并联式混合动力客车再生制动控制策略仿真研究

王鹏宇，段幼华，张国强吉林大学汽车工程学院，长春（130022）E-mail：[e-mail]摘要：本文以并联混合动力城市客车[1]为原型，基于在保证汽车制动方向稳定性前提下尽量回收制动能量的原则提出了一套再生制动力控制策略，包括机械制动力与再生制动力的合理分配及再生制动力的控制。在此基础上，通过修改advisor软件中的相应模块，对本文提出的再生制动控制策略进行了仿真分析。结果表明，所提出的再生制动力分配与控制策略有效提高制动能量回收，从而进一步提高整车燃油经济性。关键词：混合动力汽车，再生制动，控制策略，仿真中图分类号：U469.7文献标识码：A1.引言混合动力汽车是目前国际上公认的解决环境污染和能源短缺问题的有效途径。再生制动则是混合动力汽车相对于传统汽车的一大节能优势。再生制动[2]（能量回馈制动）对混合动力汽车的燃油经济性和行驶安全性有直接影响，是混合动力汽车的关键技术之一。它能在车辆减速或制动过程中，在保证车辆制动性能的条件下，将车辆动能或位能通过带动电机发电，转化为电能储存在电池中，实现能量回收，同时产生车辆所需全部或部分制动力。既实现了车辆的减速和制动，又有效地降低了整车的燃油消耗。就目前大多数混合动力汽车而言，机械制动与再生制动是并行的。因此机械制动力与再生制动力的合理分配及再生制动力的有效控制是再生制动控制策路的核心，也是能否在保证汽车制动方向稳定性的前提下，尽量多回收制动能量的关键环节。基于此，本文结合某并联混合动力客车产品开发的实际需要，对这种后轮驱动的并联混合动力客车的制动力合理分配与有效控制问题进行了初步探讨，以期建立一种较为适用的再生制动控制策略。2.再生制动控制策略混合动力汽车在制动过程中控制电动机进入发电状态，通过动力传动系统对车轮产生阻力转矩，从而可以在整车制动的同时，通过发电机把整车动能转换成电能储存在能量储存装置(比如蓄电池组)中，实现制动能量回收。混合动力汽车整车制动力是前后轮摩擦制动力和电机再生制动力的组合。因此混合动力汽车制动力分配又包括前后轮制动力分配，和驱动轴再生制动力、摩擦制动力分配两大部分。其中，前后轮制动力分配直接影响汽车制动稳定性，驱动轴再生制动力和摩擦制动力分配则决定了可回收能量的多少。本文所选用的控制策略为并行制动体系控制策略[3]，这种制动力分配控制策略是在在传统汽车定比例制动力分配控制策略思想的基础上发展起来的，能够弥补昀佳制动能量回收控制策略和理想制动力分配控制策略实现较复杂的缺陷，整车制动系统的动态响应较快，并且只需对原制动系统进行较小的改动即可在混合动力汽车上实现所需的控制功能和目标，是一种非常具有应用价值的制动力分配控制策略。传统汽车前后制动器制动力分配存在如下关系[4]：1本课题得到教育部重点项目科研基金（项目编号：2001059）和“863”国家高技术研究发展计划项目（项目编号：2005AA501520）的资助。β=（1）(1)brbFFβ=−（2）式中：bF—整车制动力（N）；bfF—传统汽车前轴制动力（N）；brF—传统汽车后轴制动力（N）；β—前后轴制动力分配系数（N）。该混合动力车为后轴驱动，可在后轴加入电机制动力，引入电机制动力分配系数regβ，定义为：regregbrfFFβ=（3）式中：regF—后轴再生制动力（N）；brfF—后轴摩擦制动力（N）。因此，后轴驱动混合动力客车的制动力分配存在以下关系，如图1所示：其中：bffF—前轴摩擦制动力（N）。