并联式混合动力汽车再生制动研究

科技与创新┃Science and Technology&Innovation2019年第04期文章编号：2095－6835（2019）04－0086－02
并联式混合动力汽车再生制动研究
王哲
（上海汽车集团股份有限公司培训中心，上海200086）
摘要：介绍了混合动力汽车再生制动的基本理论，以前驱并联式混合动力汽车为例，分析了混合动力汽车的制动力和制动能量，在考虑了影响制动力能量回收的几种因素的基础上，提出了一种控制策略。

此策略的提出对研究混合动力车的再生制动提供了一种思路，具有较高的参考价值。

关键词：再生制动；并联混合动力汽车；制动力分配；控制策略
中图分类号：U469.7文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2019.04.086
随着社会的不断发展进步，汽车这种交通工具已越来越广泛地运用于人们日常生活的提高。

汽车的普及标志着科学技术的发展水平和人民生活水平的提高。

汽车产业几乎成为世界各工业发达国家的国民经济支柱产业。

如果将车辆在减速制动过程中的动能进行回收并储存，而在车辆起步加速时，再把储存的能量释放出来，作为驱动车辆行驶的动力，那么可使发动机在经济工况下运转更长时间。

这样不仅有效降低汽车油耗，提高动力性，减少尾气排放，还可延长制动器的寿命，具有重要的实用价值。

因此，制动能量的回收既节约了能源又改善了城市环境。

1再生制动技术理论
1.1再生制动技术的概念及特点
再生制动技术是一种特定的制动方式，也称为回馈制动技术。

它的工作过程原理：在汽车制动或减速过程中将设备的部分动能经过能量回收系统吸收并存储起来，设备在启动或加速时再把储存的能量释放出来，形成驱动动力。

这种装置是带有制动能量再生系统的缓速器，这个能量回收系统只能使设备减速，并不能使设备停止运行，所以它必须和传统的制动系统共同作用，才能实现设备的正常运作，所以能量回收系统又称辅助制动装置。

再生制动技术具有以下特点：①节能。

它可以实现制动能量回收。

②环保。

制动能量再生装置改善了尾气排放，减少了制动时噪声和粉尘污染，增强了汽车环保性。

③经济。

减少车轮制动器热衰退、轮胎过热爆胎现象的发生，节约了燃油，提高了汽车的行驶安全性；同时制动器的使用时间相对减少，延长了制动部件的使用寿命，降低了运营成本。

1.2再生制动过程中的能量分析
再生制动是要把传统制动器中浪费的能量回收起来，制动能量分为可回收能量和不可回收能量。

可回收能量是驱动轴上的制动能量，不可回收的能量主要是汽车克服滚动阻力和空气阻力所消耗的能量以及在传递过程中损失的能量。

汽车在平坦的路面行驶时（可忽略道路坡度的影响），当切断动力后，在初始车速0ϑ减速至车速aϑ过程中，其能量变化关系为：
.
2
1
2
1
c
b
a
f
2
2
a
W
W
W
W
m
m
W+
+
+
=
-
=
∆ϑ
ϑ（1）
式（1）中：ΔW为制动时衰减的动能，J；m为汽车质量，kg；W f为滚动阻力所做的功，J；W a为空气阻力所做的功，J；W b为制动力所做的功，J；W c为汽车内部传动系统阻力所做的功。

W f，W c和W a不可回收，只有W b可回收再利用。

滚动阻力、传动系阻力和空气阻力所做的功将汽车的动能转变为热能，逸散于大气中，这种能量转换过程是单向不可逆的，因此无法加以利用，只有制动装置通过再生制动产生的制动力做到功才能被回收利用。

一次刹车可能被回收利用的能量为：
E=K1K2K3（ΔW－W f－W a－W c）.
W f=F f S.（2）式（2）中：K1为汽车的机械传动效率；K2为制动能量回收效率，在制动过程中它随转速和转矩变化；K3为制动能量利用效率大小；F f为滚动摩擦力，N；S为制动距离，m，取决于制动力的大小和制动时间的长短。

1.3再生制动过程的影响因素
从前面的分析可以看出，再生制动的影响因素有以下几个方面：①电机是影响再生制动的主要因素之一，电机的制动能力越强，在分配再生制动和摩擦制动之间的比例关系时，可使再生制动的比例增大，从而增加回收的再生制动能量。

②储能装置主要是各种蓄电池，能否将电机所发出的电能全部、快速吸收是研究和设计再生制动系统最重要和急需解决的问题之一。

③使用环境包括路况、环境温度和车辆的行驶状态、制动工况等。

④控制策略规定了前后轮制动力及再生制动和摩擦制动的比例关系，决定了制动系统的工作方
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式和制动回收能量的多少，是再生制动的核心部分。

2再生制动控制策略
2.1制动力的分配
混合动力汽车的再生制动控制策略在进行动力分配的时候，首先要保证制动的安全性，其次再生制动控制策略对整车能量的回收率、制动方向稳定性和驾驶员的制动感觉也有着直接影响。

从安全性出发，本研究采用的是首次分配满足理想制动力分配的要求。

这样在紧急制动的时候，前后轮的总制动力尽可能地大，以使车辆能在最短时间内停车，保证安全。

前后轴制动力分配好后，再对前后轴（本研究中主要是前轴）的再生和摩擦制动进行二次分配，如图1所示。

初次分配按理想制动力分配，制动时安全有保障，二次分配时，主要考虑再生功率，因为只有再生功率才决定了回收的能量多少。

二次分配的过程中，如果制动强度小，则可全部使用再生制动力进行制动；如果制动强度中等，优先分配给再生制动力，如果再生制动力达到最大则使用机械制动力进行补充；如果制动强度大，即紧急制动时，全部制动力由机械制动力提供，以保证安全。

