混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真

第 27 卷第 1 期
2005 年 2 月

武汉理工大学学报?信息与管理工程版 JOU RNAL O F W U T ( I FO RM A T I N &M ANA GEM EN T EN G I EER I G) N O N N

. V o l 27 N o. 1 Feb. 2005

文章编号: 1007- 144X ( 2005) 01- 0116- 05

混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真
过学迅, 张 靖
( 武汉理工大学 汽车工程学院, 湖北 武汉 430070)

摘 要: 制动能量回收是电动汽车的一个重要特性, 也是电动汽车能实现经济性的重要方面。 分析了在混合 动力电动汽车上实现再生制动的必要性和可行性, 对再生制动的控制策略实现进行了分析, 在自主开发的混 合动力汽车仿真研究平台 H EV S I 上, 建立了混合动力电动汽车 H EV 72000 的系统仿真模型, 并应用线控 M 再生制动策略对并联式的制动回收能力进行了仿真研究。 关键词: 再生制动; 仿真; 混合动力; 控制策略 中图法分类号: U 469. 72    文献标识码: A

1 前 言
20 世纪 80 年代以来, 随着世界汽车保有量

2 制动能量回收的必要性
用于传统车辆制动装置的品种繁多, 形式多 样, 如机械式、 液压式、 气动式、 气2液混合式等, 但 就它们的制动工作原理来讲则完全相同, 即它们 都是利用制动装置工作时产生摩擦热的方式来逐 渐消耗车辆所具有的动能, 以达到车辆减速制动 之目的。 然而, 这部分用于制动的能量相当可观。

的增加, 人们对空气质量的日益恶化, 石油资源的 渐趋匮乏等问题引起了高度重视。 世界各国特别 是汽车工业比较发达的国家, 正在致力于研究和 开发 低 污 染 和 无 污 染 汽 车。 纯 电 动 汽 车 EV ( E lect ric V eh icle ) 是取代传统内燃机汽车、 满足 零排放的最终选择。 但是目前电池的能量密度、 充 电时间、 价格、 寿命等问题仍未得到理想的解决, 从而限制着纯电动汽车的发展。 近年来燃料电池 汽车发展十分迅速, 但在成本、 氢能源的制备等方 面仍存在一些急需解决的问题。 因此, 世界许多著 名汽车生产厂商已将研究的重点转向了可实施性 较强的混合动力电动汽车 H EV (H yb rid E lect ric
V eh icle ) 。 混合动力电动汽车一方面可以充分利

用传统汽车的技术成果和工业基础, 另一方面可 以有效减少排放、 降低油耗, 是传统发动机汽车 向零排放电动汽车过渡时期各国政府和汽车制造 商的最佳选择。 混合动力电动汽车与传统汽车相比, 除了能 使发动机工作在高效区, 降低污染减少排放的特 点以外, 另一个重要的区别就是, 它与纯电动汽车 一样可以方便地实现再生制动, 回收一部分传统 车辆在制动过程中损失的能量[ 1 ]。
收稿日期: 2004- 10- 09. 作者简介: 过学迅 (1956- ) , 男, 江苏无锡人, 武汉理工大学汽车工程学院教授. 基金项目: 国家十五 863” “ 计划专项资助项目 (2001AA 501213).

图 1 ECE 工况下能量对比关系

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过学迅等: 混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真

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ECE 工况下能量对比关系如图 1 所示。

按照经典行驶方程 可估算驱动和制动能量 大小, 即
[2]

F b t 为制 驱动力, 当 F b t < 0 时, 为制动力; 当 F b

ECE 工况下, 用于制动的能量与总能量之间的实

C D = 0. 25, Θ= 1. 23, f = 0. 009, m = 1 685 kg,

dv dv + F f + Fw + F i = ? M + dt dt 1 M g f co sΗ+ Θ DA v 2 + M g sin Η C 2 其中, F f 为滚动阻力; F w 为风阻; F i 为坡道阻力; > 0 时, 为驱动力。