根据混合动力客车的系统构成、工作特点、气压制动系统原理、电机特性及主要行驶的工况，制动力分配控制策略中可选择制动强度的大小作为判断依据，按以下三种情况来分配制动力或制动能量：1)当0≤z≤0.1g时，全部采用电机制动（可通过在传统制动踏板的基础上作调整，设置空行程，添加位置传感器，使踏板在较小开度下只传递制动强度需求信号，而不传递制动力的方法来实现），整车制动力完全由电机提供，模拟发动机制动，以回收尽可能多的制动能量，整车制动模式为后轴再生制动模式，bregFF=；2)当0.1g＜z＜0.7g时，采用电机再生制动与摩擦制动的复合制动模式，整车制动力由电机和摩擦制动力共同产生。这样既满足了整车制动力的需求，又回收了足够的制动能量，整车制动工作模式为复合制动模式（即前轮再生制动＋前轮摩擦制动＋后轮摩擦制动），bbffbrfregFFFF=++；3)当z≥0.7g时，为紧急制动,此时由于传统制动系统较成熟可靠，可靠性高，制动力全部制动力bbffbrfregFFFF=++前轴制动力bffbFFβ=后轴制动力regbrfFF+后轴摩擦制动力(1)brfbFFβ=−电机制动力regregbrfFFβ=图1再生制动与摩擦制动之间的关系由摩擦制动提供以保证紧急制动的安全性，在强制动强度z0.6g之后，电机再生制动力会线性减少，当z≥0.7g所需制动力完全由摩擦制动提供，整车制动工作模式为摩擦制动模式（即前轮摩擦制动＋后轮摩擦制动），bbffbrfFFF=+。图2为并行制动系统的控制策略，图中粗实直线为前后轴机械制动力分配曲线，与传统汽车制动系统一样正比于踏板开度，当再生制动力起作用时后轴制动力矩增大制动力曲线上移，上方的粗实折线为机械制动力加再生制动力后前后轴制动力分配曲线。可以看出，同样的制动踏板开度下获得了更高的制动减速度。图2为再生制动力与制动减速度的关系。可以看出，这种控制策略可利用再生制动充分回收低制动强度下的制动能量，适于制动频繁、制动强度较低的城市公交客车应用。在制动强度较高，电机制动力无法满足要求时，采用复合制动方式，来保证制动效能的要求。另外，采用这种控制策略，只需加入再生制动系统，原车的摩擦制动系统结构和摩擦制动力矩的控制方式可以基本不变。电机的制动力矩可根据制动强度要求按图3示折线变化，并由电机控制器进行力矩控制。因此，这种控制策略无论在系统结构上，还是在控制上都是便于实现的[5]图2并行制动系统控制策略图图3电机制动力与制动强度的关系00.10.20.30.40.50.60.70.8020004000600080001000012000制动强度(g)电机制动力(N)该再生制动控制策略中，制动力分配曲线高于理想制动力分配I曲线，制动时容易进入后轴先抱死的不稳定状态。下面分析混合动力汽车应用这种再生制动力控制策略在不同附着系数路面上的制动安全性。选择湿滑土路路面（附着系数ϕ＝0.4）和良好混凝土路面（附着系数ϕ＝0.7）上以制动强度为0.3g、0.5g、0.7g三种不同制动强度进行制动，分析制动安全性以及利用附着系数。图4所示为汽车制动过程的分析，整车在不同附着系数路面上的制动过程有如下关系：1)ϕ＝0.4的湿滑土路面上制动汽车在湿滑土路面（ϕ＝0.4）上制动，从图中可看出，当要求制动强度z＝0.3时，前后轴制动力分配线与制动强度z＝0.3g线的交点A位于ϕ＝0.4的f线和r线围成的范围以内，整车前后轮不会发生抱死，地面附着系数得到充分利用。整车制动是一种安全情况。当要求制动强度z＝0.5g时，前后轴制动力分配线与ϕ＝0.4的r线交于B点，后轴发生抱死，此时整车获得的制动减速度为0.36g，地面附着系数未得到充分利用。由于后轮将要抱死，轮速很低，电机将不能提供再生制动力，此时，前后轴制动力沿着机械制动力分配曲线继续升高，昀终与ϕ＝0.4的f线交于'B点，此时前轴抱死，整车获得的制动减速度为0.35g，前轮先抱死，整车失去转向能力，但是不会发生甩尾或侧滑，是一种稳定状态。可以得出，在ϕ＝0.4的路面上整车昀高可获得0.35g的减速度，对路面的附着力利用不充分。