电动汽车再生制动平顺性及能量探究

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摘要：针对电动机再生制动的加入影响电动汽车制动平顺性，采用并联制动方式，制定整车制动力分配策略和整车控制策略，建立恒定充电电流和电枢电流控制策略，利用软件建立复合制动仿真模型。结果表明：采用恒定电枢电流策略的汽车制动平顺性优于恒定充电电流策略，汽车能量回收效率较差。

关键词：再生制动；制动平顺性；能量回收

0引言

电动汽车在制动过程中，将部分制动能量转化电能，并对蓄电池进行充电，这种过程称之再生制动[1]。在该过程中，再生制动的加入引起汽车原有的制动结构改变，从而引起汽车制动力矩的改变，影响整车的制动平顺性[1]。因此对于电动汽车而言，我们在保证制动效能和制动稳定性时，确保在制动过程中乘客的舒适性并兼顾能量的回收。燕山大学汪运鹏在《电液复合制动系统模式切换过程车辆平顺性控制》一文中提出基于路面识别的逻辑门限控制策略，并结合PID控制策略，制定相应的复合制动防抱死策略，但目标比较单一，没有考虑再生制动的综合因素。福州大学谢文科提出了一种基于模糊控制，在一定制动强度范围内在保证制动舒适性的前提下尽可能多的回收制动能量的控制策略，该方法使得前轮制动力矩增大，容易出现抱死现象。本文为了研究电动汽车的制动平顺性，在不改变汽车原有汽车制动结构的基础上，本文提出一种采用并联制动策略，通过控制通过蓄电池充电电流和电机电枢电流来研究汽车制动能量回收效率以及制动平顺性的变化情况。

1数学模型

1.1电机模型

电动汽车选用永磁直流电机，再生制动系统电路采用二象限型符合直流斩波器[2]。其等效电路如图1所示。电机可以在发电模式和电动机模式下工作，因此，电机输出的电压和电流之间的关系如式（1）所示，电枢反电动势关系式如式（2），电磁转矩如式（3）Te=KtIa（3）式中：Ea为电机电枢反电动势，V；V为电池电压，Ra为电枢电阻，Ω；Ia为电枢电流，A；Ke为电压常数；ωe为电机转速，rad/s；Kt为电机扭矩常数。

1.2能量回收效率

电动汽车储能装置采用锂离子蓄电池，回收的能量关系如式（4），汽车制动过程中产生的能量大小如式（5），能量回收效率计算如式（6）所示（4）（5）（6）式中：Eb为蓄电池的总能量，J；v0为汽车初始速度；m/s。1.3汽车减速度变化率汽车制动过程中，制动平顺性评价指标为汽车的冲击度，即减速度的变化率dadt，汽车减速度的变化率计算公式如式（7）。（7）式中：a—汽车的纵向减速度，m/s2；v—车体纵向速度，m/s。

2再生制动控制策略

2.1恒定充电电流策略

汽车制动时，制动踏板的开度不同对应不同的充电流，当制动踏板开度恒定时，蓄电池充电电流不变，有利于提高能量回收效率[3]。根据电动机的制动原理，随着汽车转速降低，电动机的反电动势也会下降，引起电枢电流上升，从而电气再生制动力增大，加剧汽车制动减速度的波动，降低制动平顺性。

2.2恒定电枢电流策略

汽车在制动时，电枢电流的大小和制动踏板开度成正比，恒定的制动踏板开度意味着不变的电枢电流，也就保持再生制动力矩的恒定，这样有利于减少汽车减速度的波动，提高制动稳定性。在这种策略下，随着汽车转速下降，蓄电池充电电流也会下降，不利于能量的有效回收。

3整车制动控制策略

3.1整车制动力分配策略

电动汽车采用并联制动力分配策略，车辆在减速制动过程中，液压制动系统和再生制动系统相互独立，互不影响，再生制动力矩的加入会改变原有前后轴制动力分配曲线。因此液压制动力的分配曲线与加入再生制动力后的实际制动力分配曲线变化曲线如图1所示。其中I曲线是汽车理想制动力分配曲线，β线是汽车液压制动力矩前后轴分配曲线，β′线是加入再生制动力矩后的前后轴制动力分配曲线。在制动初始阶段，汽车在液压制动力和再生制动力的作用下进行制动，随着车速的下降，汽车的再生制动力矩也随之下降，最后汽车在液压制动力矩的作用下实现停车。

