电动轮汽车再生制动系统控制策略

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第４５卷第２期

２０１５年３月

吉林大学学报（工学版）

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｉｔｉｏｎ）

Ｖ０１．４５Ｎｏ．２

Ｍａｒ．２０１５

电动轮汽车再生制动系统控制策略

宋世欣，王庆年，王

达

（吉林大学汽车工程学院，长春１３００２２）

摘要：运用汽车制动稳定性理论对电动轮汽车的机电复合制动系统进行了分析，参考已有的

再生制动控制策略，提出了适用于电动轮汽车的再生制动系统控制策略。使用ＮＥＤＣ工况，分别对电动轮汽车和普通电动汽车进行仿真分析，结果表明：所提出的再生制动系统控制策略适用于电动轮汽车，并且能使电动轮汽车在制动稳定性、能量回收能力上明显优于普通电动汽

车。

关键词：车辆工程；电动轮汽车；再生制动；刺动力分配；控制策略中图分类号：Ｕ４６７．７

文献标志码：Ａ

文章编号：１６７１—５４９７（２０１５）０２—０３４１一０６

ＤＯＩ：１０．１３２２９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｄｘｂｇｘｂ２０１５０２００１

Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎ—ｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅ

Ｓｈｉ—ｘｉｎ，ＷＡＮＧＱｉｎｇ—ｎｉａｎ，ＷＡＮＧ

ＳＯＮＧＤａ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｖｅｈｉｃｌｅｂｒａｋｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｏｒｙ．Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ

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ｏｆｖｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈｍｏｔｏｒｉｚｅｄｗｈｅｅｌｉｓａｎａｌｙｚｅｄｅｘｉｓｔｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ

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ｔｏ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｉｎ—ｗｈｅｅｌ—ｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅ；ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｅ；ｂｒａｋｅｆｏｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ

随着汽车工业的发展，传统内燃机所带来的空气污染日益加重以及石油短缺的问题，正在得到越来越多的关注［１］。电动汽车的出现有效地解决了节能与环保的双重问题，被认为是传统车辆的理想替代品［２］。电动汽车具有能量来源可持续、零排放、低噪音等优势，同时，电动汽车通过自

收稿日期：２０１４—０３—２６．

身的驱动电机，可以实现制动能量回收功能。

制动能量回收，即汽车在制动时，通过电机将行驶时的部分机械能转化为电能储存在动力电池、超级电容等储能设备中，供驱动时使用，以达到延长电动汽车续驶里程的目的，同时还可起到减少制动器工作强度、延长机械制动系统寿命的

基金项目：科技部国际合作计划项目（２０１０ＤＦＢ８３６５０）．

作者简介：宋世欣（１９８７一），男，博士研究生．研究方向：汽车系统动力学．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｓｈｘ＠１２６．ｔｏｍ

通信作者：王庆年（１９５２一），男，教授，博士生导师．研究方向：混合动力汽车关键技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｑｎ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃａ

３４２

吉林大学学报（工学版）

第４５卷

作用。

因为具备上述优点，制动能量回收技术已成为纯电动汽车和燃料电池汽车等新能源汽车节能减排的主要技术之一。本文针对电动轮驱动电动汽车的制动系统进行分析，提出了适用于电动轮汽车的制动能量回收策略，并对该策略进行了仿真分析。