时对应关系。 对于不同的行使工况, 制动能量所占 总能量的比例各不相同。 用于检测汽车燃油消耗 量和经济性的几个典型城市工况中, 我国采用的 是 ECE 循环, 日本采用的是 1015 工况, 而美国采 用的是 U DD S 工况。 表 1 为相同条件时, 这 3 种 不同工况下制动能量与总能量的对比关系, 仿真 结果表明: 在这 3 种工况下, 制动能量均占到总能 量的 50% 左右 ( 其中整车参数为: A = 2. 39 m 2 , ? = 1. 01) 。
工  况

表 1 各工况下制动消耗能量与总能量的对比关系
ECE 395 207 U DD S

驱动能量 kJ 制动能量 kJ 制动能量所占 百分比 %

部分有制动摩擦而损耗的能量, 都可以利用电机的 特性, 使电动机工作在发电机状态, 提供制动转矩, 同时将汽车的动能或势能转化成电能回收到储能 装置中用于再次驱动汽车。 根据美国电力科学研究 院 ( EPR I) 对在美国几个城市中的电动汽车实际运 行所作的统计数据表明, 对于在这些城市中频繁 起、 停的公交电动汽车, 再生制动给动力蓄电池组 补充的能量, 能使它的续驶里程增加 10%~ 20% 。 因此, 在混合动力电动汽车驱动系统中实现再生制 动功能是非常重要也是十分必要的。

3 再生制动的工作限制

在制动过程中, 希望能最大限度地回收所有 除空气阻力和行使阻力以外的能量, 然而实际上, 可回收的制动能量的大小取决于多个因素。 ( 1) 在纯电动或混合动力电动汽车上, 只有

Fb t = ? M

由电机驱动的车轮上的制动能量能够沿与之相连 接的驱动轴传送到能量存储系统实现回收, 而非 驱动轮上的制动只能由摩擦制动实现。 ( 2) 是否能对制动能量进行回收取决于电池 放电深度 SO C, 若制动时蓄电池的 SO C 值很高, 为保护蓄电池, 延长电池使用寿命, 不能进行制动 能量回收。 ( 3 ) 受到电池充电功率的限制, 回收功率不 能超过电池当时最大充电功率。 ( 4 ) 电机发电能力的限制, 可由再生制动产 生的最大制动转矩不可能超过当时转速和功率下 电机发电能力, 当制动强度大时, 电机再生制动往 往不能满足制动要求。 ( 5 ) 若电机位置在变速器前, 对于手动变速 器和机械式自动变速器, 减速换档时, 变速处于空 档位置, 从车轮到电机的动力传递被切断, 电机不 能实现再生制动。 由于以上种种原因, 混合动力电动汽车的再 生制动必须与传统的摩擦制动配合工作, 方能实 现安全有效的减速制动。在制动过程中, 2 种制动 力之间的一种相互关系如图 2 所示。 如何分配摩 擦制动和再生制动之间的关系, 协调控制二者的 分配比例, 成为再生制动系统的关键问题。

t

消耗能量 E =

P F ∫d t = ∫v d t 。 图 1 显示了

J ap an1015 1 814 938

28 241 13 432 47. 6

52. 3

51. 7

混合动力电动汽车在减速和下长坡时, 对于这

图 2 再生制动和摩擦制动关系

4 再生制动控制策略
4. 1 前后轮的制动力分配原则

图 3 整车垂直载荷分布示意图

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整车垂直载荷分布示意图如图 3 所示。 当汽 车加减速时, 加速度会引起前后轮上垂直载荷的 重新分配。 当汽车的加速度为 j 时, 忽略风阻和滚 动阻力, 地面作用于前后轮的法向反作用力为
N N
f

略中再生制动能量不能总是最大, 多数情况下, 摩 擦制动总是协同工作。

= =

mg (b L

hg

j ) g

r

  因此为保证最佳的制动稳定性, 理想的前后 轮上制动力分配应满足如下关系 F bf Α+ h g ( j g ) = F br b - hg (j g )
F bf + F br = m g j
图 4 理想制动力分配曲线图

