2014 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文
基于Cruise的燃料电池增程式电动汽车再生
制动控制策略研究
杨国1周苏1,2支雪磊1
(1. 同济大学汽车学院，上海201804; 2.同济大学中德学院，上海200092)
[摘要]以蓄电池SOC、车速和制动减速度为约束条件，提出两种针对燃料电池增程式电动车的动态控制再生制动转矩的控制策略。基于Cruise /Simulink联合仿真平台，对所制定的控制策略进行了对比分析。结果表明，与并联再生制动系统相比，在四种典型城市工况下串联再生制动系统的纯电动续驶里程增加率最大达到11.41%，总续驶里程增加率最大值为17.89%，制动能量回收率均增加了28%以上。
关键词：燃料电池；增程式电动车；再生制动；控制策略；联合仿真
主要软件：A VL CRUISE；MA TLAB/SIMULINK
Research of regenerative braking control strategy for fuel cell extended-range electric vehicle based on cruise
Yang Guo1, Zhou Su1,2 Zhi Xue-lei1
1. Automotive College, Tongji University, Shanghai 201804;
2. Chinesisch-Deutsches Hochschulkolleg, Tongji University, Shanghai 200092
[Abstract]: Based on fuel cell extended-range electric vehicle, two control strategies for regenerative braking were proposed with SOC, velocity and braking deceleration. Then this two control strategies, which would finally be compared and analyzed, were simulated on Cruise/Simulink co-simulation platform. The result shows that compared with parallel regenerative braking system, the maximum increase rate of pure battery driving range for series regenerative braking system can be up to 11.41%, meanwhile the maximum increase rate of total driving range is 17.89% and more than 28% of braking energy recovery rate is increased under four different urban conditions.
Key words: fuel cell; extended-range electric vehicle; regenerative braking; control strategy; co-simulation
Software: AVL CRUISE; MATLAB/SIMULINK
1. 前言
汽车在城市工况下行驶时，由于频繁制动，约有50%的总驱动能量转化为制动能量[1-2]，并且绝大部分的制动能量只能以热能的形式耗散掉。因此，研究先进的制动能量回收技术，对延长制动器使用寿命、提高车辆续驶里程具有十分重要的意义。日本本田公司的Prius、Estima和丰田公司的Insight轿车就是成功应用再生制动技术的典范。丰田公司Prius的再生制动系统通过电液比例控制单元调节液压制动力，实现再生制动与摩擦制动的综合控制，在丰田HTS-Ò混合系统下，使整车能量利用率提高了20%以上。
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根据制动控制策略的不同，可将再生制动系统分为具有最佳制动效果的串联制动、具有最佳能量回收率的串联制动以及并联制动[3]。本文针对燃料电池增程式电动汽车（Fuel Cell Extended-Range Electric Vehicle ，FCE-REV ），提出基于蓄电池SOC 、车速和制动减速度的两种动态控制再生制动转矩的控制策略，并于Cruise /Simulink 联合仿真平台进行仿真验证。
2. FCE-REV 动力系统及工作模式
FCE-REV 包含蓄电池和燃料电池两个动力源，其动力系统结构如图1所示。主动力源蓄电池保证FCE-REV 具有全电力驱动能力，辅助动力源燃料电池提供附加能量用以增加FCE-REV 续驶里程。
图1 FCE-REV 动力系统结构
可插拔式燃料电池增程器使FCE-REV 能根据不同的出行需求选择相应的运行模式[4]。短距离出行时，选择短途模式，车辆由蓄电池单独驱动，此时可卸下增程器系统，以减轻整车质量，提高能量利用率；远距离出行时，切换至远程模式，装载增程器系统，车辆由增程器和蓄电池共同驱动，满足车辆续驶里程需求。
3. 制动力分配策略
A VL/Cruise 中内置的盘式制动器模块能根据产生的制动踏板压力与制动系数的乘积求出驾驶员需求制动力矩，确保需求制动力在电机制动和机械制动系统之间的合理分配。车轮制动系数定义式为：
,,2front b f b b b f b A A r c ημ=
（1） ,,2rear b r b b b r b A A r c ημ=        （2）
式中，A front 、A rear 分别为前后轮制动系数，m 3； A b,f 、A b,r 分别为前后轮制动轮缸的活塞面积，
