基于ADVISOR的电动汽车再生制动控制的建模与仿真

北
京汽车
文章编号：１００２－４５８１（２００８）０１－００２５－０４
基于ＡＤＶＩＳＯＲ的电动汽车
再生制动控制的建模与仿真
江
勋，黄妙华
ＪＩＡＮＧＸｕｎ，ＨＵＡＮＧＭｉａｏ－ｈｕａ
（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉
４３００７０）
摘
要：分析了再生制动系统中保留摩擦制动的必要性，介绍了ＡＤＶＩＳＯＲ中的再生制动控制策略。

基于制动安全性和高效制动能量回收，提出了新的再生制动控制策略。

按照新策略，利用ＡＤＶＩＳＯＲ软件建立了制动控制模型并进行了仿真。

仿真结果表明，新策略回收制动能量的效果优于ＡＤＶＩＳＯＲ中原有的再生制动控制策略。

关键词：再生制动；控制策略；仿真
中图分类号：Ｕ４６９．７２：Ｕ４６３．５
文献标识码：Ａ
０前言
传统车辆在制动时，都是利用制动装置工作时产生摩擦热的方式来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速的目的。

制动时的动能通过制动器摩擦转换成热能的形式而耗散掉，增加了车辆行驶过程中的能量损失，降低了车辆的能量利用率。

在混合动力汽车和纯电动汽车上，可以实现再生制动，其原理是在制动时将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电机，电机以发电方式工作，通过设计好的电力装置将制动产生的回馈电流充入储能装置中，实现制动能量的再生利用。

与此同时，产生的电机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动，产生制动力。

再生制动可以回收一部分惯性能量，提高电动汽车的续驶里程。

１再生制动系统中保留摩擦制动的
必要性
纯电动汽车或混合动力电动汽车在制动过
程中，并不是全部的制动能量都可以再生。

只有驱动轮上的制动能量可以沿与之相连接的驱动轴传送到能量储存系统实现回收，因此电机制动力矩只能施加于驱动轮上，而非驱动轮上的制动只能由摩擦制动实现。

另一方面，由于电机发电能力的限制，由电机产生的最大再生制动转矩不可能超过当时转速和功率下电机的发电能力。

当制动强度较大时，单纯依靠电机再生制动往往不能满足制动要求，不足部分必须由摩擦制动补充完成。

因此，一般电动汽车上保留了传统的摩擦制动。

再生制动必须与摩擦制动配合工作，方能实现安全有效的减速制动。

如何处理摩擦制动和再生制动之间的关系，协调控制二者的分配比例，在保证制动稳定性的前提下，尽可能多地回收制动能量，是再生制动系统的重点研究问题。

２ＡＤＶＩＳＯＲ中的再生制动控制策略
在电动汽车技术的研究中，ＡＤＶＩＳＯＲ是一款常用的仿真软件。

ＡＤＶＩＳＯＲ（ａｄｖａｎｃｅｖｅｈｉｃｌｅ
ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）是美国国家再生能源实验室（ＮＲＥＬ）
北京汽车为车辆进行能量消耗和排放分析而开发的计算
机仿真软件。

该软件一个重要的优点是它的软件
源代码完全开放（提供开放的．ｍ和．ｍｄｌ文件），
能够让用户根据自己的需要，采用或修改其内部
提供的通用子模块，建立所需的汽车模型来进行
仿真。

在ＡＤＶＩＳＯＲ的再生制动控制策略中，是由
检测到的汽车速度查表实现制动力分配控制的。

在总的制动力中，假设再生制动力所占份额为
ｒｅ，前轮摩擦制动所占份额为ｆｒ，则再生制动力＝
总制动力×ｒｅ，前轮摩擦制动力＝总制动力×ｆｒ，后
轮摩擦制动力＝总制动力×（１－ｆｒ－ｒｅ）。

制动过程
中，各制动力承担的份额随车速不同而变化，总
的制动力随车速的变化在再生制动、前轮摩擦制
动、后轮摩擦制动之间动态分配。

如图１所示。

图１Ａｄｖｉｓｏｒ中的制动力分配
从图１可以看出，车速越快时，电机再生制
动力所占份额ｒｅ越大；车速越慢时，ｒｅ越小。

这
种控制算法有很大的局限性，不能反映而且没有
充分利用电机的再生制动能力，没有充分发挥再
生制动系统回收制动能量的潜力，回收的制动能
量非常有限，制动能量回收效率非常低。

