电动汽车再生制动控制策略设计与仿真1

绪论1.1引言汽车自从诞生以来发展速度不断加快，它的快速发展对人们生活质量的提高起了推动作用。汽车在当今世界交通中起着不可或缺的作用，人们的生活与汽车联系越来越密切。在作为交通工具给世界带来便利的同时，汽车逐渐不再是简单的代步和运输工具，它已演变为许多人的生活必需品和文化生活的一部分。另外，汽车工业的发展在给人们创造就业机会的同时，也极大促进了科学技术进步与经济发展。可以说，汽车的发展推动人类社会向前进步，标志着一个国家的现代化程度。汽车的发展虽然给人类社会的进步产生了不可替代的巨大推动作用，但是由它带来的问题也需要从业者认真反思。汽车发展面临着来自环境保护、能源短缺、道路交通事故等方面越来越严峻的挑战，并带来了一系列负面效应。随着经济和社会发展，人们对于汽车的需求量逐渐增大，预计到2015年全球汽车保有量将达到11.2亿辆。众所周知，目前道路上行驶的汽车绝大多数都是以化石燃料为动力源供给的，因此，仅仅是汽车燃料消耗就对化石能源的供应及储量带来极大考验，化石燃料的燃烧带来的环境污染及全球气候变化问题日益严峻，需要社会做出积极的应变。面对迫在眉睫的能源、环境与气候变化三大挑战，大力发展新能源车辆即成为汽车行业实现可持续发展的重要途径。目前，新能源汽车的发展以电动汽车为总体趋势和战略重点，这在国际上已逐步形成共识。电动汽车使用电能驱动，它的驱动能来自可以发电的所有能源，能够很大程度上摆脱汽车对于化石燃料的单一依赖，对改善能源结构、保护环境等方面极为有利。发展电动汽车是解决汽车行业发展瓶颈的重要途径，具有很重大意义。1.1.1发展电动汽车的意义及前景所谓电动汽车是指以车载电源为能量源，车轮驱动力部分或全部由电机提供的、符合各项道路交通安全法规的车辆。目前来讲，全部用电机驱动车轮行驶的车辆为纯电动汽车，部分用电机驱动的为混合动力电动汽车。电动汽车具有零排放或低排放、噪声低、整合各种能源加以利用的明显优点，发展电动汽车已成为汽车行业应对能源及环境问题而实施的重大举措。从节能环保、能源战略调整角度讲，内燃机汽车以消耗化石燃料为主。一方面，化石燃料储量有限，汽车用化石燃料消耗与日俱增，给世界能源持续供应带来考验，汽车工业要可持续发展，不会也不可能一直依赖化石能源；另一方面，汽车燃烧化石燃料产生大量温室气体（主要为CO2）及污染物(包括HC、CO、NOX、SO2、微粒及二次污染物等)，汽车排污已成为我国大气最主要污染源之一，解决汽车排污问题已刻不容缓。此外，作为电动汽车能量源的电力来源广泛，可通过煤炭、风能、水能、核能、太阳能等途径获得，这都为电动汽车的发展奠定了基础。电动汽车是一个可持续发展的产物，它既属于汽车，又不同于传统内燃机汽车。电动汽车具有环保、低噪声、排放废热少的特点，最重要的是电动汽车可以将部分能量进行回收二次利用。作为电动汽车驱动机构的电动机可在车辆制动过程中作为发电机回收制动时消耗的动能，从而增加电动汽车续驶里程、提高电动汽车使用经济性。电动汽车的发展有助于能源节约、环境保护，具有广阔的发展前景，它有利于汽车产业的升级及国民经济发展。发展电动汽车可谓功在当代利在千秋，对于整个汽车行业的发展具有极其重要的意义。1.1.2电动汽车的发展历史及现状苏格兰人德文博特（T.Davenport）于1834年改装制造了世界上第一辆依靠电力驱动的车辆，其能量来自一组不可充电的干电池，行驶距离很短。1859年法国人普兰特（G.Plante）发明了可充电蓄电池，为电动车的发展奠定了基础。19世纪末20世纪初是早期电动汽车的黄金时代，许多美国、英国和法国公司都开始生产电动汽车，如Pope公司生产的Columbia型电动汽车以及Riker公司生产的Victoria型电动汽车等。我国的电动汽车研究发展也紧随欧美各大汽车发达国家，具有中国自主知识产权的电动汽车层出不穷。国家计委联合国家科委在“八五”期间正式将电动汽车列入国家研究与攻关项目计划；电动汽车被列入国家重大产业工程是在“九五”期间，这一阶段我国完成了对纯电动轿车的研制和全新纯电动轿车概念车的设计，开发了我国第一辆电动客车YW6120DD和第一辆具有完全自主知识产权的电动公交车BJD6100EV；“十五”期间，我国将电动汽车战略重点转向发展整车和研究关键零部件，并整合相关企业、院校及科研单位有利资源进一步促进电动汽车技术发展；国家在“十一五”期间继续实施以电动汽车市场化作为产品研发导向的战略，以整车为载体重点发展动力传动系统，以关键零部件升级为目标加快建设电动汽车产业链，继续加大政策支持，促进电动汽车市场应用和推广[8]。目前，国家已经制定“十二五”汽车规划，2015年前国家将大力扶持发展节能与新能源汽车关键零部件的发展。电动汽车以其低排放、高经济性等特点经过漫长的沉浮发展，重新走上历史舞台。纵然在以后的十年甚至几十年内电动汽车还不能完全替代传统的燃油汽车，但是电动汽车至少为汽车的长远发展提供了一个最有效的方向，电动汽车也会有更深远的发展。