某纯电动汽车制动能量回收策略研究

2021-02-28冯海波许恩永

现代信息科技 2021年16期

冯海波许恩永

摘要：以东风柳州汽车有限公司某款纯电动商用车为研究对象，研究了商用车制动能量回收策略及理论。以制动踏板开度和制动踏板开度变化率为模糊控制器的输入变量，以再生制动力分配因子为输出变量。在Matlab/simulink软件中搭建控制策略模型，在AVL Cruise软件中搭建纯电动商用车的整车模型，并进行联合仿真与验证。

关键词：纯电动商用车;制动能量回收;模糊控制

中图分类号：TP391.9;U469.7 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）16-0062-05

Research on Braking Energy Recovery Strategy of Pure Electric Vehicle

FENG Haibo1， XU Enyong2

（1.Concordia University，Canada Montreal H4B IR6; 2.Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545005， China）

Abstract： Taking a certain pure electric commercial vehicle of Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd. as the research object， The strategy and theory of braking energy recovery of commercial vehicles are studied. Taking the brake pedal opening and the brake pedal opening change rate as the input variables of the fuzzy controller， and the regenerative braking force distribution factor as the output variable. Build a control strategy model in Matlab/simulink software， build a complete vehicle model of a pure electric commercial vehicle in AVL Cruise software， and conduct joint simulations and verification.

Keywords： pure electric commercial vehicle; braking energy recovery; fuzzy control

0 引言

随着环境污染和资源匮乏等问题的日益凸显，节能减排逐渐成为汽车行业发展方向[1]。纯电动汽车具有低噪音、零污染和节能环保等优点，成为车企的研究重点之一。制动能量回收是纯电动汽车在制动减速过程将浪费的动能经电机转化为电能，储存到电池中的技术[2，3]。

目前，许多高校和科研机构都对制动能量回收技术进行了大量的研究，贵州大学的李家春[4]针对贵州省多山地坡道的路况，提出了一种最佳舒适性串联制动策略，仿真结果表明该策略在减速过程中不仅具有较好的舒适性，在制动能量回收效率也有较大提升;山东理工大学的初敏[5]针对后驱式纯电动客车，提出了一种最佳就制动能量回收策略，最大程度回收制动过程中能量，仿真表明该策略有效提高了制动能量回收效率，节能效果明显;西北工业大学的高爱云[6]提出了基于模糊控制的制动能量回收策略，并进行了硬件在环仿真，仿真结果表明驾驶员的制动感觉较好，能量回收效率得到有效提高;清华大学的张抗抗[7]针对后驱式纯电动汽车进行了串、并联制动能量回收策略的研究。

制动能量回收策略的研究主要集中于纯电动乘用车，对于纯电动商用车的研究较少。本文以后驱式纯电动商用车为研究对象，提出了一种基于模糊控制的制动能量回收策略。在Matlab/simulink软件搭建控制策略模型，在AVL Cruise软件中搭建纯电动商用车的整车模型，在NEDC工况下进行联合仿真。

1 汽车制动过程理论分析

1.1 制动能量回收原理

所研究的纯电动商用车的驱动方式为后驱式，其制动能量回收系统包括制动踏板及传感器、整车控制器、电机及其控制器、电池及其控制系统、气压控制器等。纯电动商用车的制动能量回收系统会根据制动踏板信号计算需求总制动力，根据所制定的制动能量回收策略完成前后轮制动力以及驱动轮机械制动力和再生制动力的分配。

纯电动商用车在制动过程中，驱动力由于惯性带动电机旋转，转子切割磁感线的方向与电机状态相反，使得转子导体产生反向的感应電动势和感应电流，电机处于发电状态[8]。在此过程中，电机的电磁转矩方向也会随之发生改变，电磁转矩的方向与电机的旋转方向相反，电机发挥制动作用，电机的特征曲线如图1所示。

纯电动商用车以某一车速稳态行驶时，假设电机的特性曲线如图1中的曲线f1所示，电机工作在A点，拖动转矩为TL，处于第一象限驱动汽车行驶;当汽车制动时，再生制动开启并控制电机的定子的频率降低，此时电机的特性曲线由f1转为f2，但是转子的转速由于惯性无法实现迅速降低，此时工作点由A变化到B。此时电机的转矩为负，电机处于发电状态。随着车速的下降，电机的工作点会沿f2曲线变化到D点。

