混合动力电动汽车再生制动控制策略研究

1、混合动力电动汽车再生制动控制策略的研究摘 要: 针对混合动力汽车仿真软件ADVISOR中原有制动力分配策略的不足，在其再生制动模型基础上，从动力学角度建立了各制动力制动份额随载荷变化的模型，并将所提出的策略在ADVISOR软件中对哈飞样车进行了仿真。仿真结果表明所提出的控制策略回收制动能量的效果优于原有的再生制动控制策略，排放也有所改善，电机效率明显提高，同时这种分配方式也符合制动力法规的分配要求；并通过试验进一步验证了该策略的合理性。此模型有效地拓展了ADVISOR的仿真范围，方便了对混合动力电动汽车的研究。关键词: 混合动力；AVISOR；再生制动；载荷变化；仿真Research on t

2、he Control Strategy Of Regenerative Braking for HEVZHOU Mei-lan, ZHANG Yu( College of Electrical & Electronic Engineering, Harbin Univ. Sci. Tech., Harbin 150040, China)Abstract: On account of the deficiency of the original share strategy of braking force in HEV simulation software ADVISOR, base

3、d on the regenerative braking control model, a new model in which the braking share of every braking force varies on the change of loading was built from the dynamical standpoint. Simulation is done with the use of ADVISOR in HAFEI automobile. The simulation analysis shows that the effect about ener

4、gy resaving in new control strategy is better than in old strategy，the emission has been improved. The motor efficiency has been obviously increased. At the same time the kind of sharing manner is also in accordance with the sharing requirement of the rule about braking force；The model effectively e

5、xpands the simulation range of ADVISOR, give convenience to the HEV research.Key words: hybrid electric; ADVISOR; regenerative braking; change of loading；simulation1引 言汽车作为主要交通工具和国民经济的重要支柱产业，可以说汽车改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量。然而去掉随着汽车产量的迅速增长,汽车耗油量占全部石油产量的份额越来越大 1。再生制动是目前混合动力汽车回收制动能量采取的普遍技术，电动汽车、混合动力汽车与传统汽车的

6、一个最重要的区别是可以实现再生制动，能回收一部分传统车辆在制动过程中损失的能量，这样大大提高了汽车燃油经济性，节约能耗2。ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator）是美国可再生能源实验室在Matlab和Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件，提一句此软件的优点。本文在此软件的基础上构造了再生制动过程中制动力分配的仿真模型并进行了仿真实验，结果表明所提出的方法可使车辆在行驶过程中能量回收效率提高，有害气体排放也有所降低。2ADVISOR软件的仿真过程ADVISOR软件的仿真模型和源代码在全球范围内完全公开，用户可以方便地研究其模型和工作原理，它的最大优点是用

7、户可以根据自己的需要对模型进行修改或重建，该软件被广泛应用于混合动力系统的仿真和分析中，可实现混合动力电动汽车整车动力性和经济型的快速分析，零部件的选型和参数的初始优化，以及结构布局和控制策略的比较等功能。目前采用的汽车仿真方法主要有前向仿真和后向仿真两种：后向仿真不能用于实际行驶状态下汽车的动态仿真；前向仿真计算更为准确，但会增加计算量，使运行速度减慢，而常用的仿真软件也多采用其中的一种方法，使两种方法优劣不能互补。而ADVISOR2002采用了后向仿真为主、前向仿真为辅的独特的混合仿真方法，取得了更好的仿真效果，具有更高的准确性。其仿真模型如图1所示，其中箭头方向代表仿真数据传递的方向，数

8、据自左向右传递代表后向仿真路径，自右向左传递代表前向仿真路径3。图1 ADVISOR的汽车仿真模型 ADVISOR的操作主要分为三大步：输入汽车参数、设置汽车参数和查看仿真结果，它们通过三个主要的GUI界面来完成。（1）输入汽车参数： 通过汽车参数的输入界面用户可以对汽车的部件参数进行设置，界面左侧为汽车相关的图像信息：左上方为汽车的结构示意图,左下方为发动机或传动系统的某个总成的性能曲线；右侧为相关操作区域:右上方为整车定义文件,例如定义传动系统的结构形式如并联、串联,参数可以修改,如电机的最大功率和峰值效率以及仿真情况下载荷的质量。当然在参数设置时，汽车的零部件须互相匹配，否则ADVISO