1.2电动汽车发展技术因素虽然现在许多机构都加大了对电动汽车的开发力度，不同程度地完成了样车试制，并有了小量的批量生产和示范运行，但是要认识到电动汽车真正进入人们的生活还有很长的路要走，电动汽车进入产业化还需要攻克各种技术难点。影响电动汽车发展的技术要素主要归结为三大系统：电力驱动系统、能源系统以及能量管理系统。1.2.1电力驱动系统电力驱动系统主要是指将电能转换为机械能的部分，它是电动汽车的核心系统。电力驱动系统的主要组成部分为电气机构、传动机构和车轮等。电气机构作为电力驱动系统的关键部件由电机和相关电子控制器等组成。随着先进电机、功率电子、微电子技术以及控制策略的发展，越来越多的电力驱动装置应用于电动汽车。1.2.2能源系统推广电动汽车尤其是纯电动汽车的主要障碍是续驶里程和初始价格，而电动汽车的能源系统是引起这些障碍的主要原因，也是电动汽车商业化和全面推广的关键因素，已成为电动汽车领域的一个主要研究内容。目前电动汽车用能源系统主要为可储能电池，对储能电池的主要要求有：高比能量和能量密度、高比功率和功率密度、快充和深放电能力、自放电力小、充电效率高、低维修率，以及安全低成本等。1.2.3能量管理系统电动汽车不像传统燃油汽车可以对能量直接管理，而是需要一套能量管理系统，获得车辆运行的各种信息，以便最大限度地利用电动汽车所带的能量。能量管理系统主要由安装在电动汽车上的各种传感器和处理器组成，要实现的功能主要有：（1）优化系统能量分配；（2）提供最佳驾驶模式；（3）预测电动汽车能量源剩余能量和可继续行驶里程数；（4）再生制动时，合理调整能量回收；（5）分析电源工作状态，诊断电源错误工作模式和有缺陷的部件。1.3国内外再生制动技术研究现状在一般内燃机汽车上，当车辆减速制动时，行进能量通过制动系统转变为热能释放到大气中。再生制动是现代电动汽车重要特点，车辆在制动过程中被消耗掉的行进动能可通过再生制动能量回收技术转变为电能储存于蓄电池中，并进一步转化为驱动能量。一般电动汽车再生制动能量回收措施主要包括液压储能、飞轮储能和电储能三种方法。液压储能装置在功率密度方面优势较大，但其缺点在于能量密度低、密封要求较高，而且工作噪声大；飞轮储能装置有质量较轻、占据空间较小、功率密度较大的优点，但它要求高转速、对环境要求苛刻、储能时间短等的缺点制约了它的实用性；电储能装置能量密度较高、结构简单，实际应用较为方便。随着驱动电机技术和电储能技术的逐步发展，电动汽车采用电储能方式回收与利用制动能量的方法越来越显现出其优势。1.4本论文研究意义与主要研究内容基于电动汽车目前的发展现状，尤其在续驶里程偏短成为制约电动汽车推广因素的大背景下，再生制动技术可以促进电动汽车推广。本论文作者在认识到再生制动技术重要性的前提下，通过参考相关技术文献，以一双轴纯电动汽车参数为依据，自主设计了一种再生制动控制策略并利用建模仿真的方法进行验证分析，为其在再生制动系统上的应用奠定了基础，对电动汽车的推广普及具有理论与现实意义。本论文主要研究内容为：（1）对电动汽车再生制动系统的结构、工作原理进行解析，明确制动能量回收效率为影响再生制动技术发展的主要因素；（2）在研究传统内燃机汽车制动过程的基础上，对电动汽车制动过程进行了动力学分析，并明确电动汽车制动力分配对再生制动系统能量回收效率的影响；（3）针对车辆制动稳定性对制动力分配的要求以及提高再生制动系统能量回收效率的目标期望，设计了一种满足ECE制动法规的再生制动控制策略；（4）对所设计的再生制动控制策略进行建模仿真，通过仿真结果验证所设计再生制动控制策略的合理性与实用性。

2再生制动系统结构及原理电动汽车再生制动系统在基本结构和工作原理方面同传统汽车制动系统既有共同点又存在完全不同的技术，传统汽车制动系统为再生制动技术的发展奠定了基础。2.1制动系统结构及原理传统汽车制动系统主要是指应用于内燃机汽车上的行车制动机构，主要用途是能够使车辆在驾驶员根据行驶状况做出制动动作后及时减速或停车。汽车制动行驶时，只有与车辆行驶方向共线反向的力才能使车辆减速或停车，主要是滚动阻力、空气阻力等，但这些外力都是与当时行驶工况、车速、周围环境等密切相关的，很难确定大小且不足以使车辆完成制动，因此汽车上必须装设专门系统对汽车施加一定量的可控制的外力，使得汽车能够按照驾驶人员的意图减速或停车，这种可控制的外力为制动力，专门的系统即为制动系统。2.2再生制动系统基本结构电动汽车制动过程与传统汽车在制动效能方面要求类似，但电动汽车的制动装置与传统汽车相比有较大区别。再生制动是电动汽车在保证制动效能的前提下，通过与驱动轴相连的能量转换装置把一部分动能转换为电能储存起来，达到回收制动能量目标的一种技术。再生制动系统基本工作流程如图2.2所示：实线流程为再生制动制动能量回收过程；虚线流程为车辆驱动过程，本文主要研究实线部分的再生制动能量回收过程。