但此时前轮抱死，是一种稳定状态，满足制动安全性的要求。2)ϕ＝0.7良好混凝土路面制动如果汽车在良好混凝土路面（ϕ＝0.7）上制动，当要求制动强度z＝0.3g和z＝0.5g时，从图中可以得出，前后轴制动力分配线与制动强度z＝0.3线分别交于A点、C点，位于ϕ＝0.7的f线和r线围成的范围以内，前后轮不会发生抱死，地面附着系数得到充分利用。整车制动满足安全性要求。图4并行制动控制策略制动过程分析＝0.7g时，前后轴制动力分配线与I曲线交于D点，此时前后轮同时发生抱死，这是稳定状态。且路面附着系数得到充分利用。3.ADVISOR环境下的仿真分析本文在ADVISOR环境[5]下，对以某一客车为例进行仿真分析，对模型中制动力分配控制模块和制动力实施模块进行修改，用本文所述的控制策略代替原有的以车速为制动力分配依据的分配方法，如图5所示为各制动力所承担的制动份额对应制动强度关系。图6所示左右两组图分别为在修改后制动力分配策略的模型上和ADVISOR原有模型上运行北京城市循环的仿真结果对比。右面四幅图为原有模型在北京城市循环下的仿真结果，图5制动分额与制动强度关系图6北京循环ADVISOR仿真结果对比图ADVISOR再生制动策略修改后再生制动策略左面对应四幅图为改进后模型在北京城市循环下的仿真结果。第一幅图为循环车速；第二幅图为电池组SOC状态，由于使用了SOC校正，图中显示与实际运行时SOC变化不完全一样，但是可以看出在改动后的模型仿真结果中SOC值相对较高；在第三幅图中传动系产生的再生制动力高出原有模型的仿真结果。第四幅图为机械制动损失的能量，新控制策略下损失能量明显低于原有模型仿真结果；从仿真结果图中可以看出，再生制动力数值明显提高，soc有所增长，燃油消耗从原模型的百公里36升下降到百公里34.7升，经计算油耗率降低了3.6%。以同样方式在多个典型的城市循环工况下进行仿真试验其结果如表1所示。从上数据可以看出，混合动力汽车在使用再生制动后可以有效地提高燃油效率。并行再生制动力控制策略要求在低制动强度下由再生制动力提供大多数制动力需求，而大多数城市循环中多以制动强度0.1g-0.2g的制动要求制动，因此仿真结果表明再生制动系统回收了大多数制动能量，但是这种再生制动控制策略对于中等制动强度下制动能量的回收，就会相对很少了。4.结论本文提出一套适用于混合动力客车的制动力分配策略。该策略在客车原有制动力分配的基础上并行的加入了再生制动力，再生制动力在小制动强度下提供整车所需大部分制动力需求，有效的回收了制动能量。制动安全性分析表明在大多数路面附着条件下，汽车在该再生制动控制策略下制动能够稳定的制动。在ADVISOR环境下对原有模型制动力分配模块进行修改，将新的控制策略应用到ADVISOR模型中，在多个典型城市循环下进行模拟仿真，对仿真结果进行对比分析，仿真结果表明本文提出的制动力分配控制策略能够有效地增加再生制动能量的回收，提高整车燃油经济性。百公里油耗(L/100Km)北京循环CBDbus循环城市综合循环无再生制动38.339.439.9ADVISOR再生制动控制策略3635.636.5并行再生制动控制策略34.735.135并行控制策略相对于无再生制动燃油经济性提高9.4%10.9%8.5%表1多个循环仿真结果对比王庆年，何洪文，李幼德，初亮，并联混合动力汽车传动系参数匹配[J]，吉林工业大学自然科学学报，20002陈清泉，孙逢春编译，混合动力车辆基础，2001.113詹迅，轻度混合动力系统再生制动系统建模与仿真[D]，重庆大学机械工程学院，20054余志生，汽车理论，机械工业出版社，2000年第三版5曾小华，王庆年，王伟华，初亮基于ADVISOR软件的双轴驱动混合动力汽车性能仿真模块开发[J]汽车工程2003，5SimulationonControlSt