9、R软件将给予“Selection is not couple with other setting”的提示，如图2所示。图2 参数设置不匹配时的界面（2）仿真参数的设置在仿真参数的设置界面中可以直观地观察到当前仿真路况的情况，如坡度随时间变化的情况。右侧上方可以设置仿真条件，如道路循环、时间阶跃、循环次数、初始条件等。是否进行加速度测试和爬坡能力测试为可选项，可以根据需要进行选择。下方可以对最多三个部件参数进行灵敏度分析，有助于研究这些参数对汽车性能的影响。（3）仿真结果的输出从仿真结果的输出界面可以看到整个仿真过程中电池的SOC值、气体排放以及速比的变化。从界面的右侧可以看到具体的文字描述，

10、如CO、HC等气体的排放值及燃料利用率。点击Energy Use Figure可以看到整个过程中的能量流动情况。（4）回放功能当仿真结束后，ASDVISOR提供了仿真过程的回放功能，用户可以形象地看到汽车行驶时车速的变化情况和档位的变化，如图3所示。图3 回放过程3. ADVISOR软件中的再生制动控制策略ADVISOR 的制动模型是从运动学角度来确定各制动力的变化,即各制动力制动份额随车速变化，其默认的再生制动策略如图4所示。图4 ADVISOR中制动力的分配这种分配方法有很大的局限性：从图中可以看到车速越高，电制动份额越大；车速越低，电制动份额越小。这种方法不能充分利用电机的再生制动能力，

11、没有充分发挥制动系统的潜力，回收的能量有限，回收效率也很低。而且这样做与实际工况不符4。4.新的制动力分配策略及其制动模块在原有模型的基础上建立了基于载荷变化的制动力分配模型,下面加以分析：作用在车身、车架上的载荷：1. 在各种典型情况下车身、车架所受的载荷5就悬挂质量系统（车身、车架）而言，取通过其质心的坐标xyz，如果将系统视为刚体，则它在悬架系上有六个自由度，即沿x、y、z轴的线位移和绕这三个轴的角位移；相应有沿x、y、z轴方向的三个力Fx、Fy 和 F z, 和绕三个坐标轴的转矩Tx、弯矩My和Mz, ,如图5所示。图5 作用在车身上的力汽车行驶时，一般作用在车身上的力为 （m=x，y

12、，z）式中，km为在x、y、z方向的动荷系数，；a为沿x、y、z方向的汽车加速度；g为重力加速度；Gr为汽车悬挂着的车身系统自身载荷，是指由悬架的弹性元件所承受的那些部件，如车身、车架以及固定在车身或车架上的所有总成和设备的重力；Ge为车身的有效载荷，系指额定装载时，乘员及行李或货物的重力。Gr、Ge都是静载荷，按集中载荷F（或均布载荷）分布在车身、车架的适当位置i（i=1，2，）上，即。动荷系数主要取决于三个因素：道路条件，汽车行驶状况（如车速）和汽车的结构参数，由于这些因素很复杂，使动荷系数难以用数学分析法确定。因此，过去在分析时往往分别对某些简单的路面情况进行研究，动荷系数则取一些理论研

13、究与试验修正相结合的半经验数值。实践证明，在上述载荷中，影响车身和车架强度的基本载荷有以下两类：（1）对称垂直载荷：当汽车行驶在路段和路段上，如图6所示。前后车轮同时驶过相同高度的凸起或洼坑时，假设汽车结构左右对称，则承载系统将经受与汽车纵向轴线相对称的垂直作用力Fzs，它是汽车正常行驶情况下的主要动载荷成份，即式中，为对称垂直动荷系数。图6 汽车行驶的路段分析图日本曾推荐，汽车前、后轮同时驶上具有相同凸起高度的地面时，动荷系数为式中，,分别为前后悬架与轮胎的合成刚度； 式中，分别为前、后轮胎刚度；，分别为前、后悬架刚度； h为路障高度，在计算中对普通货车取h=100mm，对轿车及客车取h=8