电动汽车的能量转换装置为电机，储能装置为蓄电池。再生制动即是电动汽车制动控制系统通过对相关功率器件开关状态的控制，实现电机转速、转矩大小与方向的改变，从而实现车辆从驱动状态切换为制动状态，进而将部分行进动能转换为电能回收到蓄电池中。再生制动可看作电动汽车在制动过程中电机切换为发电机发电使电量逆流回蓄电池的过程。其基本结构简化为图2.3所示。当汽车需要减速制动时，驾驶员踩踏制动踏板，制动控制器根据制动踏板信号传感器传来的制动踏板行程信号计算出制动要求，同时接收车速、档位、电池状态、电机功率等信号，依据这些控制信号将电机切换为制动状态，进而通过功率变换器为蓄电池充电，实现制动能量回收。2.3再生制动系统工作原理电动汽车除了使用机械制动外还可利用电机进行再生制动，再生制动力大小由制动控制器根据制动控制策略分配获得。通过调节电机两端电压控制电机转向、转速以及转矩完成再生制动任务，再生制动力已确定的前提下，能量回收效率高低很大程度上决定于电机性能，因此电机是再生制动系统的关键部件。2.4制动能量回收影响因素再生制动作为电动汽车一项关键技术，除了要求汽车在制动过程中行驶平稳外，还要有合适的制动能量回收效率作为保障。一般情况下，影响电动汽车制动能量回收效能的因素有储能装置、制动力分配比例、驱动类型、电机性能、行驶工况、控制策略等。（1）储能装置。电动汽车上常用储能装置有蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮等，其中最常用的还是蓄电池。因此，在制动能量回收进行时要充分考虑蓄电池的状态，如果制动过程中蓄电池SOC值超过上限值，表明蓄电池电量充足不需充电，此时不宜进行制动能量回收，否则会损害蓄电池寿命并且有可能引发安全问题[20]。另外，为了保护蓄电池，制动能量回收过程还要充分考虑蓄电池能承受的最大充电电流和充电功率。（2）制动力分配比例。由于电动汽车运行速度较高，制动时仅仅依靠再生制动很难及时减速，这就需要机械制动提供相应的制动力，因此制动过程中再生制动力和机械制动力的比例就显得尤为重要，在保证制动稳定性的前提下，再生制动力所占比例越高，越有利于制动能量回收。（3）驱动类型。从车型角度考虑，目前对于电动汽车研究涉及最多的是双轴电动轿车，但无论双轴电动轿车为两驱型还是四驱型，制动过程中能够回收的能量均只是驱动轮上的行驶动能，而从动轮上的动能只能依靠机械摩擦制动产生热量消耗掉。因此，在保证制动安全的前提下，尽可能多的向驱动轮分配制动力有利于提高制动能量回收效率。（4）电机性能。作为再生制动系统的关键部件，电机的制动能力越好，就可在分配再生制动力与机械制动力时提高再生制动力比例，增加制动能量回收效果。此外，电机的发电效率也对制动能量回收有很大影响。（5）行驶工况。行驶工况对于制动能量的回收影响最直接，若电动汽车行驶在城市交通较拥挤道路上，需要频繁起步、加速、减速，则制动工况较多，提高了再生制动次数，能够增加能量回收效果；若电动汽车行驶在高速公路，很少会出现制动减速工况，制动能量回收较少。（6）控制策略。制动控制策略是电动汽车的软件核心。对于再生制动技术，提高能量回收效率需要依靠合理的再生制动控制策略。再生制动控制策略最关键的内容是在保证制动安全的前提下，最优的分配再生制动力和前、后轮机械摩擦制动力，最大限度的实现能量回收。控制策略的合理性决定了能量回收效率，因此控制策略对于制动能量回收具有非常大的影响。除上述5大主要影响因素外，在制动能量回收及传递过程中，各个部件自身的效率等也会制动能量回收效果产生影响。实际中，在硬件结构及外部行车状况不易改变或控制的条件下，通过设计合理的再生制动控制策略，使得制动力分配合适，是提高再生制动能量回收效率的最有效途径。2.5本章小结本章首先介绍了传统汽车制动系统的结构和工作原理，分析了汽车制动效能的评价指标。其次，对再生制动系统的基本结构和原理进行了阐述，其中详细说明了作为再生制动系统关键部件的电机运行状态切换原理，并在此基础上说明了电机再生制动能量回收的实现原理；此外，本章分析介绍了影响制动能量回收效能的主要因素，为后续设计再生制动控制策略奠定了基础。

3制动过程与制动能量回收关系电动汽车再生制动同传统汽车行车制动相比优势在于可回收制动时消耗的动能，这就带来制动能量回收效率的问题。本文所研究车辆为双轴纯电动轿车，该车整车及相关部件参数如表3.1所示。本章在明确车辆相关部件参数的前提下，以电动汽车制动力分配分析为基础，对制动力分配与制动能量回收效率之间的关系进行研究。3.1制动过程受力分析电动汽车同传统汽车一样制动时在行驶方向主要受行驶阻力和制动力的作用。行驶阻力包括滚动阻力fF、空气阻力WF、坡度阻力iF；制动力即为驾驶员踩踏车辆制动踏板时引起的阻力bF。（1）滚动阻力fF。车轮滚动时，由于轮胎的弹性形变造成弹性迟滞损失而引起的阻碍车轮滚动的阻力偶矩所等效的阻力即为滚动阻力，其大小等于滚动阻力系数与车轮负荷之间的乘积：F=Wf式中，W为车轮负荷；f为滚动阻力系数，它的大小通过试验获得，与行车条件、轮胎当前气压及其构造等因素有关。