若汽车继续制动减速，电机将持续处于发电状态，并会使电机的工作特性曲线在第二象限，电机转速也会随频率的下降而下降，当电机的频率降为0时，电机的特性曲线如曲线f3所示，工作点会从E点变化到O点，表示汽车停车。

1.2 汽车受力分析

汽车在水平路面上行驶，根据驾驶员需求进行制动时，不考虑车轮打滑，附着系数只取一个定值。其受力分析图如图2所示。

由图2对后轮接地点取力矩得：

（1）

式中，FZ1为地面对前轮的法向作用力，N;W为汽车重力，N;m为总质量，kg;e为质心至后轴的距离，m;hg为质心高度，m;为制动减速度，m/s2。

对前轮接地点取力矩得：

（2）

式中，FZ2为地面对后轮的法向作用力，N;d为质心至前轴的距离，m。

令=zg，z定义为制动强度，得地面法向反作用力为：

FZ1=W（d+zhg）/h （3）

FZ2=W（e+zhg）/h （4）

若前、后轮都抱死，则：

FXb=Fφ=wφ （5）

（6）

式中，φ为路面附着系数;Fφ为地面附着力，N。

此时，地面作用于前、后轮的法向反作用力为：

（7）

根据以上公式可知，当制动强度或附着系数变化时，前、后轮法向反作用力也随之变化。

1.3 纯电动商用车主要参数

该款纯电动商用车的整车主要参数如表1所示。

2 制动能量回收策略

2.1 制动力分配

纯电动汽车制动能量回收回收的影响因素有许多，如电机发电性能、电池充电效率和控制策略的制动力分配等。制动能量回收策略是对制动力进行分配提高电机再生制动的占比，制动力的分配主要分为两部分：一是前后轮制动力的分配，二是驱动轴机械制动力与电机再生制动力的分配。

首先，为保证制动的安全性，前、后轮制动力按理想制动力分配曲线（I曲线）分，能够使得纯电动商用车在制动过程中具有较好的制动效果。然后设计模糊控制器，模糊控制器以制动踏板开度和制动踏板开度变化率为输入变量，以再生制动力分配系数为输出变量，对驱动轴的机械制动力和电机再生制动力进行分配。最后将再生制动力指令发送给电机，电机处于发电状态，并将产生电能储存到电池里面。制动能量回收控制策略流程图如图3所示。

2.2 模糊控制器的设计

模糊控制器的输入变量为制动踏板开度和制动踏板开度变化率，设置制动踏板开度和制动踏板开度变化率的论域都为[0，100]，模糊子集均為{VS极小，S小，M中，B大，VB极大};输出变量为再生制动力分配系数，设置其论域为[0，1]，模糊子集为{VS极小，S小，M中，B大，VB极大}。隶属度函数如图4所示。

根据专家经验，制定25条模糊规则，模糊规则表2所示，模糊曲面如图5所示。

3 建模与仿真分析

3.1 控制策略的建模

将上述制动能量回收策略在Matlab/simulink软件搭建出来，如图6所示。

3.2 整车仿真模型

AVL Cruise软件是一款适用于汽车动力学和经济性仿真的专业软件，将纯电动商用车的整车仿真模型搭建出来，如图7所示。

3.3 仿真分析

将电池初始值设置为70%，利用Matlab/simulink软件和AVL Cruise软件在NEDC工况下进行联合仿真。将无制动能量回收策略作为对照，仿真结果如下，NEDC工况如图8所示，电池SOC变化曲线如图9所示。

根据图9的电池SOC变化曲线可以得到，无控制策略的电池SOC终值为66.11%，有控制策略的电池SOC终值为67.09%。在纯电动商用车制动时，制动能量回收明显。

4 结论

在保证制动安全的前提下，依据理想制动力分配曲线对前后轮制动力进行分配;提出一种制动能量回收策略，通过推理出合适的再生制动力分配系数，完成对驱动轴机械制动力和电机再生制动力的分配。

设计以制动踏板开度和制动踏板开度变化率为输入变量，以再生制动力分配系数为输出变量模糊控制器，根据驾驶员对制动踏板的操作，确定再生制动力所占的比重。