图 4 为汽车前后轮的理想制动力分配曲线 图。 在传统制动系统中, 常采用前后制动器制动力 之比为定值。 并且为了保证制动安全性, 使后轮不 先于前轮抱死, 前后制动力的实际分配曲线位于 理想制动力分配曲线下方。 4. 2 再生制动和摩擦制动分配策略 4. 2. 1 比例制动策略 通常, 再生制动控制策略采用的是按比例控 制方法[ 3 ]。 按照制动踏板的位置, 按一定的比例地 分配摩擦制动和再生制动力的大小, 假设 X % 由 再 生制动提供, 另外的 ( 100 - X ) % 则由摩擦制 动提供, 两者之间的相互关系如图 5 所示。 当制动 踏板转角很小 (C 3 以下) 时, 要求的制动力不大, 制动力全部由再生制动提供; 当制动踏板转角增 加时, 摩擦制动力从零到最大线性增加, 所占总制 动力的大小基本保持不变, 同样电机的再生制动 力的大小也占固定比例。 比例控制策略的硬件设备与传统制动系统相 似, 液力制动力的控制是基于驾驶员踩制动踏板 的程度, 仅需增加一个比例阀, 由比例阀减少车轮 液力缸 (W C ) 中来自主液力缸 (M C ) 的压力, 并调整前后轮上制动液压的比例关系, 但是此策

mg j ( Α+ h g ) L g

图 5 比例控制策略中制动力分配关系

4. 2. 2 线控制动策略

再生制动系统中如果使用线控制 动 BBW (B rake- by- w ire ) 策略, 则可以实现理想的复合 控制, 而不需要考虑驾驶员施加在制动踏板上的 力[ 4, 5 ]。再生线控制动的控制策略如图 6 所示。当 有制动信号时, 根据制动踏板的位置计算得到驾 驶员所需的总制动力, 并根据理想的制动力曲线 分配于前后轮上的制动转矩 T bf , com 和 T br, com ; 根

图 6 线控再生制动策略

图 7 电机发电特性图

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据电池管理器提供的电池当前的电压、 内阻, 可得 到电池当前的最大充电功率, 根据电机控制器传 来的电机转速以及电池当前可充功率大小, 通过 电机的特性图 ( 如图 7) 计算得到电机的最大再生 力矩 T m , m ax。 相应的驱动轮上的最大制动转矩为 T reg , m ax ( 此值的计算根据电机所处位置不同而不相 同, 图 6 是按照电机位于变速器前) ; 轮上分配的需 求制动转矩 T bx , com 与最大再生制动转矩 T reg , m ax 相 比较, 如果 T bx , com < T reg , m ax , 则驱动轮上的制动力 全部由电机提供, 再生力矩大小等于驱动轮上分配 的制动力矩; 如果 T bx , com ≥ T reg , m ax , 则摩擦制动器 将参与汽车制动进行复合制动, 电机以最大再生 力矩工作, 剩余部分由摩擦制动补足。 线控策略理论上可以提供最佳的制动力分 配, 实现最大的制动稳定性, 并尽可能地实现再生 能量最大化。 线控系统必须实现准确测量制动主缸压力, 模拟适当的脚感, 考虑电池 SO C、 电机转速和传 动比来计算再生转矩大小, 并且要解决安全和可 靠性问题, 因此线控制动技术价格昂贵。

主开发的用于混合动力汽车研究的仿真软件平 台。 软件界面采用 C + + 与M a t lab 混合编制的方 式, 以前向仿真的思想, 运用 M a t lab Sim u link 图 形化建模方式建立了各个部件的前向仿真模型 库, 可以实现各个车型的拼装并进行动态仿真。 国家 863” “ 电动汽车专项资助项目所研制的 H EV 7200 混合动力电动汽车是以蓝鸟车为基础 改装的, 其驱动系统结构如图 9 所示 ( 图 9 中黑色 箭头为再生制动时的能量流向) 。