（2）空气阻力WF。空气在汽车行驶过程中对车辆施加的与其行驶方向共线反向分作用力即称作空气阻力。一般在忽略空气自身流动的前提下讨论空气阻力，其大小为式中，D为空气阻力系数；A为迎风面积；au为汽车行驶速度。（3）坡度阻力iF。当汽车行驶在坡道上时，汽车所受重力沿坡道的分力表现为汽车的坡度阻力，即：F=Gi式中，G为作用于汽车上的重力；i为道路自身坡度。（4）制动力bF。汽车制动过程中要从某一较高车速降到较低车速或者停车，必须对其施加与行车方向相反的外力。车辆制动行驶时，使车速降低的外力只能依靠地面和空气提供。考虑到制动时空气阻力很小，车辆主要依靠地面进行制动，而地面提供的使车辆减速停车的力即为地面制动力。在研究纯电动汽车制动力时，将车轮的运动简化为纯滚动、抱死拖滑状态。如图3.1所示，车轮在纯滚动状态时地面制动力XbF大小与制动装置提供的制动力bF大小相等，且与制动强度成正比例关系。由于地面制动力要受地面条件、轮胎状态的限制，其最大值不能超过地面附着力ϕF大小，即有：车辆在制动过程中，起制动作用的主要为制动力，制动力大小对车辆所受地面制动力起关键作用，进而影响制动效能。电动汽车所受地面制动力大小首先由制动装置提供的制动力决定，其次要受到当前制动行驶状况下车辆所受地面附着力的限制。只有制动装置为车辆提合适的制动力，同时地面又能为车辆提供合适附着力时，才能确保地面制动力大小足够。3.2制动力分配分析3.2.1传统汽车制动力分配作用于前、后轮的地面制动力受汽车地面附着力限制，而地面附着力随着汽车前、后轮法向反作用力变化而变化。汽车制动时，地面对前、后轮的法向反作用力为：式（3.5）、（3.6）中，z1F、z2F分别为地面对车辆前、后轮的法向反作用力；a为车辆质心与前轮中心线之间的距离；b为汽车质心与后轮中心线之间的距离；gh为车辆质心离地高度；j为车辆的制动减速度。已知/zgj=，称z为制动强度。3.2.2电动汽车制动力分配电动汽车利用电机进行再生制动进而回收制动能量是其提高能量利用率最有效的途径，但是一般情况下，再生制动力不能完全满足汽车制动要求，因此最常见的情况是再生制动与机械摩擦制动共同完成制动任务，进行机电复合制动。为了充分回收制动能量，并且考虑到制动过程稳定性及平顺性的要求，再生制动系统制动力按照图3.3所示关系进行分配：此种分配关系可以保证电机最大再生制动力得到充分利用，并且能够为驾驶员提供与传统汽车几乎相同的制动感受，方便驾驶员操作、提高行车安全性。在制动踏板力处于较小范围内时，说明此时车辆完成制动所需制动力较小，单独依靠电机提供的再生制动力即可满足制动要求，且再生制动力随着制动踏板力增大而增加，直至达到最大再生制动力。本文所研究电动汽车为前轮驱动型，因此单独依靠电机再生制动时，只有前轮上作用有制动力，后轮无制动力作用；当制动踏板力超过一定值时，即使电机最大再生制动力也无法满足整车制动要求，此时需要前、后轮的机械摩擦制动机构参与制动才能完成制动任务。综上所述：电动汽车制动相比传统汽车其特点在于无论整车需求制动力大小，再生制动力总是在总制动力中占据一定比例。3.3制动力分配与能量回收关系一般情况下，再生制动力在整个制动过程中所占比例提高，制动能量回收的效果应该相应增强[24]。电机再生制动力不仅受制动力分配规则控制，蓄电池状态、电机本身性能对再生制动力大小同样有很大影响，因此有必要对电机再生制动力大小进行分析，进而研究在不同制动工况下制动力分配对制动能量回收效果的影响。3.3.1电机再生制动力本文所研究纯电动汽车用电机为永磁直流电动机，电机在车辆再生制动过程中一方面作为制动系统的一部分参与制动，另一方面则是起发电机的作用将制动过程中汽车的行进动能转化为电能回馈储存到蓄电池中，因此电机的性能是影响再生制动过程中能量回收效果的重要因素。对电机在再生制动工作过程中相关性能指标如转速n、转矩T以及电机功率eP等参数的变化进行分析，图3.5为直流电机功率与转矩随转速变化趋势图：由图3.5可知，制动运行时，若电机转速n低于电机额定转速eN，它以恒定最大转矩eT制动运行；若转速n在额定转速eN和最高转速maxN之间，电机则处于恒功率eP运行状态；另外，在电机转速过低时，电枢反电动势随之降低，再生制动力降为0。通过以上功率和转矩特性可以看出，永磁无刷直流电机非常适合电动汽车再生制动系统应用。3.3.2制动力分配对能量回收影响分析虽然电动汽车实际制动过程随路况不同有多种变化，使得制动力分配比例有所变化而最终影响到制动能量回收效果，但根据制动力分配关系可将制动工况总体归纳为三种：紧急制动、长下坡缓行制动和正常制动[30]。三种制动工况可以间接说明制动力分配对制动能量回收效果的影响。（1）紧急制动。一般紧急制动需要车辆在短时间内停车或降低到某一车速，制动减速度较大，需要很大的制动力，此时制动以机械摩擦制动为主、电机再生制动为辅。