14、0mm；为经验系数，取1000; 为车速；为汽车重力（N）。由实验和计算表明，在强度校核时，各种车型的对称垂直动荷系数可取如下数值：轿车和客车 货车 越野汽车 (2)非对称垂直载荷：当汽车在图6所示路段上行驶时，前后轮从平坦路面驶上凸起物，而使左右车轮接地点出现高度差，则承载系统上将作用有非对称于汽车纵轴线的垂直载荷，如图7 a所示。这时的载荷可分解为装有载荷下的对称垂直作用力（弯曲工况，图7 b）和由于路面凸起而产生的仅对称于汽车纵轴的垂直载荷，形成车身绕x轴的转矩（扭转工况，图7 c）； 式中，F1L， 分别为左、右前轮上的作用力；为前轮距（图7中，为后轮距）；为非对称垂直动荷系数，=1.

15、3（轿车和客车），=1.5（货车），=1.8（越野汽车）。应该指出，汽车行驶时所经受的外载荷还带有随机性质，如疲劳载荷(随机载荷)。由于对所研究的方面影响小，故忽略不计。而且在汽车行驶时，所受的载荷大部分为非对称垂直载荷；而且通过仿真分析，在模块中改变增益常数值的大小，对结果不产生影响。图7 非对称垂直加载a)一般工况 b）弯曲工况 c）扭转工况5.仿真结果与分析 为了将改进后的控制策略与ADVISOR中原有的控制策略进行比较,同时也便于与实际情况比较，选用哈飞HF3A型轿车为原型进行研究，具体参数如表1所示。仿真路况为CYCUDDS解释一下，如图9所示。表1 主要仿真参数整车参数整车质量（满

16、载）（kg）整车质量（空载）（kg）质心高度（满载）（mm）轴距（mm）质心到前轴的距离（mm）1580128050826001470质心到后轴的距离（mm）风阻系数迎风面积（m2）滚动阻力系数车轮半径（mm）11300.3352.310.009289图9 CYCUDDS 工况图根据以上分析,在Advisor中修改了原有的模块，建立了新的再生制动控制模块，修改后向路径的制动力模块如图10所示，前向路径的制动力模块如图11所示6。图10 修改后的后向路径中的再生制动模块图11 修改后的前向路径中的再生制动模块仿真结果表明，本文所采用的策略比原有策略回收制动能的优势明显(在回收制动能方面具有明显的

17、优势)，整个循环中蓄电池的储能增多，排放也有所改善，电机的工作效率也显著提高。如图12，表2所示。二次开发后的仿真结果原模型中的仿真结果图12 电池SOC值的变化情况表2.仿真结果对比电机平均发电效率电机平均电动效率回收的能量（KJ）排放（grams/mile）HCCONOxAdvisor策略57.5828%37.5805%13770.520382.36080.40698改进后的策略70.1458%39.3337%15860.517032.33740.39844从图13制动力分配曲线可以看出，HF3A制动力分配曲线在同步附着系数以上，制动力以接近理想I曲线的方式进行分配，且高于法规要求的最低分

18、配曲线，因此满足制动力法规的分配要求。图13制动力分配曲线结束语 再生制动是电动车辆和传统车辆的一个重要区别；在电动汽车研究中，再生制动已成为降低能耗及提高续驶里程的技术手段。本文在ADVISOR 软件的再生制动仿真模块基础上,从动力学角度搭建了电动汽车再生制动系统各制动力制动份额随载荷分布的仿真模型。仿真表明所建模型是正确的,拓展了ADVISOR 仿真功能,为利用它来仿真研究电动汽车再生制动系统提供了方便7。参考文献:1. 何新云.串联混合动力电动客车动力系统建模与仿真.硕士学位论文.武汉:武汉理工大学.2003.2. 2.John Paterson，Mike Ramsay，Electric Vehicle Braking by Fuzzy Logic ControlC，IEEE,Industry Applications Society Annual Meeting.19933. 詹迅，秦大同等轻度混合动力汽车再生制动控制策略与仿真研究中国机械工程20064.Zhang Chuanwei,Bai Zhifeng,Gao Binggang,etal，Study on Regenerative B