３新的再生制动控制策略
为了尽可能多地回收制动能量，应该让电
机在其再生制动能力范围内提供尽可能大的制
动转矩。

在制动力的分配中减小摩擦制动器制
动力的比例，加大电机再生制动力的比例是提
高制动能量回收率的必然途径。

对于前轮驱动
的电动汽车，使前轮充分利用其附着能力而承
担主要的制动任务，将有利于电机最大限度地
回收制动能量。

基于上述原理，本文采用了新的再生制动控
制策略。

新策略主要涉及两个方面：总的制动力
如何在前后轮之间分配以及驱动轮上的摩擦制
动与再生制动如何协调。

总制动力在前后轮之间的分配按照这样的
规则：如图２所示，图中粗实线为制动力分配曲
线，当制动强度ｚ＜０．１时，总制动力全部由前轮
（假定前轮是驱动轮）承担，后轮不参与整车制
动，即前轮制动力需求Ｆｂｆ等于总制动力Ｆｂ，后轮
制动力需求Ｆｂｒ为零。

当制动强度ｚ≥０．１时，总
制动力按理想制动力分配曲线—Ｉ曲线在前后轮
之间分配。

图２总制动力在前后轮之间的分配
驱动轮（假定前轮是驱动轮）上的摩擦制动
与再生制动如何协调按照这样的原则：如图３所
示，如果电机可以提供的最大再生制动力Ｆｒｅｇ，ｍａｘ
大于或等于前轮制动力需求Ｆｂｆ，则前轮摩擦制动
力为零，只有再生制动力起作用；如果电机可以
提供的最大再生制动力Ｆｒｅｇ，ｍａｘ小于前轮制动力需
求Ｆｂｆ，那么不足部分将由前轮摩擦制动力补充完
成，再生制动力Ｆｒｅｇ工作在最大值Ｆｒｅｇ，ｍａｘ。

而电机
可以提供的最大再生制动转矩是根据电机转速
信号，结合电机特性曲线，通过查表而确定。

４建模
ＡＤＶＩＳＯＲ中再生制动的控制策略位于
Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ顶层模型中的车辆控制子模块
＜ｖｃ＞，包括后向路径的制动控制模块和前向路径
北京汽车
车速
变速器挡位电机转速电机最大制动转矩
车轮半径
计算转换到车轮处的最大再生制动力Ｆｒｅｇ，ｍａｘ
否
Ｆｒｅｇ＝ＦｂｆＦｂｆ，ｍｅｃｈ＝０
总制动力需求
按所设计的制动力分配规则在前后轮之
间
分配
后轮制动力需求Ｆｂｒ前轮制动力需求Ｆｂｆ
是
ＩｆＦｂｆ＞Ｆｒｅｇ，ｍａｘ
电机制动力Ｆｒｅｇ＝Ｆｒｅｇ，ｍａｘ
前轮摩擦制动力Ｆｂｆ，ｍｅｃｈ＝Ｆｂｆ
－Ｆｒｅｇ，ｍａｘ
图３驱动轮上摩擦制动与再生制动的协调
的制动控制模块。

根据上述新的再生制动控制策略，在ＡＤＶＩ－
ＳＯＲ软件中通过修改原有的模块，建立了新的
再生制动控制模块。

修改后，后向路径中的制动控制模块如图４所示，前向路径中的制动控制模块如图５所示。

图４
后向路径中的制动控制模块
图５前向路径中的制动控制模块
图４和图５中的子模块ｉｄｅａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ为理想制动力分配计算模块，ｂｒａｋｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ子模块为制动强度计算模块，由于制动强度ｚ＝ｊ／ｇ（ｊ为制动减速度，ｇ为重力加速度），首先要计算车辆的制动减速度。

在后向路径中，制动减速度是由需求车速对时间微分而确定；在前向路径中，制动减速度是由汽车实际获得的车速对时间微分而确定。

图５中的ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｔｏｒｑｕｅ子模块是车
轮处来自电机的最大再生制动力计算模块。

限于篇幅，这些子模块的结构就不一一详细介绍了。

５再生制动控制策略仿真和分析
以ＡＤＶＩＳＯＲ软件中的一款纯电动汽车为
原型（主要参数如表１所示），选择ＣＹＣ＿ＥＣＥ
＿ＥＵＤＣ＿ＬＯＷ行驶循环（如图６所示），分别对
新的再生制动控制策略和ＡＤＶＩＳＯＲ中原有的再生制动控制策略进行了仿真。