紧急制动时前轮（驱动轮）再生制动力达到最大，由式（3.35）可知，此种状况下制动时间短会使制动能量回收很少。另外，紧急制动状况出现概率很少，所以紧急制动不是制动能量回收的主要方式。（2）长下坡缓行制动。当车辆行驶在较长且坡度较小的下坡路时，要对其制动使其缓慢下坡，此时需求制动力较小，依靠电机再生制动力完全可以满足制动要求，这部分制动能量可以回收，但由式（3.29）可知，同一制动任务要求下，再生制动单独制动时制动距离越长回收的能量越少，所以长下坡缓行制动时回收能量较少。另外，在我国长下坡路况较少，长下坡缓行制动工况并不常见[31]。因此依靠该种制动状况回收的制动能量较少。（3）正常制动。减速以及停车的过程组成正常制动过程，制动减速度在减速过程时较小，所需制动力较小，一般再生制动力ereF可以满足制动要求。减速过程可以最大限度利用再生制动力，使制动能量以电能的形式回收到蓄电池中。停车过程由于需要较大制动力，因此该过程主要依靠机械制动，所回收制动能量很少。通过调查城市驾驶工况以及驾驶员驾车习惯可知，汽车在行驶过程中减速是最常见的制动状况，因此正常制动过程能够回收最多的能量，是再生制动制动能量回收依赖的最主要工况。本节分析可以得出：制动能量回收效率与再生制动力的大小以及再生制动力持续时间有很大关系，因此制动力分配尤其是再生制动力所占比例即成为影响制动能量回收效果的关键因素。在设计纯电动汽车再生制动控制策略时应确保最大程度地使用电机再生制动力，以提高制动能量回收效率。此外，随着车辆蓄电池性能、电机性能和其它车况的不同，即使在相同的制动状况下，制动能量回收效果也是不同的，因此，再生制动控制策略在进行制动力分配时，也要兼顾电动汽车相关性能参数，在保证电动汽车安全行驶前提下，最优化进行制动能量回收，提高能量利用率。3.4本章小结本章对电动汽车制动过程中的受力情况进行了分析，其中起制动作用的主要为制动力。在分析受力情况的基础上分别分析了传统汽车与电动汽车制动力分配情况，并对他们之间的异同进行了比较。对于电动汽车，不同制动状况要求的制动力大小不同，使得再生制动力所分配的比例不一样。在阐述电动汽车制动力分配关系的基础上，对电机再生制动力的大小进行了解析，对制动力分配与制动能量回收效果的关系进行了探讨，为了便于分析，首先说明了永磁直流电机的制动力数学模型，进而讨论了两种制动力分配状况下的制动能量回收：一种是再生制动力完全能满足制动力要求的状况；另一种是单独依靠再生制动力无法满足制动要求需要与机械制动共同作用完成的状况。最终得出能量回收效率受制动力分配影响很大的结论，为后续设计制定再生制动控制策略奠定了理论基础。

4基于ECE法规的再生制动控制策略控制策略是影响电动汽车制动能量回收效率的重要因素，同样的再生制动能量回收装置在不同的控制策略引导下采集的制动能量会有很大不同。对于纯电动汽车再生制动系统，合适的再生制动控制策略不仅意味着提高了制动能量回收效率，更意味着续驶里程的增加，对纯电动汽车的推广也有重要意义。因此，在纯电动汽车再生制动装置一定的条件下，为车辆制定合适的再生制动控制策略是极其关键的，图4.1所示为再生制动控制过程框图。电动汽车制动控制器在通过传感器件获取制动系统各相关参数信息后，依据设定好的控制策略通过控制执行器件对再生制动装置进行控制，一般控制器件起作用是通过相关功率电子器件的闭合与断开进行调节，所以控制策略决定控制器件的动作进而影响再生制动装置动作。对再生制动而言，其控制策略核心的问题就是在保证制动安全的前提下对电动汽车前、后轮制动力以及机械、再生制动力进行合理分配，达到最大程度回收制动能量的目标。因此，在制定控制策略时需要解决两方面问题：对制动力进行合理分配以保证制动稳定性、最优化回收制动能量。4.1M1类车辆ECE制动法规ECE制动法规是针对各类汽车的制动系统制定的标准，本文所研究双轴纯电动轿车为M1类车辆，法规对此类车辆的前、后轮制动力分配提出了明确具体的要求。图4.2所示为ECE制动法规关于M1类车辆前、后制动力分配的规定：该法规要求车辆在路面附着系数ϕ为0.2～0.8之间的路面上制动时，制动强度z−+≥)2.0(85.01.0ϕ，并且一般要求前轮利用附着系数曲线应位于后轮利用附着系数曲线之上，若前、后轮利用附着系数曲线重合，则表明前、后轮同时抱死，为车辆制动最理想状态；当制动强度z处于0.3～0.5范围内时，法规要求后轮利用附着系数曲线不超过ϕ=z决定的直线以上0.05范围，对前、后轮利用附着系数曲线位置关系不作要求。4.2ECE制动法规制动力分配要求ECE制动法规对轿车前、后轮制动力分配的要求，可以通过以下各公式表述：（1）车辆在路面附着系数ϕ在0.2～0.8范围内时有z−+≥)2.0(85.01.0ϕ，即在z≥1.0条件下有ϕ+≤z85.0/)07.0(，并且前、后利用附着系数关系为rfϕϕ≥。