轻制动器的热负荷，提高行驶的安全性和经济性。

目前，国内对于再生制动控制策略的研究大部分都是基于三种典型的控制策略，郭栋等人[1]以某一后轮驱动的电动车为研究对象，对简单并联控制策略进行了改进;王超[2]在理想制动力分配控制策略的基础上，考虑了电机制动特性，提出了针对插电式四驱混合动力汽车的制动控制策略。本文主要针对再生制动过程中机械制动力与电机制动力的分配进行研究，以双电机驱动纯电动汽车为研究对象，通过合理的分配前、后轴上机械制动力与电机制动力各自的比例，达到提高能量回收率的目的，并通过仿真分析，验证了本文提出的控制策略的实用性。

1 纯电动汽车制动力分配

本文选择双电机驱动电动汽车为研究对象，忽略制动过程中空气阻力和滚动阻力的影响，受力分析如图1所示。

式中：Fz1和Fz2分别为制动时地面对前轮和后轮的法向反作用力;G为作用在整车上的重力;L为轴距;a和b分别为质心到前、后轴的距离;hg为质心高度;z为制动强度。

制动过程中，当前后轮同时抱死时，可得：

式中：Fxb1和Fxb2分别为前、后轮地面制动力;φ为路面附着系数。

由式（4）可得到前后轴制动器制动力的理想分配曲线，即I曲线。当前后轮制动器制动力按照 I 曲线分配时，无论φ为何值，前后轮总是同时抱死，保证制动稳定性和较高的路面附着系数利用率。

对于本文所研究的纯电动汽车，其前后轮制动器的制动力分配比例关系设置为固定值β，β即制动力分配系数，则有：

2 制动力分配策略

2.1 再生制动控制策略的选择

汽车再生制动控制策略的核心就是制动力的分配问题，在进行制动力分配策略的研究时主要集中在以下两个问题：一是如何分配前后轴的制动力;二是如何分配摩擦制动力和再生制动力。当前主要存在三种典型的制动力分配控制策略：理想制动力分配控制策略、最佳制动能量回收控制策略、并联再生制动力分配控制策略。研究表明，并联控制策略具备结构简单、成本低和制动稳定性好等特点，便于大范围推广使用，虽然其制动能量回收率较低，但可通过对控制策略的优化来提高[3]。

本文基于典型制动力分配控制策略，结合电动汽车的理想制动力分配曲线（I曲线），建立了能量回收率较高的经济性控制策略，即图2中的OABCDE线。由于本研究中的电动汽车为双电机四轮驱动，故在此对前后轴的制动力进行重新分配，使电机尽可能多地参与制动[4]，本文提出的经济性控制策略如图2所示。

2.2 电机制动力的修正

在制动过程中，再生制动能够回收能量的与电机此时的工作状态及电池工作状态有关[6]，此外当由小强度制动过渡到大强度制动时，电机制动力矩需要退出过渡到纯液压制动模式，为防止电机制动力产生突变影响制动时的平顺性，因此引入相关影响因子，对制动过程中的电机制动力进行修正[7]。

（1）车速影响因子i1。根据电机外特性图，在电机转速很低时，电机能够提供的转矩很小，此时不进行能量回收。设置车速门限值为Vl、Vh，i1表达式如下：

（2）SOC影响因子i2。当电池SOC高于某一值时，为了保护电池则不再进行充电，设置SOC门限值SOCh、SOCl，i2表达式如下：

（3）制动强度影响因子i3。为了保证在制动强度较高时电机制动力的退出较为平缓，引入制动强度影响因子i3，设置制动强度门限值zh、zl，i3表达式如下。

3 控制策略的建模与仿真

为了验证本文提出的经济性控制策略，在MATLAB/ Simulink平台下建立再生制动系统仿真模型，在Cruise软件里搭建純电动汽车的整车模型，并进行联合仿真。

本文设计的经济性控制策略模型如图3所示，电机制动力修正模块如图4所示。在制动过程中，控制策略根据整车的车速、制动强度以及此时电池的工作状态，确定此时需求的总制动力以及前、后电机制动力及机械制动力的比例。

4 仿真及结果分析

循环工况反映了车辆运行的实际状况，仿真结果更具有参考价值[8]。NEDC循环工况的最高车速较高，循环时间较长，包含了市区和市郊工况，能够比较真实地反映车辆运行情况[9]。故本文选取新欧洲循环测试NEDC作为试验循环。将动力电池初始SOC值设置为0.8，在NEDC循环工况下分别对原车策略、Cruise自带策略和本文设计的经济性策略进行仿真。为了确定本文设计的控制策略能够在实际行驶中满足要求，本文对NEDC工况需求的车速与汽车的实际车速进行了对比，车速跟随情况如图5所示，此外选择电池的SOC作为监测目标，用以验证所设计控制策略能量回收的效果，NEDC循环工况下电池SOC变化结果如图6所示。

由图5可知，加入设计的经济性控制策略后，汽车的当前车速与工况需求车速基本吻合，验证了控制策略的可行性。

由图6可知，在NEDC循环下，采用本文设计的经济性策略，电池的SOC整体下降的更为缓慢;在1100s后，采用经济性策略和Cruise自带策略的SOC都会小幅上升，这是由于1100s后汽车开始进行连续减速，此时会回收制动过程中的能量，且由图中可看出，采用经济性策略的汽车回收的能量最多。

为了更加直观的反映控制策略对整车续驶里程的影响，在NEDC循环工况下使汽车行驶至电池SOC从0.8减小至0.7，对三种控制策略进行仿真验证，原车策略、Cruise自带策略和经济性策略下，整车的续驶里程如表2所示。

5 结论

通过对典型的制动力分配策略进行分析，提出能量回收率更高的纯电动汽车经济性控制策略。根据上述经济性控制策略，利用MATLAB/Simulink搭建模型进行仿真。

仿真结果表明，采用经济性控制策略，能够满足制动安全性和稳定性要求，与原车相比，回收的能量显著增加，续驶里程可增加10.8%。

参考文献

[1] 郭栋，朱文平，孙宇航，等.城市电动公交车制动能量回收控制策略研究[J].汽车工程，2006，38（03）：11-15.

[2] 王超.插电式混合动力汽车制动模式切换协调控制策略[D].重庆：重庆大学，2018.

[3] 李旭健.再生制动与纯电动汽车机电耦合系统协调控制[D].北京：清华大学，2017.

[4] LIAN Yu-feng，TIAN Yan-tao，HU Lei-lei，et al.A new braking force distribution strategy for electric vehicle based on regenerative brak -ing strength continuity[J].Journal of Central South University， 2013， 20（12）：3481-3489.

[5] 姬芬竹，杜发荣，朱文博.基于制动意图识别的电动汽车能量经济性[J].北京航空航天大学学报，2016，42（01）：24-30.

[6] 王燕然.分布式驱动电动汽车复合制动系统设计[D].杭州：浙江大学，2019.

[7] 苏玉青.汽车制动能量回收系统控制策略研究[D].南京：南京航空航天大学，2017.

[8] 吕奉阳.纯电动客车再生制动与气压制动协调控制策略研究[D].长春：吉林大学，2009.

[9] 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（01）：23-27.

[10] 杨海圣，姬芬竹，杨世春.基于Simulink_Cruise联合仿真的制动能量回收系统研究[J].控制工程，2018，25（06）：140-144.