图1制动力分配原则2.2车速和电池SOC的影响
在整车制动过程中，希望电机在任意车速下都能以很高的能量回收效率提供需求的制动转矩，但这一需求常受到电机自身特性和电池吸能功率等的制约。

假定电池充电功率一定时，电机的再生自动力矩和车速有很大的关系，在较高的车速时所能产生的制动力矩有限，较低车速时产生的制动功率也很有限，只有在额定转速附近才能产生较大的制动功率和制动力矩。

同时，电池的SOC（State of Charge，充放电状态）对再生制动产生很大影响，当SOC很高时，对电池充电将大大缩短电池的使用寿命。

车速低于10km/h时，电机所发出的功率相当小，加上在充电过程中的消耗，最终充给电池的能量几乎没有，所以这一期间不启动再生制动。

随车速提升到电机稳定功率区前，电机的转矩是一个线性增大过程。

到达稳定功率后，电动机工作正常，可以回收较多的能量。

此时，则要考虑电池SOC，如果SOC低于一定值，由于电池还不是处于很饱和的状态，则可以进行制动力回收，对电池进行充电。

如果当SOC大于一定值时，不再采取再生制动，以免损伤电池。

2.3再生制动具体控制策略
根据上面所叙述到的几个影响因素，本文提出了如图2所示的控制策略。

该策略考虑到了几个重要因素，如车速、电池SOC值和制动强度等的影响。

制动力分配首次分配以安全为前提，按理想制动力分配曲线分配，二次分配注重能量的回收。

图2再生制动控制流程图
3结论
本文研究了在前驱并联式混合动力汽车中的再生制动技术，可以让汽车在保证制动安全的前提下，尽可能多回收制动能量，从而可以降低废气的排放和延长混合动力汽车的续驶里程。

在分析了影响再生制动的一些关键因素后，尝试提出了制动力分配的大原则和再生制动控制策略的基本流程框图，为以后的研究提供了一种思路。

参考文献：
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（下转第89页）
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系描述混凝土开裂后的行为。

在有限元模型中模拟该应力—位移概念需要定义与积分点相关联的特征长度。

特征裂纹长度取决于单元几何和公式：它是一阶单元的单元线长度是二阶单元的相同典型长度的一半。

对于梁和桁架，它是沿单元轴的特征长度。

对于膜和壳，它是参考面中的特征长度。

对于轴对称元素，它仅是r-z 平面中的特征长度。

对于粘性元素，它等于构成厚度。

因为裂缝将发生的方向是预先不知道的，因此，具有大纵横比的单元具有不同的行为，这取决于它们的开裂方向。

由于这种问题的存在，网格灵敏度仍然存在，并且推荐尽可能接近正方形的单元。

当使用断裂能开裂模型时，需要检查每个单元的特征长度，并且不允许单元特征长度超过临界长度u
t
u ，在需要
时使用更小的单元重新划分网格。

2.2开裂方向假设
Rots [6]提出了三种基本的裂缝方向模型：固定、正交裂缝，转动裂缝模型，固定的、多向、非正交裂缝。

在固定的正交裂纹模型中，垂直于第一裂纹的方向，与裂纹产生时的最大拉伸主应力方向对齐。

该模型认为裂缝出现后，原有的裂缝角度不再变化，所考虑的点处的后续裂缝只能在与第一裂缝正交的方向上形成。

固定正交裂纹模型的局限性主要是因为模型中存在剪力锁死的问题，由于切线剪切模量始终大于0，使得裂缝表面的剪应力随剪切应变的增大而增大，无法模拟裂缝的剪切软化问题。

可以通过在有限元模型中裂缝界面发生变形时使剪切应力趋于0解决。

虽然固定正交裂纹模型具有正交性限制，但在多个裂纹影响的情况下，它被认为优于转动裂缝模型。

在转动裂缝概念中，在任何点处仅可形成与最大拉伸主应力的方向相同的单个裂缝，裂缝方向与主应力方向保持一致，在新的主应力下形成新的开裂矩阵，不再考虑原有的裂缝，这样可以模拟更复杂的开裂行为。

在分析混凝土受剪构件时，往往转动裂缝模型结果要优于固定裂缝模型。

当主应力轴的方向随载荷变化时，多向裂缝模型允许在一点处形成任意数量的裂缝。

在多向裂缝模型中，引入“阈
值角”的概念以防止新的裂缝小于该阈值的角度形成现有裂缝。

固定的正交裂纹模型和旋转裂纹模型都已被广泛使用，但仍存在局限性。

在旋转裂缝模型中，裂缝闭合和重新开裂的概念没有明确定义，因为裂缝的方向可以连续变化。

3结束语
在研究结构局部特性的细节时，采用离散裂缝模型更加适合。

在有限元分析中更适合选择弥散裂缝模型对混凝土材料进行数值分析，并且固定、正交裂缝模型具有更广泛的适用性。

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作者简介：谷钰（1993—），女，硕士研究生，研究方向为混凝土结构的计算模型。

〔编辑：张思楠〕
（上接第87页）
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作者简介：王哲，培训师，研究方向为汽车发动机、汽车CAD/CAE 、新能源汽车、消防设备。

〔编辑：严丽琴〕
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