3.2整车控制策略

如图3所示为整车制动控制策略，驾驶员根据车速控制制动踏板力和位移，制动位移决定液压制动系统和再生制动系统的参与方式，根据并联策略，液压制动力矩按照固定比例分配方式作用于前轮和后轮，再生制动力矩仅作用于前轮，在两者的共同作用下，实现汽车制动[4]。在电机再生制动过程中，控制充电电流或电枢电流，调节再生制动力矩，当采集到的蓄电池SOC超过临界阈值时，为了保护蓄电池，切断再生制动系统。

4建模及仿真分析

4.1仿真建模

根据上述的两种再生制动控制策略以及整车控制策略，在Simulink软件中建立再生制动系统模型，包含电机模型，电池模型、制动意图识别模型，PID控制模型，在AMESIM软件中建立液压制动系统系统模型，包含轮胎模型，整车模型，制动盘模型以及位移、速度传感器模型等，两种系统模型通过Simulink软件中的S-Function接口进行数据传递，构成复合制动系统模型。图4为整车再生制动系统模型。再生制动模型中的电机产生的再生制动扭矩和外部制动强度作为液压制动系统模型的输入，而从整车制动模型中反馈回的汽车速度作为再生制动模型的输入，从而实现模型中的数据传递过程，汽车在两种模型的相互作用下实现减速过程。根据再生制动控制策略，再生制动模型将输入的制动强度经计算转化成电机电枢电流值，并与电动机反馈的电流值进行比较，得到电流偏差，并采取PID策略进行调节，达到使电枢电流值恒定的目的，恒定充电电流的调节控制方法和上述类似。

4.2仿真工况

仿真工况采用在非紧急制动时，初始速度选取v=60km/h，蓄电池SOC为0.4时，分析两种再生制动策略对于制动减速度变化率的影响，并评价制动过程中的平顺性和能量回收效率。紧急制动时，首要保证制动安全，因此不再研究。

4.3仿真分析

图5、图6分别恒定充电电流再生制动系统、恒定电枢电流控制策略的汽车减速度变化率变化曲线。可以看出在车辆减速初期，伴随制动力矩的不断提高，制动减速度的变化率有部分波动，当液压制动力稳定不变，减速度变化率变化仅由再生制动力矩的变化引起。当汽车速度无法提供产生电机再生制动的最低速度时，再生制动力矩变为零，造成减速度的变化率突变，对汽车有一定冲击。从曲线变化来看，恒定电枢电流策略优于恒定充电电流策略。如图7为两种策略下的蓄电池SOC变化曲线，可以看出，恒定充电电路和电枢电流策略下的SOC分别为0.4016和0.4012，前者侧充电效率略优于后者，且充电后期斜率较大，表明充电速度更快。

5结论

本次设计基于恒定充电电流和恒定电枢策略建立的复合制动系统，利用AMESim-Simulink软件建立复合仿真模型，仿真结果表明：采用恒定电枢电流策略的汽车制动平顺性优于恒定充电电流策略，能量回收效率较差，两者均存在当汽车速度下降时，再生制动力矩变化的情况，为后期的进一步改进提供实践基础。

参考文献：

[1]张雷，刘青松，王震坡.四轮轮毂电机驱动电动汽车电液复合制动平顺性控制策略[J].机械工程学院，2020，56（24）：125-134.

[2]窦建明，田文朋，李嘉波.电动汽车电-液并联ABS制动系统能量回收研究[J].测控技术，2018，37（11）：148-152.

[3]王虎.基于制动强度的能量回收控制方法[J].沈阳工业大学学报，2020，42（4）：417-421.

[4]顾钰，何任，王骏骋.轮毂电机电动汽车再生-液压符合制动系统协调控制策略[J].重庆理工大学学报（自然科学），2020，34（6）：32-40.

[5]汪运鹏.电液复合制动系统模式切换过程车辆平顺性控制[D].秦皇岛：燕山大学，2021.

作者:魏进 单位:陕西工业职业技术学院