图 9 H EV 7200 总体布置示意图

5 线控再生制动策略仿真及分析
在研究和开发混合动力汽车的部件和选择最 佳结构时, 需要设计和制造者能够很快缩小研究范 围, 找到技术的突破口。 技术方案选择阶段, 在系统 选择上, 可依靠高效的建模工具计算机, 通过交替 使用候选的子系统进行模拟仿真, 从而找到最佳的 方案。 计算机模型为每个候选子系统提供了详细规 格和设计参数, 从而方便了设计者的工作, 而且还 有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划。 目前, 国外用于混合动力汽车的仿真软件很 多, 例如, S I PL EV 、 rSi、 M Ca ADV ISO R、 PSA T、 HV EC、 CSM 、 EV 和 V 2E lp h 等。而国内还没有 H 比较系统和成熟的混合动力汽车仿真软件。 H EV S I 是武汉理工大学汽车工程学院自 M

在 H EV S I M 中 建 立 H EV 7200 整 车 Si u link 仿真系统。 其中按照所提到的线控策 m 略, 对制动控制模块进行建模, H EV 7200 总体布 置示意图如图 10 所示。T reg , m ax = i0 ig T m , m ax ( i0 为 主减速器传动比, ig 为变速器传动比 ) 。采用
ECE 工况, 设定电池的初始 SO C 为 0. 7, 若采用后

轮驱动, 仿真结果, 回收能量为78. 0 kJ , 占总能量 的 19. 8% ; 若采用前轮驱动, 则回收能量为89. 3 kJ , 占总能量的22. 6% 。 前轮驱动的回收效果将优 于后轮驱动。

6 结 论
再生制动系统作为电动汽车的重要组成, 对 电动汽车实现燃油经济性具有重要作用。 在设计 再生制动系统时要折衷考虑可回收能量的大小, 系统的复杂性, 开发的周期和成本以及制动的安 全性之间的关系。

图 10 H EV 7200 总体布置示意图

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武汉理工大学学报?信息与管理工程版
[C ]. Ko rea: 2002. 438- 448.

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  笔者在考虑了电池 SO C, 电机再生能力等限 制条件, 建立了线控再生制动系统模型, 由仿真结 果可以看出采用线控制动策略进行制动能量回 收, 在满足制动稳定性要求的前提下, 能实现较高 的回收效率。 由于制动时前轮分配较多的制动力, 采用前轮驱动, 可回收较多的制动能量。 参考文献:
[ 1 ]  Yeo H , K i T , K i C , K i H. Perfo rm ance A na 2 m m m lysis of R egenera tive B rak ing System fo r Pa ra llel H yb rid E lectric V eh icle U sing H I S [A ]. EV S19 L

[ 2 ]  余志生. 汽车理论 ( 第 3 版) [M ]. 北京: 机械工业出

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[ 3 ]  陈清泉, 孙逢春, 祝嘉光. 现代电动汽车技术 [M ].

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[ 4 ]   Gao Y, Eh san i M . E lectron ic B rak ing System of EV In teg ra tion of R egenera tive B rak ing, A u tom a tic B rak ing Fo rce Con tro l and AB S [J ]. SA E Pap er, 2002- 01- 2478. [ 5 ]  N akam u ra E. D evelopm en t of E lectron ica lly Con t 2 ro lled B rake System fo r H yb rid V eh icle [J ]. SA E Pap er, 2002- 01- 030.

M odel ing and S i ula t ion of a Regenera t ive Brak ing System in HEV m
Guo X uex un , Z hang J ing

Abstract: T he necessity and fea sib ility of rea lizing regenera tive b rak ing in hyb rid electric veh icles a re ana lyzed. Con tro l stra teg ies a re p resen ted. A si u la tion m odel of H EV 7200 is estab lished on the H EV S I p la tfo rm. B rak ing- by- w ire m M stra tegy is u sed to study the series b rak ing recovery ab ility. Key words: regenera tive b rak ing; si u la tion; hyb rid electric veh icle; con tro l stra tegy m

Guo Xuexun: P rof. ; Schoo l of A u tom o tive Eng ineering, W U T , W uhan 430070, Ch ina.

[ 编辑: 王志全 ]


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