ECE制動下電動汽車再生制動控制策略仿真研究

謝一兵，王守城，李志富，薛超旭

(青島科技大學 機電學院，山東 青島 266061)

0 引言

隨著汽車數量的增加，石油等化石能源的使用量也不斷增加，最終對環境產生不利影響。根據當前世界上已經探明的石油儲量和消費量計算，世界上的石油資源可能會在未來的30年至40年出現枯竭[1]。電動汽車能夠實現部分或者全部的電能驅動，不僅會減少對石油的依賴而且還能夠實現對環境的保護。本文將主要分析電動汽車再生制動的一些基本原理，然后分析電動汽車實現機電復合制動的相關內容，最后利用MATLAB/Simulink進行仿真。

1 電動汽車再生制動相關原理分析

1.1 基本原理分析

電動汽車的再生制動系統主要包括操作系統、摩擦制動系統以及電動制動系統、控制器、電池儲存系統等[2]。

電動汽車再生制動原理如圖1所示，可以發現，如果駕駛員直接腳剎制動，制動系統中的控制器就會與電動汽車中的電機控制等協調工作，然后將制動命令傳遞到再生制動操縱機構中，當其接到指令之后會根據汽車的實際情況科學合理地分配摩擦以及電機制動力各自所占的比例，若電動制動系統功能失效，則傳統的摩擦制動系統就會起到制動作用。

1.2 能量轉換分析

1.2.1 制動中的能量轉換過程

如果汽車的初始速度為v0，減速行駛，當速度降低到v1時，忽視行駛過程中坡道阻力以及內部系統阻力，則能量關系式為：

其中：m為電動汽車質量；Wa為汽車制動做功；Wb為克服空氣阻力做功；Wf為滾動阻力做功。

實際行駛過程中，Wf和Wb是無法進行回收的，電動汽車制動力包含機械摩擦力以及電機的再生制動力，總體而言只有后者做功才可以被當做能量進行再回收[3]。

1.2.2 能量傳遞過程

汽車制動可以分為正常、緊急和下長坡緩制動三種不同的類型[4]，電動汽車制動過程中能量傳遞如圖2所示。

圖1 電動汽車再生制動原理

圖2電動車制動過程能量傳遞

忽略空氣阻力及坡道阻力，車輪驅動力之間的關系可以簡化為：

Ft=Ff+Fb.

其中：Ft為車輪驅動力；Ff為滾動摩擦力；Fb為加速阻力。

1.2.3 電動汽車制動儲能方式

當前電動汽車常見的再生制動系統儲能方式包含液壓儲能、電儲能以及飛輪儲能等[5]。其中，電儲能在各方面的使用性能都比較好，而且與其他的儲能形式相比，結構也比較簡單，推廣難度小[6]。為了能夠更好地回收和利用制動能量，電儲能系統需要在比功率、成本、充電次數、安全性和放電速度等方面達到使用要求。

2 機電復合制動的主要內容

2.1 數學模型構建

開關磁阻電動機、交流感應電動機都是適合電動汽車的牽引裝置，它們與控制器之間具備比較相似的轉矩變化和功率特點，電動汽車電機的轉速與轉矩、功率三者之間的關系如圖3所示。

2.2 前、后軸利用附著系數分析

前、后軸利用附著系數的計算公式為：

其中：Fxbi為當制動強度為z(z≤0.1時為小制動強度，0.1

水平路面制動過程中，電動汽車的前軸和后軸的法向反力分別為：

其中：G為電動汽車的重力；L為前軸與后軸的間距；?為質心與前軸的間距；b為后軸與質心的間距；hg為質心到地面的高度。

圖3 電動汽車電機的轉速與轉矩、功率關系

3 再生制動控制策略仿真分析

3.1 符合ECE法規的控制策略

本文選用的混合動力電動轎車參數如下：m=1 346 kg，?=1.04 m，b=1.56 m，hg=0.4 m，額定功率Pn=55 kW，額定轉速r=1 382 r/min。在制動過程的多數情況下，電動汽車的速度處于電機恒功率的履蓋區，所以本文分析其恒功率制動情況。

在復合制動的過程中，前軸一般會比后軸先抱死，這說明整體制動的穩定性比較好，但是隨著車速的不斷減小，電制動力則不斷加大，當車速接近最高車速時，制動力大小則會超過ECE的既有規定。

