基于Simulink的純電動汽車再生制動模型搭建

電動汽車制動力分配策略的研究，無外乎在考慮ECE制動法規(guī)、電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩限制以及電池充放電特性的條件下，對前后軸制動力分配策略理論進(jìn)行改善。本文研究的是四輪驅(qū)動的電動汽車，搭建基于Simulink的純電動汽車再生制動模型。

1、理想制動力分配控制策略

理想制動力分配控制策略，其字面意思就是按照理想制動力分配曲線（即I曲線）來分配汽車的前后軸制動力。傳統(tǒng)汽車前后軸的制動力分配是一個固定值，即制動力分配系數(shù)為定值，但對于加入電機(jī)制動的電動車，這里則是實時按照I 曲線來確定制動力分配系數(shù)的值。

電動汽車應(yīng)用這種制動力分配的控制策略最大的優(yōu)點則是可以充分利用地面附著力，并且在制動過程中也能保證很好的制動效能，保證制動時行車的安全。其次，我們在保證制動效能的同時，通過電機(jī)的制動力，也能在很大程度上提高制動能量的回收。在電動車，若后軸要求的總制動力小于電機(jī)能夠提供的制動力時，則只對后軸進(jìn)行電機(jī)制動，而前軸的機(jī)械制動力則會按照I 曲線來分配，若后軸要求的總制動力大于電機(jī)能夠提供的制動力時，首先保證電機(jī)制動力為最大，然后分配后軸機(jī)械制動力，最后分配前軸機(jī)械制動力。這樣保證制動能量被更多的回收，應(yīng)充分的發(fā)揮電機(jī)的制動作用。

此控制策略優(yōu)點很明顯，但由于需要實時根據(jù)車速、SOC、制動強(qiáng)度Z等信號來改變分制動力分配系數(shù)，策略較復(fù)雜，綜合考慮，工程上難以實際運(yùn)用。

2、最大化能量回收控制策略

汽車在ECE法規(guī)要求下，為保證制動時方向的穩(wěn)定性和有足夠的制動效能，前軸利用附著系數(shù)曲線則應(yīng)始終在后軸利用附著系數(shù)曲線的上方，按照此要求，得到ECE法規(guī)曲線。基于理想制動力分配曲線（I曲線）、橫軸、f線以及ECE法規(guī)曲線所圍成的區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)取合適的點，然后將電機(jī)制動的比例控制到最大化，盡可能來利用電機(jī)制動力，以保證制動能量回收率達(dá)到最大。

當(dāng)電機(jī)制動力大于ECE法規(guī)的允許制動力，電機(jī)制動力取ECE法規(guī)規(guī)定的最大值，如果電機(jī)制動力大于理想配曲線規(guī)定的制動力，但小于ECE 法規(guī)的允許制動力，電機(jī)制動力取實際輸出的最大值。如果電機(jī)制動力小于理想曲線規(guī)定的制動力，則啟動機(jī)械制動進(jìn)行彌補(bǔ)，前后軸的制動力滿足理想分配曲線,如果電機(jī)制動力超過了ECE分配線或者前輪抱死的曲線，即超過了制動系統(tǒng)允許的最大制動力，則應(yīng)將電機(jī)制動力控制在其允許的最大值。

這種控制策略之下需要同時控制制動器和電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，控制復(fù)雜，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難實現(xiàn)。

3、并聯(lián)分配控制策略

并聯(lián)制動系統(tǒng)包括機(jī)械制動和電機(jī)制動,它是在傳統(tǒng)機(jī)械制動系統(tǒng)下，在驅(qū)動軸中加入一套電機(jī)制動系統(tǒng)。而在整個的制動過程中，電動汽車前后軸的總制動力也始終按照固定的制動力分配系數(shù)來分配。同時、平行地產(chǎn)生制動力是這種制動力控制策略最大的不同。

總的來說，由于并聯(lián)制動系統(tǒng)只需要在原來的機(jī)械系統(tǒng)中加入一套電機(jī)制動系統(tǒng)，所以，對比前面兩種策略，并聯(lián)制動系統(tǒng)在控制系統(tǒng)上較簡單且更容易實現(xiàn)，而且，原來機(jī)械系統(tǒng)的保留，也使制動時車輛的安全性得以保證。當(dāng)制動減速度要求比較小，小于一個給定的值，如a/g=0.15時，制動系統(tǒng)將執(zhí)行電機(jī)制動，當(dāng)制動時減速度較大時，如a/g>0.7時，為保證電動汽車在制動過程的安全性和穩(wěn)定性，此時只執(zhí)行機(jī)械制動，而當(dāng)0.15

