1. 引言

相對于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動汽車具有零排放、噪音小、行駛平順、起步加速性能好、結(jié)構簡單等優(yōu)點。因此，各國政府及汽車企業(yè)都十分重視純電動汽車的發(fā)展。許多國家相繼推出了限制或禁止燃油車銷售的時間表。我國雖然沒有確定禁售燃油車的具體時間表，但也一直非常重視新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。早在2012年國務院就將發(fā)展新能源汽車作為國家戰(zhàn)略 [1]?！吨袊圃?025》 [2] 《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》 [3] 等政府對于新能源汽車行業(yè)發(fā)展的政策推動著純電動汽車的發(fā)展。

由于純電動汽車的能量源為電池，在不同的行駛工況下續(xù)駛里程會有一定的波動，大部分純電動汽車的續(xù)駛里程在400 km到600 km之間。但純電動汽車存在充電慢的技術瓶頸。世界各國的車企、高校、研究院等機構都在電池技術、能量管理等發(fā)面做了大量的研究。在提高電池能量密度的技術未突破前，提高電池能量利用率是一個可行的研究及實現(xiàn)方向。研究表明，傳統(tǒng)燃油車在城市工況下行駛，大概有1/3到1/2的能量在制動過程中轉(zhuǎn)化為熱能消耗 [3] [4]。在制動時，純電動汽車的電動機功能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機，把車輛部分動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中。因此，純電動汽車在制動過程中具有巨大的能量回收潛力。

純電動汽車實現(xiàn)制動能量回收時，電動機能夠提供一定的電機制動力，及再生制動力 [5]。但此制動力往往比較小，不能夠完全滿足制動需求，因此需要加入液壓制動力。傳統(tǒng)的液壓制動由制動踏板及真空助力器推動，由于純電動汽車沒有發(fā)動機真空源，及純電動汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，線控制動系統(tǒng)將逐漸替代傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)。線控制動系統(tǒng)是一種先進的電控化的新型汽車制動系統(tǒng)，通過電控實現(xiàn)液壓制動，具有不依賴真空源、快速建壓、與制動踏板解耦、能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛的主動制動等優(yōu)點 [6]，已成為行業(yè)公認的下一代汽車制動系統(tǒng)主流解決方案。

2. 純電動汽車線控制動系統(tǒng)結(jié)構

本文以前輪驅(qū)動的純電動汽車為研究對象，其整車系統(tǒng)及制動系統(tǒng)的結(jié)構如圖1所示，線控制動系統(tǒng)包括電機再生制動系統(tǒng)和ESC液壓制動系統(tǒng)。電機再生制動系統(tǒng)提供的再生制動力由驅(qū)動電機提供，其再生制動力的大小受到電機、電池等因素限制。當再生制動力的大小不能滿足制動力需求時，剩余需求的制動力由液壓制動系統(tǒng)提供，由此保證制動需求，滿足制動安全性。

當制動踏板工作時，即駕駛員踩下制動踏板，線控制動系統(tǒng)根據(jù)踏板開度確定整車的需求制動力。整車控制器根據(jù)電機的當前狀態(tài)和電池的荷電狀態(tài)SOC (State of Charge)值確定電機再生制動力，確定完電機再生制動力，再根據(jù)制動需求確定液壓制動力。電機再生制動力由驅(qū)動電機提供，通過減速機構和差速器傳遞到前輪，此時驅(qū)動電機轉(zhuǎn)化為發(fā)電機，動力電池處于充電狀態(tài)。液壓制動力由ESC液壓單元提供，并可以作用于四個車輪。前輪的制動力由液壓制動力與電機再生制動相互協(xié)調(diào)控制，后輪的制動力完全由液壓制動力提供。

圖1. 純電動汽車制動系統(tǒng)結(jié)構

3. 仿真建模

3.1. 整車模型

本文采用AMEsim15自由度整車模型，包含整車車身、四個輪胎、傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。其整車模型如圖2所示，通過確定整車參數(shù)對整車模型進行設置。

3.2. 電池模型

在本文的純電動車上，動力電池組由多個電池元件串聯(lián)、并聯(lián)組成。一個分支中串聯(lián)的電池元件數(shù)量為96，并行的分支數(shù)量為2。單個電池元件的容量為70 A?h，電壓為3.65 V，內(nèi)阻為0.0661 Ω。把串、并聯(lián)成的電池元件等效成理想的電壓電阻模型，其內(nèi)部的電阻、電壓與電池的SOC變化有關，其關系由實驗曲線表示。電池的SOC值是描述電池電量狀態(tài)的重要參數(shù)，表示電池剩余電量與額定電量的比值，用如下公式進行表示。

式中： SOCinit為初始SOC；CN為電池的等效電容；I0為電池電流。

在AMEsim中電池模型如圖3所示，當SOC值大于95%時，電池不充電，即電機不進行制動能量回收；當SOC值小于5%時，電池不在提供電量，仿真停止。

圖2. AMESim中的15自由度整車模型

圖3.  AMESim電池模型

3.3. 電機模型

本文采用交流感應電機模型，電機轉(zhuǎn)矩的延時模型用公式(2)表示，電機功率則用公式(3)表示。

式中：Tm為電機實際轉(zhuǎn)矩；Tlim為當前轉(zhuǎn)矩；tr為時間常數(shù)；w為轉(zhuǎn)速；pm為電機功率。當 pm大于0時，電機處于驅(qū)動模式；當 pm小于0時，電機處于發(fā)電模式，此時電動機的功能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，給電池進行充電。同時，當w > 0，說明車輛在正向行駛；當w < 0，說明車輛在倒車行駛。在AMESim中電機模型如圖4所示，通過確定電壓、轉(zhuǎn)速與扭矩的關系曲線設置電機參數(shù)。