１整车制动受力分析

把整车看作一个刚体，当汽车沿水平路面进行制动时，受力情况如图１所示。针对电动轮汽车的特点，为便于分析，对整车模型提出如下假设和简化：

（１）视整车为刚体，假设在绝对平坦的水平路面上行驶，忽略悬架系统、簧上质量与簧下质量间的相互影响。

（２）忽略轮毂电机在驱动和制动时可能产生的转矩脉动所带来的影响。

（３）忽略汽车行驶时的空气阻力、轮胎滚动阻力以及车轮转动惯量在制动时的影响。

（４）假设制动时车轮不会滑移。

图１整车制动受力

Ｆｉｇ．１

Ｖｅｈｉｃｌｅｂｒａｋｉｎｇｆｏｒｃｅ

图１中，Ｌ为轴距，口为车辆质心至前轴中心线的距离，ｂ为车辆质心至后轴中心线的距离，Ｌ

＝口＋ｂｏｈ。为车辆质心高度。Ｅ。。、ｔ砬分别为前

后车轮的总制动力，对于电动轮汽车有：

』Ｒｂ，２‰＋Ｆ㈣

，

（１）

＼１，

１Ｒｂ２＝ＦＩｂｒ２＋Ｆｘ啪

式中：Ｒ。ｄ、Ｅ砒分别为前后轴的再生制动力；Ｅｈ。、Ｅ啪分别为前后轴的机械制动力。

分别对前轮接地点、后轮接地点取力矩，得：

ｆＦ，１Ｌ—ｍｇｂ＋ｍ参ｅ

＜

（２）

，

卜Ｌ＿ｍｇ一优参ｓ

式中：Ｆ。。为地面对前轮的法向反作用力；Ｆ以为

地面对后轮的法向反作用力；ｍ为汽车质量；譬

为汽车减速度。

令ｉｄｕ＝馏，ｚ称为制动强度，可求得：

ｆＦ：ｌ—ｍｇ（６＋劢。）／Ｌ

…

ＩＦ：２＝ｍｇ（口一ｚｈｇ）／Ｌ

若车辆在不同附着系数的路面上进行制动，前、后车轮均抱死（不论是同时抱死还是分别先后

抱死），此时面ｄｕ＝锷，驴为路面附着系数，则前、后

轮的法向反作用力可改写为：

ｆＦ＝ｌ一孵（６＋砷ｓ）／ＬＩＦ：２＝孵（ｎ一咖。）／Ｌ

（４）

在任何附着系数９的路面上，前、后车轮同时抱死的条件是：前、后轴制动力之和等于总附着力，并且前、后车轮制动力分别等于各自的附着力［３］，数学表达式如下：

ｒＥｂｌ＋Ｒｂ２＝９Ｇ＿凡ｂ１一够Ｆ。１

（５）

ｌＲ。。：≯；。

联立式（４）（５）可得前、后车轮同时抱死时轴间制动力分配关系：

‰２斟￡√蚪等凡一（警＋２‰）］

（６）

式（６）即为理想的前、后轮制动力分配曲线。

２典型再生制动控制策略

电动汽车中再生制动系统的加入，为电动汽车制动策略的设计添加了一些复杂性，再生制动系统的控制策略应满足以下要求：

（１）合理分配前轮与后轮的制动力，以保证车辆制动时的稳定性。

（２）合理分配机械制动与再生制动的制动力，在不影响制动性能的前提下，力求尽可能多地回

收能量，以增强车辆续航能力。

（３）控制策略应与ＡＢＳ、ＥＳＰ等系统相融合，不影响其性能。

２．１并行制动控制策略

并行制动控制策略主要应用于单轴驱动的新

能源汽车的并行制动系统。所谓并行制动系统是

指在不改变传统汽车制动系统的基础上，加入一个制动电机，也就是电动汽车的驱动电机，这样并行制动系统的驱动轴在制动时采用机械制动与再

第２期宋世欣，等：电动轮汽车再生制动系统控制策略

３４３

生制动联合制动，非驱动轴仅采用传统的机械制动‘４｜。

图２为一种典型的并联制动系统控制策略，可以看出这种策略较为简单，仅需获取驾驶员的制动踏板开度便可依据策略进行机电制动力的分配，不改变传统的制动操纵系统即可实现，成本低，但是其简单的执行机构和控制策略很难兼顾制动稳定性和能量回收最大化。

３

电动轮汽车再生制动控制策略

一直以来，因电动轮汽车驱动力矩可自由分

配，可以实现力矩矢量控制等传统汽车上很难实现的控制策略，因此得到了越来越多的关注。

电动轮汽车的４个车轮内均安装有轮毂电机，且随着电机、电池技术的发展，再生制动能力有了很大提升，在中低强度制动时，轮毂电机及电池系统所能提供的再生制动能力完全可以满足制动要求，此时可以依据Ｉ曲线进行制动力分配，达

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需啦

亿Ｚ刁前轮机械￡§：囚后轮母械暖葛翮宴垫甲馈

制动力

▲一

制动踏板开度／％

Ｒ幅啦袋

＿Ｌｌ娶

到在获得尽可能多的回收能量的同时保证制动稳定性，中高强度制动下再生制动与机械制动一同工作，以保障制动强度，这是电动轮汽车理想的再生制动控制思路，需要所配备的制动操纵机构具

前轮制动力

有如下特点：

（１）操纵机构具有较长的液压制动系统空行程，且在空行程内具有一定的踏板力模拟能力，以

图２并联制动系统控制策略

Ｆｉｇ．２

Ｐａｒａｌｌｅｌｂｒａｋｉｎｇ

满足低强度时只有再生制动系统工作而机械制动系统不介人工作的需要。

（２）制动操纵机构应具备在一定范围内自由调整液压制动系统压力的能力，可以在机械制动系统与再生制动系统共同工作时调整二者的制动力分配。

近几年一些科研人员都提出了能够满足以上要求的新能源汽车制动操纵机构［６］，本文选用一种新型的机电复合制动系统制动操纵机构［７３来实现所提出的电动轮汽车再生制动系统控制策略。

