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基于ECE规则和I曲线的电动汽车制动能量回收策略研究
摘要
电动汽车可以将汽车的动能转化为电能进行回收利用。合理的制动力分配策略是保证制动稳定性和能量回收率的关键。针对某电动汽车，基于ECE调节曲线和理想制动力分配(I曲线)，设计了前后轴制动力分配策略，研究了制动能量回收控制策略。采用模糊控制方法,电池的充电功率极限被认为正确的电机的再生制动转矩,电动机的再生制动力的比例对前轴制动力设计根据不同的制动力量,然后制动力分配和制动能量回收控制策略开发再生制动和摩擦制动。利用Simulink和Cruise软件建立了组合车辆的仿真模型和能量回收控制策略。验证了本文的制动能量回收控制策略在不同制动工况和欧洲新循环工况下的有效性。结果表明，本文提出的控制策略满足制动稳定性要求。在初始充电状态为75%的情况下，本文制动控制策略充电状态的变化减少了8.22%，基于I曲线的制动策略充电状态减少了9.12%。前后轴制动力分布曲线符合制动特性，能有效回收制动能量，改善电池充电状态。以电池充电状态95%-5%的使用范围为计算目标，本文采用制动控制策略的车辆巡航范围增加到136.64km，说明本文采用的制动控制策略可以增加电动汽车的巡航范围。
关键词 ：制动能量回收 模糊控制 I曲线 ECE调节 协同仿真
介绍
目前，在新能源汽车的推广热潮中，电动汽车因其在排放、结构、技术等方面的优势而备受关注1。然而，电动汽车的续航里程问题并没有得到有效的解决，成为市场推广的障碍2-4。电动汽车通过电动机驱动车轮，同时在汽车制动时，可将其变为发电机参与制动。它依靠传动系统提供车辆减速所需的阻力，将车辆的动能转化为电能储存在储能元件中5-7。制动过程中的能量回收非常重要，可以提高车辆的能量利用效率，增加续航里程8，9。
电动汽车制动系统由传统摩擦制动系统和电机再生制动系统组成。制动能量回收策略的主要研究内容是如何分配前后轴的摩擦制动力和电机的再生制动力。最大限度地回收制动能量，保证了制动性能的稳定10-12 。Montazeri-GH和Mahmoodi-K13提出了一种基于遗传算法的混合动力汽车(HEV)最优能量管理系统。研究了电池荷电状态(SOC)和杂化因子对混合动力汽车性能的影响，以评价混合动力汽车的油耗和排放。结果表明，与默认配置相比，优化配置的油耗平均降低约14%。结果表明，该控制器在不同的交通条件下，减少了约10%的排放。针对制动稳定性和制动能量反馈效率这两个不同的优化目标，Gao和Ehsani14设计了两种基于神经网络的前后轮制动力恢复制动能量分配策略，并对所提出的控制策略的能量回收效率进行了评价。Gao等15将制动方式按车速和制动强度进行划分，提出了前馈加基于电伺服系统的三闭环反馈的轮缸压力控制算法，协调电液制动力的分配;仿真和整车平台实验表明，该控制算法和制动能量回收策略是有效的。Hu等16在分析结构的基础上，分析了单电机向转矩联轴器的模移过程，以及转矩联轴器过程与信号电机过程的脉动值和动力学关系。仿真结果表明，从单电机到转矩联轴器的模移过程中，限制冲击值小于2.5m/s3，没有动态电源中断。基于理想制动力分配曲线,Chen等人17的模糊控制算法用于分配机械制动力和制动力的电机,然后对再生制动电动机尽可能多的特点,但没有考虑电池的充电和放电功率的限制。Meng18设计了一种基于模糊控制的再生制动控制策略，能满足制动规程的要求，并能最大限度地回收制动能量。协调再生制动控制策略，设计模糊控制器，输入转速、电池荷电状态、制动强度，输出轴前后制动力分配系数、电机制动力分配系数、机械制动力分配系数。