根據所建立的數學模型及上述參數需要提出一個符合ECE法規相關要求的控制策略。圖4為本次制定的再生制動控制策略(比例控制策略)，當制動強度低于0.1時，電制動單獨工作；當制動強度介于0.1至0.7之間時，采用機電復合制動；當制動強度大于0.7時，只有摩擦制動起作用。圖4中，OECH曲線表示理想制動力分配線；OECH折線表示常規制動力曲線；OG、AI分別表示軸間制動力分配系數上、下限；DF曲線表示ECE法規下制動邊界線；D點表示前軸比后輪提前抱死，附著利用率呈現出明顯的下降趨勢，所以為了最大限度地滿足ECE的相關制動法規要求，需要使制動能得到更大的回收，即下邊界線和ECE法規的邊界線呈現出相切的特點；ABCH表示摩擦制動力分配線；OEC曲線與OABC折線所圍成的部分為機電復合制動工作區。

3.2 仿真分析

本文利用MATLAB軟件中的Simulink分別對30 km/h、50 km/h、80 km/h三種不同時速以及z=0.1(小制動強度)、z=0.3(中等制動強度)、z=0.7(緊急制動強度)三種不同制動強度進行仿真模擬。

3.2.1 模型構建

(1) 汽車動力學模型具體構建。以汽車行駛的方程式為基礎構建動力學模型：

其中：Mb為前、后輪機械制動力矩差；Fu1為前輪摩擦制動力；Fu2為后輪摩擦制動力；Fw為空氣阻力；Jw為車輪轉動慣量；w為前、后輪角速度差；mv為車輪質量；a為加速度。

圖4 再生制動控制策略(比例控制策略)

(2) 電機模型構建。電動汽車的再生制動控制和動力輸出過程中需要使用到電機，永磁電機則是一種理想的電機模型,即：

其中：Pm為電機輸出功率；f(nm)為電機輸出轉矩；nm為電機轉速。

(3) 變速器具體構建。變速器在模型構建中需要選擇不同的速比，以此來確保電機和電池開展高效工作。在電動汽車再生制動的過程中，變速器模塊需要接收控制策略模塊計算出來的制動力數值，再生制動功率是接收的制動力數值和車速的乘積。

綜合上述內容建立的電動汽車控制器模型框圖如圖5所示。

圖5 建立的電動汽車控制器模型框圖

3.2.2 常規制動情況下的仿真分析

本次仿真所選擇的電動汽車的電池SOC(剩余電量)初始值是0.7，汽車在不同速度及制動強度下的能量回收率情況如表1所示。從表1中發現：再生控制策略可回收的制動能量十分有限，最高的可回收量也只有7 660 kJ，尤其是對純電動汽車而言，自身的制動強度比較小，并且受到電機轉矩峰值和電池最大充電功率的限制，電動汽車的再生制動力得不到充分利用，能量回收率也明顯較低，但在中等強度下，能量回收情況明顯高于另外兩種情況。

表1 不同車速及制動強度下的能量回收情況 kJ

3.2.3 循環情況下的仿真分析

控制策略模型的主要作用是確定汽車在進行制動的過程中需要的力為多少，而對于所需力的判斷需要以汽車制動時保持的速度以及電池SOC值來進行，而且在確定所需力之后需要對電動制動力和液壓制動力進行合理的分配，同時需要分配前軸和后軸的制動力。

循環工況在本質上更接近于實際行駛的工況，所以對于這種情況進行仿真會更具有現實意義。本文主要對ECE工況以及1015工況(日本制動法規工況)下電動汽車進行仿真分析，兩種工況下的仿真結果如表2所示。其中能量回收效率=制動能量/整車能量耗損，有效回收率=回收制動能量/整車能量耗損。

從表2中發現：兩種工況下，回收率都比較低，所以如果電動汽車采用并聯再生制動控制策略并不能充分地回收制動能量。針對該現象，可以采用單軸串聯控制策略，需要安裝專門的調壓閥，結合傳統制動原理對前軸液壓制動力進行調整。

4 結語

當前人們對環境保護的意識越來越強烈，而傳統的燃油汽車需要消耗大量的石油，不僅可能導致資源危機，而且給環境帶來嚴重破壞。而電動汽車在未來具有良好的應用前景，本文主要對電動汽車的再生制動控制策略進行仿真分析，通過比較之后可選擇更為理想的控制策略。