图３为电动轮汽车制动系统控制流程，图４

ｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ

２．２理想制动力分配控制策略

该控制策略按照理想制动力曲线（即Ｉ曲线）进行分配，当电机可提供的制动力大于等于驱动轴所需的制动力时，该轴制动力都由电机提供，而非驱动轴制动力由机械制动器提供；当电机可提供的制动力小于驱动轴所需的制动力时，电机提供最大再生制动力，其余部分由驱动轴的机械制动器提供，非驱动轴制动力全部由机械制动器提供。

该策略可同时兼顾制动稳定性和能量回收最大化，对该策略的研究主要集中在仿真阶段，该策略要求制动操纵机构具有独立精确控制前后轴制动力分配的能力。因市场上现有的电动汽车多为单轴驱动且搭配传统的制动操纵机构，无法对机械制动系统和再生制动系统单独进行操纵，故还未得到实际应用。２．３其他分配策略

国内外学者曾提出过混合并联式制动策略［４］、最佳制动能量回收控制策略［５］等，针对适用车型再生制动系统的特点，在并行制动控制策略和理想制动力分配控制策略的基础上提出。这些策略大都是针对普通单轴驱动电动汽车，适用于电动轮汽车的很少。

为所提出的控制策略。

黼匿

传感器ｌ

机电复合制动系统制动力解算模块

机制信一械动号呻

一制操机一动纵构

机械制动系统

车体

再生制动

信号ｌ电池、电机及ｒ＿

—１控制器系统Ｌ

可提供最大再生制动力

车身加速度传感器反馈信号

图３

Ｆｉｇ．３

电动轮汽车制动系统控制流程

ｉｎ－ｗｈｅｅｌ－ｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅ

Ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｂｒａｋｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ

３４４

吉林大学学报（工学版）第４５卷

图４电动轮汽车制动系统控制策略

Ｆｉｇ．４

Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｉｎ－ｗｈｅｅｌ－ｍｏｔｏｒｖｅｈｉｃｌｅｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

４模型建立及仿真分析

４．１模型建立

本文采用ＡＭＥＳｉｍ软件对纯电动汽车、车辆行驶环境及驾驶员模型进行建模。模型中的电池、电机子模型采用查表的方式建立，相关性能数据由实验获得，该方法建立的模型使得仿真结果更接近于实际。为对比采用理想再生制动力分配策略的电动轮汽车与采用并行制动力分配策略的普通电动汽车在制动力分配特性、制动稳定性、制动能量回收能力等方面的不同，上述模型采用表ｌ中的两组参数分别进行仿真，两种目标车辆具有

表１仿真参数

Ｔａｂｌｅ１

相同的整备质量、几何参数和电池模型，以及相近的电机功率，因此具备可比性。仿真工况采用ＮＥＤＣ标准工况。４．２仿真结果分析

按照前面制定的机电复合制动分配策略以及仿真模型，采用ＮＥＤＣ工况进行了Ａ、Ｂ车型的仿真对比。

图５为两种车型的机电复合制动制动力矩分配曲线，由图５（ａ）可以明显看出，因ＮＥＤＣ工况中制动强度偏小使得Ａ车型在很多情况下制动踏板开度未超过踏板空行程，此时只有再生制动工作而机械制动并未工作；图５（ｂ）中Ｂ车型因采用并行制动控制策略，并且仅使用传统的制动操纵机构，只有很少的制动踏板空行程，故Ｂ车型

Ｂ车型中置电机前轮驱动

１３００２７００１３５０３７５０．２９５５

３２０Ｖ，６０Ａｈ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ

参数

驱动形式

Ａ车型轮毂电机

四轮驱动

再生制动与机械制动都是同时介入工作。

图６为前、后车轮制动力分配的仿真结果。Ａ车型和Ｂ车型的前轮制动力矩需求要大于后轮，但Ｂ车型只有前车轮具有再生制动能力，因此前轮制动力矩与后轮制动力矩的差值较Ａ车型更加明显。