在本文中,制动力分配和制动能量回收策略设计再生制动和摩擦制动的FF（Fronten-gine,前轮驱动布局)电动汽车的理想制动力分配曲线的基础上,结合我曲线和f组和考虑的限制欧洲经济委员会(ECE)规定。在Simulink和Cruise中建立了协同仿真模型，并在不同的制动强度条件和新欧洲驱动循环(NEDC)条件下验证了控制策略的有效性。与基于制动策略的I曲线相比，本文提出的控制策略可以增加车辆的巡航距离，增加制动恢复能量。
制动过程力分析
制动强度
电动汽车的制动力分配策略应基于制动安全性进行设计。考虑到各制动强度的制动安全性，应满足以下要求:理想制动力分布曲线。
在车辆的制动过程中。有三种前后轴的锁紧顺序。在制动时，如果前后轴同时抱拽，则前后制动力之间的关系称为理想制动力分布曲线，即I曲线。根据I曲线对车辆的制动力进行分配，可以保证在任何附着系数路面上，前后轮同时抱死，充分利用地面附着条件。此时，前后轴的制动力满足如下关系
(1)
式中:为前Fbf桥的地面制动力(N);Fbr为后桥对地制动力(N);G为车辆重力(kg);b为质心到后桥中心的距离(m);h为车辆中心高度(m);L是轴距(m)。
f线组和r线组。f线组表示在各种u值路面上制动时，前轮抱死而后轮不抱死时前后轴的地面制动力分布曲线。为了f线组，前后轴对地制动力关系如下
(2)
在不同u值下制动时，后轮比前轮先抱死，前后轴的制动力关系为r线组。对于r线组，前后轴的地制动力关系如下
其中u为地面附着系数;a是质量中心到前轴中心的距离(m)。
ECE制动法规。为了保证车辆的制动稳定性，前轮抱死时后轮必须具有一定的制动强度。为此目的，欧洲经委会制订了ECE-R13刹车规则。欧洲经委会的刹车规则对两轴车辆的前后轴制动力有明确的要求。当制动强度z = 0.2~0.8时，前桥附着系数曲线应高于后桥附着系数曲线，使前轮先抱死，以保证车辆在制动时的方向稳定性;附着系数满足le;（z 0.07）/0.85 和接近理想的曲线 (=z), 为了确保高附着力.对于前轮驱动车辆，ECE下边界为
（4）
前后轴制动力分配
根据有关规定 ECE-R13 规定, 粘附系数在0.2 与0.8 之间时，制动强度z应该满足 的关系和你应该低于超滤;当 z 在0.3与0.4之间 , , 前后轴的制动力分布如式(5)所示
(5)
让理想制动力分配曲线和ECE监管曲线根据方程(1)和(4),与此同时,方程(3)和(4)替换成车辆参数和不同的路面附着系数值为u, f和r线组的车辆路面附着系数不同。制动力分布如图1所示。
图1.前后轴制动力分配特性
从图1可以看出，B点的坐标值为(2680,0)，对应的制动强度为0.21。当制动强度为0lt;zlt;0.21时，车辆的制动性能相对可靠。制动力按AB段分配，制动力全部由前桥承担，提高能量回收率。此时前后轮的制动力分布如下
(6)
根据混凝土与沥青路面共同附着系数0.7，可以得到f线与ECE-R13调节线的交点C(6122,467)，对应的制动强度为0.53。当制动力为0.21lt;zlt;0.53时，为了使前轴尽可能承受制动力，BC段制动力按M曲线分布。此时前后轴的制动力按式(2)进行分配。
当制动力为0.53lt;zlt;0.7时，车辆很容易进入紧急制动状态。为了保证制动性能的稳定性和制动能量的回收，根据CD段u=0:7的f曲线分配制动力。此时前后轮的制动力分布如下
(7)
其中KCD为线段CD的斜率;DX是点D的横坐标;Dy是点D的纵坐标。
当制动强度大于0.7时为紧急制动。为了确保制动的安全性,在这个时候,前方和后方轴的制动力量应该提供一个更可靠的摩擦制动尽可能和分布式的我理想制动力分配曲线段,制动距离。然后前后轴的制动力分布如下