下圖所示為并聯(lián)分配策略的流程圖。然而，這種控制策略美中不足的是對于制動能量回收的利用率并不高，還有待于進(jìn)一步提高。

4、基于Simulink的純電動汽車再生制動模型
在Matlab/Simulink中建立純電動汽車的整車模型。

4.1、車身模型

整車參數(shù)設(shè)置：

該模塊考慮了車身質(zhì)量、空氣動力阻力、道路坡度以及由于加速度和道路輪廓而導(dǎo)致的車軸之間的重量分布。車輛的每個軸上可以有相同或不同數(shù)量的車輪?？蛇x包括俯仰和懸架動力學(xué)或附加可變質(zhì)量和慣性。車輛不能相對于地面垂直移動。
4.2、輪胎模型

輪胎模型表示以輪胎魔術(shù)公式為特征的公路輪胎的縱向行為。該模塊由輪胎-道路交互（魔術(shù)公式）和SimscapeFoundation Library Wheel和Axle模塊構(gòu)建而成。包括輪胎慣性、剛度和阻尼的影響。
4.3、電機(jī)控制器模型

該模塊可以在PWM或平均模式下由受控PWM電壓模塊驅(qū)動。在PWM模式下，如果PWM端口電壓高于使能閾值電壓，則電機(jī)通電。在平均模式下，PWM端口電壓除以PWM信號幅度參數(shù)定義導(dǎo)通時間與PWM周期的比率。使用此比率和關(guān)于負(fù)載的假設(shè)，模塊將平均電壓施加到負(fù)載，以實現(xiàn)正確的平均負(fù)載電流。受控PWM電壓和H橋模塊的仿真模式參數(shù)值必須相同。
控制器參數(shù)設(shè)置：


4.4、PWM

該模塊在PWM和REF端口上創(chuàng)建脈寬調(diào)制（PWM）電壓。脈沖低時輸出電壓為零，高時等于輸出電壓幅度參數(shù)。占空比由輸入值設(shè)置。右鍵單擊模塊并選擇Simscape->Blockchoice以在電氣+ref/-ref端口和PS輸入u之間切換以指定輸入值。
PMW參數(shù)設(shè)置：

4.5、駕駛員模型

該模塊一種參數(shù)化縱向速度跟蹤控制器，用于基于參考和反饋速度生成標(biāo)準(zhǔn)化的加速和制動指令。
4.6、電機(jī)模型

該模塊表示直流電機(jī)的電氣和扭矩特性。
該模塊假設(shè)沒有電磁能損失，因此反電動勢和扭矩常數(shù)在采用SI單位時具有相同的數(shù)值。電機(jī)參數(shù)可以直接指定，也可以從空載速度和轉(zhuǎn)矩中導(dǎo)出。如果沒有關(guān)于電樞電感的信息，則可以將此參數(shù)設(shè)置為某個小的非零值。
電機(jī)參數(shù)：


4.7、電池模型

電池模型具體含義，參考上期文章。
電池參數(shù)：

5、仿真
導(dǎo)入工況或速度：

本文分別在的三種不同模式下v=40km/h、z=0.1，v=60km/h、z=0.5，v=80km/h、z=0.72仿真得出電池SOC值隨時間變化以及電池實際充電功率對時間的累積即電池回收的有效能量。
初始速度v=40km/h，z=0.1，初始SOC為0.5，其仿真結(jié)果如下圖所示：


初始速度v=60km/h，z=0.5，初始SOC為0.5，其仿真結(jié)果如下圖所示：


SOC和制動能量回收率都可以用來評價制動能量。本文通過此策略的仿真分析，觀察制動時SOC隨時間的變化值以及電池實際功率情況，從而驗證優(yōu)化制動力分配策略的可行性。在理想的狀態(tài)，仿真得出不同模式下SOC變化和制動能量回收率。并驗證了模型的有效性。