实际制动力矩的分配与理想制动力分配曲线的对比如图７所示。该图能更加鲜明地反映Ａ、Ｂ车型在前、后车轮制动力分配特点及制动稳定

整备质量／ｋｇ

轴距／ｍｍ

１３００２７００１３５０３７５０．２９１５×４３２０Ｖ，６０Ａｈ

质心距前轴中心距离／ｍｍ质心高度／ｍｍ车轮半径／ｍ电机额定功率／ｋＷ电池参数

机电复合制动分配策略

理想制动力分配并行制动力分配

第２期宋世欣，等：电动轮汽车再生制动系统控制策略

３４５

●８００●

７００６００

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３００Ｏ

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，／１０３ｓ

ｔ／１０’ｓ

ｆａ）Ａ车型

（ａ）Ａ车型

，００

一Ｅ，、壤Ｒ

０００

川０、ｓ

ｅｆｌ０：ｓ

（ｂ）Ｂ车型

Ｉｂ）Ｂ车型

图６

前、后车轮总制动力矩分配对比

图５机械制动、再生制动制动转矩分配对比

Ｆｉｇ．６

Ｃｏｎｔｒａｓｔｏｎ

ｔｏｔａｌｂｒａｋｉｎｇｔｏｒｑｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ

Ｆｉｇ．５

Ｃｏｎｔｒａｓｔ

ｏｎ

ｂｒａｋｉｎｇｔｏｒｑｕｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈ

ｆｒｏｎｔｗｈｅｅｌｓａｎｄｒｅａｒ

ｗｈｅｅｌｓ

ａｎｉｃａｌｂｒａｋｉｎｇａｎｄｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇ

１００％，一个ＮＥＤＣ循环终了时，Ａ车型ＳＯＣ为性方面的区别。图７（ａ）中，Ａ车型的实际制动力９５．５０％，Ｂ车型ＳＯＣ为９４．５８％，若关闭再生制分配始终跟随Ｉ陆线，与Ｉ曲线贴合较好；图７（ｂ）动功能，两个车型的ＳＯＣ在仿真结束时均为中，Ｂ车型的实际制动力分配明显在Ｉ曲线之下，９３．５７％。Ａ车型的制动能量回收率为３０．０２％，Ｂ并且与Ｉ曲线距离较远，说明Ａ车型具备明显优车型的制动能量回收率则为１５．７１％。可以看于Ｂ车型的制动力分配特性及制动稳定性。

出，在ＮＥＤＣ这种以中低强度为主的工况中，采图８为一个ＮＥＤＣ循环中不同车型的电池用理想制动力分配策略的Ａ车型，其制动能量回ＳＯＣ变化曲线。仿真初始时的电池ＳＯＣ设置为

收能力明显高于Ｂ车型。

Ｏ

０

Ｏ

０

Ｏ

０Ｏ

Ｏ

０

００

０２

０．４

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ｌ６

ｌ８

前轴制动力矩／【１０３Ｎｍ）

前轴制动力矩／（１０３Ｎｍ）

（ａｌＡ车型

（ｂ）Ｂ车型

图７实际前、后车轮制动力矩分配情况

Ｆｉｇ．７

Ａｃｔｕａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔａｎｄ

ｒｅａｒ

ｂｒａｋｉｎｇｔｏｒｑｕｅ

３４６

吉林大学学报（工学版）

第４５卷

装Ｕｏ∽

“１０３ｓ

图８

ＳＯＣ仿真结果

Ｆｉｇ．８

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆＳＯＣ

５结束语

提出了适用于电动轮汽车的制动系统控制策略，通过对搭载该控制策略的电动轮汽车模型进行仿真，验证了其较使用传统并行控制策略的电动汽车在能量回收比例方面具有很大优势，且该策略使电动轮汽车的制动力分配接近于理想制动力分配曲线，具有很好的制动稳定性。实现该策略所使用的制动操纵机构较传统制动操纵机构改动很小，容易实现，且在节能和行驶稳定性方面优势明显，是电动轮汽车再生制动系统比较理想的控制策略解决方案。参考文献：

［１］Ｇａｏ

Ｙｉ—ｒａｉｎ，ＣｈｅｎＬｉ—ｐｉｎｇ，ＥｈｓａｎｉＭ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ

ｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｆｏｒＥＶ

ａｎｄ

ＨＥＶ［Ｃ］｝｝ＳＡＥ．１９９９－０１—２９１０．

［２］Ｅｈｓａｎｉ

Ｍ，ＧａｏＹｉ－ｍｉｎ，ＢｕｔｌｅｒＫＬ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ

ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙｐｅａｋｉｎｇｈｙｂｒｉｄ（ＥＬＰＨ）ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓ—ｔｅｒｎ

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ｆｕｌｌ—ｓｉｚｅ［Ｊ］．Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ

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