m 2；b η为制动器效率；b μ为制动盘摩擦系数，r b,f 、r b,r 分别为前后轮有效摩擦半径，m ；c b 为制动特性参数。
3.1 并联再生制动系统制动力分配策略
对于并联再生制动系统，总制动力按固定比率分配再生制动力[3]，机械制动力为总制动力与再生制动力的差值，并按理想制动力分配I 曲线在前后轮机械制动系统之间进行分配。
驾驶员需求制动力矩T brake 为：
()2brake b front rear T P A A =+
（3）
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式中，P b 为制动踏板压力，Pa 。若再生制动力与总制动力的分配系数为α，则再生制动力为：
/regen brake F T r α=⋅                          （4）
前轮机械制动力为：
brake regen front friction front rear T T A F r A A -=
⋅+                    （5）
3.2 串联再生制动系统制动力分配策略 尽管串联制动需要改造原有制动系统，但与并联制动相比，其制动能量回收率高出30%以上[3]。为尽可能多的回收制动能量，缩短制动距离，优化驾驶感觉，同时提高制动安全性，本文设定前后轮需求制动力按理想制动力分配I 曲线进行分配。计算电机再生制动力时，需先求得前轮需求制动力矩，即：
2bf b front T P A =⋅                            （6）
一定转速下驱动电机的发电能力受本身发电效率、蓄电池SOC 和车速的影响[5-7]，其最大再生制动力矩T regen 可由
012regen m m t T T i w w ηη=                          （7）
求得。式中，m T 为电机制动转矩，N ·m ；0i 为主减速比；m η为电机发电效率；t η为传动系效率；1w 、2w
2和图3所示。
图3 速度加权系数
比较电机最大制动转矩和需求制动力矩T need 的大小可求得电机再生制动力，即：
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()()bf bf regen regen
regen bf regen T T T F T T T ⎧≤⎪=⎨>⎪⎩/r    /r   
（8） 前轮机械制动力： ()()()0bf regen friction bf regen bf regen T T F T T r T T ⎧≤⎪=⎨->⎪⎩            /  　
（9） 若前轮需求制动力矩小于电机在当前转速下所能提供的最大再生制动力矩，仅采用电机制动，再生制动力矩等于前轮需求制动力矩；反之，电机将产生最大制动力矩，剩余部分由前轮机械制动系统补足。后轮制动力矩仅由后轮机械制动系统提供。
4. 再生制动控制策略
再生制动使能量利用率得到了一定程度的提高，但也无疑对混合动力汽车制动系统的设计增加了难度。一方面需考虑如何在前后轮之间分配总制动力，确保制动安全性；另一方面，如何合理分配驱动轮上的机械制动和再生制动，也成为制约能量回收的主要问题。除此之外，制动能量回收过程能否进行还受到蓄电池SOC 、车速和制动减速度等条件的限制。若制动时SOC 值过高，为延长电池使用寿命，不能进行制动能量回收；车速较低时，电机反电势过低导致其发电能力相对较低，此时不进行制动能量回收；紧急制动情况下，为确保制动安全性，不能进行制动能量回收。当然，制动能量回收的主要制约因素在于电池充电功率和电机发电能力，既不能超过电池当前最大充电功率，也要考虑电机发电能力的约束。
综上，本文制定图4所示的再生制动控制策略：车辆紧急制动情况下，即当制动强度z ≥0.2时，仅采用机械制动；当车速v ≤5km/h 时，仅采用机械制动；当蓄电池SOC ≥0.8时，仅采用机械制动；当制动强度z ＜0.2、车速v ＞5km/h 且电池SOC ＜0.8时，采用电机、机械系统联合制动。需求制动力
SOC ≥0.8v ≤5km/h z ≥0.2
SOC 车速v 制动强度z 机械制动机械制动机械制动联合制动
是
是
是
图4 再生制动控制策略逻辑框图5. 联合仿真验证
5.1 整车仿真模型
图5所示的整车仿真模型由整车模型和增程器模型组成。整车模型在A VL/CRUISE 中搭建，
包含蓄电池模型、驱动电机模型、Matlab DLL 模型、制动器模型和驾驶员模型等；而增程器模型在MA TLAB/Simulink 中搭建，包含燃料电池模型、DC/DC 转换器模型以及再生制动控制策略模型，其中再生制动控制策略模型在Stateflow 中搭建。通过Matlab/Realtime Workshop 工具箱将控制策略模型生成动态链接库DLL 文件，并导入A VL/CRUISE 环境下的MATLAB DLL 模块中，以DLL 文件为媒介，建立联合仿真平台。Cruise 将负荷、蓄电池SOC 、蓄电池功率、电机转速、电机扭矩、车速等信号传递给Simulink 中的燃料电池模型和再生制动控制策略模型，Simulink 将处理后的如、电机负荷、燃料电池启停、制动压力修正等信号传回给Cruise ，从而实现Cruise/Simulink 之间的数据通信[8,9]，完成仿真计算。
图5 FCE-REV 整车仿真模型
5.2 仿真参数和仿真工况
本文研究的FCE-REV 以国内某厂家开发的混合动力汽车为基础车型，根据整车基本参数及初步设定的动力性指标完成部件选型与参数匹配，最终确定的联合仿真参数如表1所示。
表1 仿真参数 整车及动力部件
仿真参数
整车 满载质量1580 kg
车轮滚动半径0.301 m
主减速比6.928
本田电动车驱动电机 峰值功率75 kw
最高转速7500 rpm
蓄电池 额定电压312V
额定容量50Ah
燃料电池增程器
额定功率/25kW
氢罐储氢量/1725.34g