圖4. AMESim中電機模型

3.4. ESC液壓控制單元模型

本文的液壓控制模型包括增壓閥、減壓閥、常通閥、旁通閥、單向閥等電磁閥模型，蓄能器模型，泵電機模型等，具體結(jié)構如圖5所示。ESC液壓控制單元采用X型管路，右后輪RR和左前輪LF共用一個管路，左后輪LR和右前輪RF共用一個管路。當需要液壓制動力時，iBooster機械電子助力器工作，制動油液從制動主缸流出，在正常狀態(tài)下，通過常通閥和增壓閥流入制動輪缸，當需要控制輪缸液壓力時，通過控制增壓閥、減壓閥開啟和關閉來控制制動油液在輪缸內(nèi)的流入與流出，從而控制液壓制動力的大小。通過控制電磁閥的關閉，可以單獨控制每個輪缸的液壓力，從而既能夠?qū)崿F(xiàn)前輪電機再生制動力與液壓制動力的協(xié)調(diào)，又能夠?qū)崿F(xiàn)后輪液壓力的調(diào)節(jié)。

圖5. ESC液壓控制單元

4. 制動能量回收控制策略

最大限度的對純電動汽車制動能量進行回收是在保障制動安全的前提下實施的，在制定能量回收空著策略時，首先保證制動的安全性，因此本文的制動能量回收控制策略是以車輪防抱死曲線為界限分配進行制動力分配的。如圖6所示，根據(jù)公式(4)可得到前輪先抱死曲線，即f線組；根據(jù)公式(5)可得到后輪先抱死曲線，即r線組。

式中， FXb1、 FXb2為地面對前、后輪的切向力。

圖6. 前后軸抱死曲線

通過傳感器技術確定行駛的路面附著系數(shù) φ，由此可以確定前、后輪在該路面附著系數(shù)下的抱死曲線，從而能夠確定出在該路面附著系數(shù)下以前、后輪抱死曲線為界限的車輛前后軸制動力分配的范圍。

根據(jù)電機模型及電池充電特性對電機再生制動力的約束確定電機可提供的最大再生制動力，其具體的關系如圖7所示。

當純電動汽車制動時，根據(jù)制動踏板開度確定車輛前后輪總制動力，再根據(jù)車速確定電機可提供的最大再生制動力，當前輪能夠提供的最大再生制動力在防抱死曲線范圍內(nèi)，則電機的再生制動力完全提供給前輪，剩余的需求制動力由液壓提供，其液壓力根據(jù)制動的安全性在前后軸進行合理的分配。當前輪能夠提供的最大再生制動力在防抱死曲線范圍之外，則以抱死曲線分配前輪制動力，并由電機再生制動力提供，剩余的需求制動力完全由后輪的液壓制動力提供。由于ESC具有防抱死的功能，因此在本文的最大限度進行制動能量回收時，依然可以保證車輛的制動安全性。

圖7. 電機再生制動力矩曲線

5. 仿真結(jié)果

純電動汽車制動過程中，一部分機械能在電機再生制動過程中轉(zhuǎn)化為電能，儲存在電池中，此時電池進行充電，一部分機械能轉(zhuǎn)化熱能。采用公式(6)計算在制動過程可以轉(zhuǎn)化的機械能。

電機再生制動過程中，通過流入電池的電流和電壓計算回收到電池的能量，用公式(7)表示。

由公式(6)，公式(7)計算出制動能量回收率，用公式(8)表示。

本文采用WLTP工況進行仿真，其整車的速度跟隨情況如圖8所示，在本模型中，車輛能夠很好地跟隨工況行駛。

圖8. WLTP工況下車速跟隨情況

圖9. WLTP工況下電池能量變化曲線

車輛在一個WLTP工況下行駛，其電池的能量變化如圖9所示，電池輸出的能量是指在整個行駛工況下總的輸出能量；電池回收的能量是指電機再生制動過程中充到電池內(nèi)的能量；電池消耗的能量是指電池輸出能量與回收能量的差值，是電池實際消耗的能量。在一個WLTP工況下，電池回收了3253.7 kJ，實際消耗了12,578.2 kJ。能量回收率達到26%左右。

6. 總結(jié)

本文分析了純電動汽車的線控制動結(jié)構及工作原理，分析了電機再生制動和液壓制動協(xié)調(diào)控制的需要。對整車模型、電機模型、電池模型、ESC液壓制動單元等進行建模，探究了純電動車最大制動能量回收潛能的制動力分配方法，并進行了仿真分析，仿真結(jié)果顯示純電動車在制動過程中具有很大的能量回收潛力，并能夠?qū)崿F(xiàn)部分的能量回收，對于增加車輛的續(xù)駛里程具有重要的意義。

參考文獻

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