综合上述条件可得以下公式：式中，β为制动器制动力分配系数，它是前轴制动器制动力与车辆总制动器制动力之间的比值。（2）当制动强度z处于0.3～0.5之间时，只要后轮利用附着系数满足+≤z05范围便对前、后轴利用附着系数不作限制，即有：综合利用式（4.1）、（4.2）、（4.3）、（4.4）可以得到关于制动力分配系数的有效控制方程组如下：将表3.1中相关技术参数代入方程组（4.5）可以得出本文所研究电动汽车满足ECE制动法规关于双轴轿车的制动力分配系数β控制范围，图4.3所示为制动力分配系数β随制动强度z变化的控制范围曲线：a曲线是在≤≤5.03.0z时β的控制下限，在分配前、后制动力时只能将制动力分配系数范围控制在a曲线以上；b曲线是在z≥1.0时按照ECE制动法规满足前、后轮同时抱死的制动力分配系数β控制曲线，它能够控制前、后轮的抱死顺序，当β值落在曲线b以上时，前轮早于后轮先抱死而保证制动稳定性，避免出现后轴侧滑等危险状况。综合上述分析，本文所研究纯电动汽车制动力分配系数β的范围应该控制在a曲线和b曲线要求范围内，以确保车辆具有良好的制动稳定性，并且能够最优化进行制动能量回收。4.3再生制动控制策略设计再生制动控制系统的设计必须满足以下期望要求：（1）制动力分配要求。车辆在制动过程中前、后制动力分配符合ECE制动法规的前提下，适当提高再生制动力比例；（2）制动能量回收要求。所设计再生制动控制策略能够有较高的制动能量回收效率，提高能量利用率；（3）驾驶性能要求。确保驾驶员在驾驶纯电动汽车过程中尤其是制动时不因电机再生制动的引入而有冲击感，应尽可能优化驾乘人员在车辆制动时的感觉。基于以上对再生制动系统的要求可知，再生制动控制策略设计以车辆制动稳定性为前提，在保证制动安全的基础上考虑如何提高制动能量回收效率。本文在制定再生制动控制策略时以满足ECE制动法规关于前、后轮制动力分配要求为基础，进而设计合理分配规则对驱动轮上机械摩擦制动力和再生制动力进行分配以达到提高制动能量回收效率的目的。为了提高制动能量回收的效率，对驱动轮上的机械摩擦制动力与电机再生制动力进行分配时，应该减小机械摩擦制动力所占比例而提高再生制动力比例[39]。因此，再生制动控制策略应能保证当电机提供的最大再生制动力能够满足电动汽车制动要求时，仅利用再生制动完成制动任务；当由电机单独提供最大再生制动力无法达到制动目标时，由前、后轮机械摩擦制动配合再生制动共同完成制动任务。综上所述：本文结合ECE制动法规采用再生制动优先的制动控制策略，图4.5中粗实线段OF-F'H-H'K-K'P为基于本文再生制动控制策略的前、后轮制动力分配曲线，它以车辆制动强度z为依据，根据车辆制动强度的变化采取不同的前、后轮制动力分配关系。在制动力分配关系需要变换时，设定控制策略控制前、后轮制动力分配沿着对应等制动强度线跳转至其它分配线段，具体分配规则如下：（1）当制动强度z≤1.0时，由于ECE法规对此制动强度范围的制动力分配未作限制，并且在小制动强度下车辆制动所需制动力较小，基于提高制动能量回收效率的考量，此制动强度范围内选择利用电机单独进行再生制动完成制动任务。经过验证，本文所研究电动汽车在z<1.0的制动强度下，完全可以单独利用电机再生制动完成制动任务，验证过程如下所述：由于本文所研究纯电动轿车是基于传统内燃机汽车改造而成的，动力传递过程中电机位于变速器和主减速器之前，因此前轮获得的再生制动力受传动比的限制，需要重点考察常用档位下再生制动力大小是否满足制动要求。制动强度z<1.0的情况一般发生在车辆制动初始车速较低时，通常速度集中在25～40hkm/范围内，此时汽车对应的档位一般为2～3档，本文研究车型2、3档位对应传动比为2.124、1.326，根据式（3.14）以及表3.1相关参数可以得出此车速及档位范围下电机对应转速为1300～3340rmin/。由表3.1可知电机额定转速为2000rmin/，根据电机转速与转矩特性以及式（3.15）可知此时电机转矩范围为71.5～184Nm，那么利用式（3.21）可得出本文纯电动汽车制动时前轮最大再生制动力的范围为1404～5778N。利用牛顿第二定律以及制动减速度与制动强度之间的关系，可以计算出本文所研究电动汽车整车在制动强度为0.1时所需要的总制动力大小为1155N，计算公式如式（4.8）所示：因此，根据上述计算可知电动汽车在制动强度z<1.0时，仅仅依靠电机提供的再生制动力即可以满足整车制动需求，后轮不参与制动。此时前、后轮制动力分配曲线如图4.5中OF段所示，这种分配方式能够最大程度的发挥再生制动力的作用，对提高制动能量回收效率非常有利。