表１
主要仿真参数
图６
ＥＣＥ＿ＥＵＤＣ＿ＬＯＷ工况图
图７电池ＳＯＣ变化情况
参数名称数
值
参数名称数
值
整车质量（满载）１１４４ｋｇ风阻系数０．３３５质心高度０．５ｍ迎风面积２．０ｍ２轴
距
２．６ｍ滚动阻力系数０．００９质心至前轴距离
１．０４ｍ
车轮半径０．２８２ｍ
参数名称数
值
参数名称数
值
额定功率７５ｋｗ最大扭矩
２００Ｎｍ
１００００ｒ／ｍｉｎ
最高转速
电
机３．４６，１．７５，１．１０，０．８６，０．７１变速器各档传动比
３．２１
主减速比
数值
参数名称
传动系
整
车
北京汽车
位移曲线，能更好地提高驾驶室空气悬置系统的隔振性能。

４结论及展望
根据优化的结果可以看出ＧＡ针对驾驶室空气悬置模糊控制器的良好优化效果。

在优化过程中，只要给予适当的初始规则就可以通过ＧＡ得到更好的规则结构以获得更好的控制性能。

在下一步，我们将进行在线实时优化，确保模糊控制器可以在各种路面状况达到优良的控制性能。

并将结合ＤＳＰＡＣＥ系统进行硬件在环仿真，以验证基于ＧＡ优化的自适应模糊控制器的控制性能。

参考文献
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［２］王立新，王迎军．模糊系统与模糊控制教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．
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［４］胡炜．遗传优化模糊逻辑控制器的研究．中国科学院研究生院计算机系统结构，１９９８．
［５］ＴｏｍｏｎｏｒｉＨＡＳＨＩＹＡＭＡ，ＴａｋｅｓｈｉＦＵＲＵＨＡＳＨＩ，Ｙｏｓｈｉ－ｋｉＵＣＨＩＫＡＷＡ．ＡＳｔｕｄｙｏｎＦｉｎｄｉｎｇＲｕｌｅｓｆｏｒＳｅｍｉ－ＡｃｔｉｖｅＳｕｓ－ｐｅｎｓｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｗｉｔｈＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＩＥＥＥＰａｐｅｒ１９９５．４８９１５９．
收稿日期：２００７－０８－２９
由图７可以看出，在仿真结束时，电池ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ，电池荷电状态）值比ＡＤＶＩ－ＳＯＲ中原有控制策略下的ＳＯＣ值有明显提高。

这表明在新的再生制动策略下，整个循环中储能装置吸收的制动能量有所增多。

选用制动能量回收效率、有效能量回收效率作为再生制动控制策略的评价指标。

制动能量回收效率是指回收到电池中的能量占制动总能量的比例，有效能量回收效率是指回收到电池中的能量占整车消耗总能量的比例。

仿真对比结果如表２所示。

表２仿真结果对比
仿真结果表明，新的再生制动策略回收制动能量的效果要优于ＡＤＶＩＳＯＲ中的再生制动策略。

６结束语
可以实现再生制动，是电动汽车与传统车辆的一个重要区别。

在电动汽车技术研究中，再生制动已成为一种降低能耗、提高续驶里程的重要技术手段。

目前，如何确定合理的再生制动和摩擦制动的能量分配管理，如何实现再生制动、摩擦制动和ＡＢＳ的综合协调控制，在保证制动安全性的条件下提高制动能量回收效率仍是再生制动系统研究的重点和难点。

在当今世界能源日趋紧张的背景下，再生制动的研究具有非常重要的现实意义。

可以预见，电动汽车再生制动技术一定会有广阔的发展应用前景。

参考文献
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［２］ＹｉｍｉｎＧａｏ，ＬｉｐｉｎｇＣｈｅｎ，ＭｅｈｒｄａｄＥｈｓａｎｉ．ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＥｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＢｒａｋｉｎｇｆｏｒＥＶａｎｄＨＥＶ［Ｊ］．ＳＡＥ，１９９９，２９（１０）：２６－２８．
［３］过学迅，张靖．混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真［Ｊ］．武汉理工大学学报（信息与管理工程版），２００５，（２）：１１６－１２０．
［４］李蓬．轻度混合动力电动汽车制动能量回收控制策略仿真［Ｄ］．学位论文，北京清华大学汽车工程系，２００５．
收稿日期：２００７－１０－１７
整车消耗的能制动总
能量
回收的
能量（ＫＪ）
制动能量
回收效率
有效能
量回收
Ａｄｖｉｓｏｒ再６２４０９４２２０５２１．７６％３．４０％
新的再生
制动策略
６２３０９４２４６９４９．７９％７．８４％
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第１１页）。