(8)
电机再生制动力分析
电动机具有四象限工作特性，制动时可转换为发电机工作。发电机的特性曲线近似于电动机的特性曲线。可以得出电机再生制动力计算模型如式(9)所示
(9)
其中Fe为电机提供的再生制动力(N);Te为电机提供的再生制动力矩(Nm);eta;T为传输系统效率;nN为电机额定转速(r/min);n是电机的速度(r/min)。
同时，为了防止过度发电对电池造成的损害，有必要限制电机的输出转矩。由式(10)计算电机的发电量，由式(11)计算电池的充电功率，由式(12)计算电机的修正转矩
(10)
(11)
(12)
式中Pgen为电机的发电功率(kW);omega;为电机角速度(rad/s);eta;gen为电机的发电效率;Pchg为电池充电功率(kW);Eb为电池电压(V);Rb为电池的内阻(O);Ichg为充电电流(A);eta;chg为充电效率;Td是电机的修正力矩(Nm)。
控制策略仿真模型
建立了制动力分布模型
车辆、电机、电池相关参数如表1所示。不同的制动意图所需要的制动性能是不同的，分配给前后轴的制动力也是不同的。根据汽车理论，由于制动压
表1。车辆、电机、电池参数表
|
参数 |
数值 |
|
满载车辆的质量(m/Kg) |
1250 |
|
中心的高度(h/m) |
0.48 |
|
轴距(L/m） |
2.6 |
|
质量中心距离前轴中心距离(a/m) |
1.04 |
|
迎风面积(A/m2) |
2.0 |
|
风阻系数(CD) |
0.335 |
|
滚动阻力系数(f) |
0.09 |
|
车辆半径(r/m) |
0.31 |
|
主减速器的减速比(i1) |
6.38 |
|
电机的额定功率(PN/KW) |
75 |
|
电机的最大速度(v/r/min) |
10,000 |
|
电机的额定转矩(TN/Nm) |
240 |
|
电池数量(n) |
5 |
|
电池组最高电压(V-1) |
420 |
|
电池组最低电压(V-1) |
220 |
力与制动踏板行程近似线性，因此本文以制动踏板行程百分比作为制动强度。根据式(5)-(8)，可以在Simulink中建立前后桥的制动力分配模型，如图2所示。
电机再生制动力分布建模
通过以上分析可以看出，电机和电池的工作特性是影响制动能量回收的关键因素。采用模糊控制时，以制动强度、蓄电池荷电状态(SOC)信号、车辆行驶
信号v、制动强度z作为输入。使用Mamdani的控制器类型,比例系数可再生制动力的汽车前轴的制动力设计作为输出信号,和电池的充电功率特性得到纠正电
图2。前后桥制动力分配模型。
动机的输出转矩。其中，制动强度z的模糊子集为(低(L)、中(M)、高(H))，其取值范围为[0,1];车速v的模糊子集为(低(L)，中(M)，高(H))，区间为[0,100];电池的SOC模糊子集为(低(L)，中(M)，高(H))，区间为[0,1];再生制动比例系数Ke的模糊子集为(很低(LL)， 低(L)， 中 (M)， 高 (H)， 很高 (HH))，区间为[0,1];制动强度z、车速v、电池荷电状态、再生制动比例系数Ke的隶属函数如图3所示。所制定的模糊控制规则如表2所示，前轴制动力分配模型如图4)所示。
最后，利用编译工具生成“.dll”文件将整个Simulink模型转换为巡航仿真模型。
仿真结果与分析
根据上述制动力分配策略，选取附着系数为0.8的路面进行联合仿真模型中轻、中、重工况的仿真分析。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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