（2）当制动强度范围在<<3.01.0z时，为了提高电动汽车制动稳定性，前、后轮制动力沿等制动强度线变换至图4.5所示F'H段，按照满足ECE制动法规关于前、后制动力分配要求的上限即理想制动力分配曲线进行分配，此时前、后轮制动力分配公式如下：（3）当≤≤5.03.0z时，前、后轮制动力按照图4.5中H'K段即曲线m进行分配，分配公式如式（4.10）所示：制动强度在≤≤5.03.0z范围时，前、后轮制动力采用如式（4.10）的分配方式而不以理想制动力分配曲线为限制，目的是在保证制动稳定性的前提下提高前轮再生制动力所占比例，增加制动能量回收效果。（4）当z>5.0时，前、后轮制动力沿理想制动力分配曲线的K'P段进行分配，此时的前、后轮制动力分配公式仍为式（4.9）所示。以上分析还应注意到当制动强度z≥1.0时，单独依靠电机再生制动力已很难满足制动要求，需要进行机电复合制动。假设在制动强度z≥1.0范围内前、后轮制动力按照F'H、H'K、K'P中任何一段曲线进行分配完成后大小分别为Xb1F、Xb2F，那么前轮总制动力Xb1F还要对前轮机械摩擦制动力fricfF_与电机再生制动力ereF进行再次分配，具体分配规则为：在综合考虑电机转矩特性和蓄电池充电功率等条件的前提下，如果电机可以提供的最大再生制动力eremax_F能够大于或等于前轮总制动力Xb1F，则令再生制动力大小为Xb1F，前轮摩擦制动机构不工作，车辆由后轮机械摩擦制动机构和电机再生制动提供制动力完成制动任务；如果在当前电机特性和蓄电池性能条件下电机能够提供的最大再生制动力无法达到前轮制动目标即Xbere1max_FF<时，则电机以最大再生制动力eremax_F进行制动，不足Xb1F大小的部分由前轮机械摩擦制动机构提供补充制动力，此种情况下整车制动任务由前轮再生制动机构（直流电机）、前轮摩擦制动机构、后轮摩擦制动机构共同完成。再生制动控制策略对电动汽车制动过程具有决定性作用，它是整个再生制动系统的控制基础，对制动能量回收效率有重要影响。在再生制动系统各硬件机构一定的条件下，制定合适的再生制动控制策略是提高制动能量回收效率的有效途径[40]。因此，为了验证本文所设计再生制动控制策略是否符合目标期望，还需要对其进行建模仿真，通过仿真结果评定其合理性。4.4本章小结本章首先介绍了ECE制动法规关于M1类车辆的制动要求，根据ECE制动法规对符合要求的纯电动汽车制动力分配系数的分布进行了分析，并在此基础上将制动力分配系数分布曲线转换为前、后制动力分配曲线，获得了依据制动强度进行分配的前、后轮制动力分配规则。结合前、后轮制动力分配规则，以合理分配制动力和最优化回收制动能量为基本要求，制定了基于ECE制动法规的再生制动控制策略，为再生制动控制策略的建模与仿真分析奠定了基础。

5再生制动控制策略建模及仿真本文第二章对再生制动系统的基本结构及工作原理进行了介绍；第三章在研究制动系统动力学的基础上阐述了电动汽车制动力分配对制动能量回收效率的影响；第四章提出了一种满足ECE制动法规的基于制动强度变化的再生制动控制策略；本章将利用Matlab/Simulink环境对前述再生制动控制策略建模，并在高级汽车仿真平台ADVISOR上仿真分析，以验证所设计控制策略的合理性与实用性。5.1ADVISOR缺省再生制动控制策略与模型以Matlab/Simulink为环境平台的ADVISOR2002是一款高级汽车仿真软件，它的程序源代码完全开放[41]。用户可以根据自身开发和设计需要对其内部源代码进行修改以获得新模型，这为汽车产品的开发提供了便利，节约了产品开发周期和成本。由于本文所设计再生制动控制策略是在ADVISOR缺省控制策略模型的基础上修改建立的，因此有必要对ADVISOR缺省再生制动控制策略与模型进行研究分析。ADVISOR关于纯电动汽车的仿真模块主要包括整车模块、电池模块、电机模块、传动系模块、车轮/车轴模块、附属装置模块以及控制策略模块[42]。本文重点研究控制策略模块中的再生制动控制策略模型，其余模型根据所研究电动汽车修改参数即可。ADVISOR缺省再生制动控制策略模型位于车辆控制模块<vc>，它是基于车速的比例控制策略。再生制动时依据车辆实时车速查表获得前轮再生制动力分配系数以及前轮摩擦制动力分配系数，进而确定出后轮摩擦制动力分配系数，在总制动力需求已计算出的前提下，即可确定基于车速所分配各制动力大小，图5.1所示为ADVISOR缺省制动力分配规则。ADVISOR源代码完全开放，缺省的控制策略中依据车速变化的各制动力分配比例也是可以更改的，具体在WH_SMCAR.m文件内部：wh_fa_dl_brake_mph为车速变量，它的缺省定义为wh_fa_dl_brake_mph=[-1010601000]，其它变量缺省定义分别为：前轮电机再生制动力分配系数regβ变量wh_fa_dl_brake_frac=[000.50.80.8]、前轮机械摩擦力制动力分配系数fricf_β变量wh_fa_fric_brake_frac=[0.80.80.40.10.1]，若要对制动力在不同制动车速下的分配方案进行修改，可以通过修改对应变量实现。根据ADVISOR缺省再生控制策略设定的初始制动力分配参数值，可以得到各相关制动力分配系数关于车速的变化趋势如图5.2所示。5.2符合ECE制动法规的再生制动控制策略建模本文第四章依据制动强度的变化设计了符合ECE制动法规关于前、后轮分配比例要求的再生制动控制策略，虽然ADVISOR中缺省的再生制动控制策略是以车速变化为基础的，但是两者只是在控制信号和计算算法上不同，因此建立符合ECE制动法规的再生制动控制策略模型只需要根据本文所设计控制策略的计算算法对ADVISOR缺省原有模型作相应修改即可。再生制动控制策略模型的建立主要包括后向制动仿真模块和前向制动仿真模块。再生制动后向仿真的作用是根据制动强度的不同计算出前、后轮机械摩擦制动力和再生制动力，然后向电机提出转速与转矩要求，它在由上一级向下一级传递参数要求的过程中并未考虑电机、蓄电池等相关部件的功率、性能限制，不能确保车辆实际状况能够达到仿真过程提出的要求；前向仿真是在考虑蓄电池充电功率、电机性能等部件各种条件限制的前提下，计算出车辆当前状态下可以提供的前、后轮机械摩擦制动力和再生制动力，前向仿真可确保车辆达到仿真要求[46]。ADVISOR通过混合仿真前、后向制动仿真模块，确保本文在仿真再生制动过程时的制动稳定性，能够保证仿真结果的准确性。5.3再生制动控制策略模型仿真与分析5.3.1仿真实现将基于本文所设计再生制动控制策略搭建的模型嵌入控制模块<vc>ev，并将修改后的顶层模块命名为“BD_EV_CHDAuto”。为了仿真需要，根据表3.1所列参数在ADVISOR中建立.m文件[49]，定义所研究双轴纯电动汽车相关部件数据，需要编辑的文件列表如表5.1所示。将各部件数据定义文件和纯电动汽车定义文件装载到ADVISOR后，本文建立的再生制动控制模型即可进行正常仿真。5.3.2仿真工况选择目前，利于电动汽车推广的区域一般分布在城市或其周边区域，因此本文所设计再生制动控制模型仿真工况应尽量选择能够模拟城市中心路况较好但行车速度较慢的工况[51]。欧洲城市循环工况CYC_ECE对车速要求较慢，能较好的模拟市区较拥挤路段的工况；而城市道路循环工况CYC_UDDS则兼顾道路拥挤状况与城郊行车较顺畅的工况。基于上述分析，本文仿真工况选择以CYC_ECE为主、CYC_UDDS为辅。5.3.3仿真结果与分析针对ADVISOR缺省自带再生制动控制策略在制动力分配及制动能量回收效率方面的不足，本文在制定控制策略时进行了改进，因此在分析仿真结果时主要观察改进后的再生控制策略能否在提高再生制动力比例的情况下保证车辆制动过程的稳定性，以及在能量回收效率方面是否有所改进。5.4本章小结本章在分析ADVISOR缺省自带再生制动控制策略模型的基础上，根据第四章所设计再生制动控制策略，以ADVISOR缺省模型为基础，修改并搭建了基于ECE制动法规的再生制动控制策略前、后向仿真模块，并将模块嵌入到ADVISOR平台进行了仿真，仿真结果表明本文设计的再生制动策略能够在提高再生制动力比例的同时满足车辆制动稳定性要求，并且能够提高制动能量回收效率。再生制动控制策略设计合理、实用，达到了目标期望及要求。

6结论6.1总结在电动汽车日益成为全球汽车工业发展大趋势的背景下，再生制动作为电动汽车一项关键技术也得到越来越多的发展，因此对再生制动控制策略的研究逐步深入化、多样化。本文在研究再生制动技术相关文献的基础上，设计了一种合理的再生制动控制策略，所做具体工作及研究成果如下：（1）对电动汽车再生制动系统结构及原理进行了研究，并找出影响制动能量回收的主要因素，明确了控制策略对再生制动系统的重要性；（2）为了制定合理的再生制动控制策略，对电动汽车制动过程中的制动力分配状况进行了分析，得出在硬件结构限制的条件下提高制动能量回收效率主要依靠提高电机再生制动力比例的结论，为控制策略的制定奠定了基础；（3）针对车辆制动过程稳定性要求的前提条件，研究了ECE制动法规对车辆制动过程制动力分配的要求，制定了满足ECE法规的前、后轮制动力分配规则，并以提高再生制动力比例、提高能量回收效率为重点设计了一种基于ECE制动法规的再生制动控制策略。（4）利用ADVISOR二次开发功能，对所设计控制策略进行建模并仿真。通过仿真结果验证了本文再生制动控制策略的合理性，达到目标期望。6.2研究展望本文关于再生制动系统及其控制策略的研究与设计通过仿真结果体现出较高理论意义，也具有一定实用性。但由于知识水平与时间限制，本文所做的研究还有一定局限性，需要完善补充的内容主要有以下几处：（1）本文研究再生制动技术所参考车辆为前轮驱动型，因此在实际推广上只能应用于前轮驱动型纯电动汽车。针对目前市面上后轮驱动轿车越来越多的现状，要将本文所设计再生制动控制策略应用于后轮驱动的纯电动汽车再生制动系统还需对制动力分配规则进行修改。（2）由于本文主要研究再生制动控制技术，因此在制定控制策略时没有考虑电动汽车ABS系统的影响，后续研究中可将ABS控制添加进再生制动控制策略，进一步提高车辆稳定性。（3）本文