CVT混合动力汽车再生制动系统仿真

CVT混合动力汽车再生制动系统仿真**国家自然科学基金(50475067)和“长江学者计划”资助项目。邓涛1孙冬野112秦大同林志煌（1.重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044；2.重庆长安福特马自达汽车有限公司重庆400010）摘要：根据试验获取的镍氢电池快速充电特性和ISG(Integratedstarter/generator)电动机发电特性，分析电动机发电效率与电池充电效率的变化规律，得到在不同输入条件下电池电动机联合效率曲线图，从而确定电池电动机联合高效优化工作线。基于此优化工作线，制定CVT速比控制策略及再生制动控制策略，并建立整车再生制动系统模型，在典型城市驱动循环工况下进行仿真分析与试验验证。结果表明：本文提出的基于电池电动机联合高效工作比基于电动机单独高效工作的CVT控制策略，能进一步提高再生制动能量回收率。关键词：混合动力汽车无级变速器再生制动中图分类号：U462.3+2RegenerativeBrakingSimulationforHybridElectricVehiclewithContinuouslyVariableTransmissionDENGTao1SUNDongye1QINDatong12LINZhihuang(1.StateKeyLabofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity,Chongqing400044;2.ChangAnCountyFordMazdaAutomobileLtd.,Chongqing400010)Abstract:AccordingtothecharacteristicofthebatteryquickchargingandISG(Integratedstarter/generator)motorgeneratingcharacteristicsacquiredbytest,thechangingrulesofmotorgeneratingandbatterychargingefficiencyareanalyzed,synthesisefficiencycurvesofbatteryandmotorunderdifferentinputsarecalculated,thenanjointoptimalworkinglinewithhighefficiencycombinedbatterywithmotorisdrawn.Basedontheoptimalworkingline,CVTspeedcontrolstrategyandregenerativebrakingcontrolstrategyareestablished,alsosimulationmodelforregenerativebrakingsystemofCVThybridelectricvehicleisbuiltandsimulatedunderthetypicalcitydrivingcyclesandprovedbytest.Theresultsshow:CVTcontrolstrategybasedontheoptimalworkinglinewhenbatteryandmotorworkingtogetherwithhighefficiencyinthispapercanincreaseregenerativeenergyrecoverratemorethanthatofbasedontheoptimalworkinglinewhenmotorworkinglonelywithhighefficiencyduringbraking.Keywords:HybridelectricvehicleContinuouslyvariabletransmissionRegenerativebraking收目的的混合动力汽车再生制动系统制动力分配策略，并综合考虑了摩擦制动、再生制动以及ABS(Anti-lockbrakesystem)控制，建立了再生制动系统控制策略0前言混合动力汽车采用无级自动变速传动(Continuouslyvariabletransmission,CVT)，通过速比的连续调节，不仅使车辆在发动机驱动时发动机沿最佳燃油经济线运行，在电动机驱动时使电动机工作在高效区，在再生制动时，还可使电动机/发电动机在高转速和高效区域运行，产生大的充电电流，最大程度地提高能量回收效率。[1-2]，但没考虑电动机发电效率的问题。NAKAMURAEiji等人，为充分体现驾驶员制动操作意图与制动过程中的“自然感”，综合考虑ABS(Anti-lockbrakesystem)、VSC(Vehiclestabilitycontrol)与TRC(Tractioncontrolsystem)，提出了四轮驱动的混合动力汽车的再生制动力分配方法与控制策略[3]，但没涉及到电动机发电效率。YEOHoon等人提出了在制动过程中，基于电动机高效发电工作的CVT速比控制策略以及基于此建立的再生制动控制策略目前关于混合动力汽车再生制动研究的文献不多，GAOYimin等人提出了基于最优制动能量回_______________________[4]。叶明等人针对装备了1.1电池电动机联合效率曲线的获取AMT(Automaticmanualtransmission)的轻度混合动力系统，在制动过程中，根据前后轮制动力分配关系和电动机效率，得到电动机对电池的实际充电功率，利用汽车档位的自动控制，最大限度地回收汽车动能，提高再生制动过程中的能量回收率通过ISG电动机和镍氢电池台架试验得到图2中ISG电动机效率曲线和镍氢电池效率曲线。-60-40-2002040600123420406080100电动机转速nm/(kr·min-1)电动机转矩Tm/(N·m)80-80-60-200204060-400.60.70.80.910.510.50电池电流Ib/A荷电状态Sc电动机效率ηm/%[5]。秦大同等人也是采用在制动过程中通过调节CVT速比来控制电动机工作在高效区来提高发电效率，从而提高制动能量回收率[6-7]。以上研究都只对变速器档位或速比来调节电动机工作在高效区，并没有考虑到在制动过程中电池电动机联合高效工作的效率。本文以ISG型轻度混合动力长安羚羊轿车为研究对象，再生制动系统（图1）主要由ISG盘式永磁无刷直流电动机、CVT、NiMH电池组、2个离合器、摩擦液压制动系统和HEV控制器构成。ISG电动机与发动机飞轮轴直接相连，整车制动时，ISG电动机工作在发电状态，向蓄电池充电并提供整车所需的一部分制动力。根据镍氢电池快速充电特性和ISG电动机高效发电特性，提出了在制动过程中基于电池电动机联合高效工作的CVT速比控制策略，建立整车再生制动系统模型并对其进行仿真分析和试验验证，为混合动力汽车再生制动系统的研发奠定基础。电池效率ηb图2电动机和电池效率特性曲线当驾驶员踩下制动踏板时，可以得到此时的车速和所需的全部制动力，根据再生制动控制策略可以计算出电动机所需提供的再生制动力，也就是车轮处的再生制动力F图1ISG型混合动力CVT样车简图ICE-发动机clutch1-离合器1ISG-电动机clutch2-离合器2CVT-无级变速器ECU-电子油门控制器ICU-电机控制器B-蓄电池HCU-HEV控制器HBU-液压控制器BCM-电池管理模块电源线路控制线路液压油路reg，从而可计算出此时的再生制动功率Preg。而对应于车轮处的每一个再生制动功率Preg，电动机都存在一个最高的发电效率点，将所有这些点连接起来就得到了电动机发电效率优化工作曲线，也就是电动机发电负荷特性曲线簇的包络线（图3）。从电动机单独高效发电工作效率图可以发现，电动机的高效工作区间大部分是在高转速低转矩区域，但是由于电动机输出功率是和电池充电电流成正比的，而电池的充电电气效率以及0.50.60.60.70.70.80.850.850.850.91.52.53.5电动机转速nm/(kr﹒min-1)0电动机转矩Tm/(N﹒m)电动机单独高效优化工作线图3电动机单独高效发电工作线0.512340-10-20-30-40-501再生制动过程效率优化控制策略再生制动系统的能量回收效率取决于电动机的发电效率和镍氢电池的充电效率。镍氢电池的充电电流为电动机直流侧电流，电动机直流侧电压为电池端电压，电池与电动机两者的工作状态密切相关，应该考虑并分析电池电动机的联合工作效率，才能真实地反映实际运行效率。库仑效率都是随着充电电流的增加而降低的，因此当充电电流大即电动机输出功率大的情况下电池电动机的联合工作效率反而有可能有所降低。因此只根据电动机高效发电工作线来确定CVT速比控制目标是存在不足的，本文通过制定电池电动机联合高效工作优化曲线来确定CVT目标速比，从而进一步优化再生制动控制策略。0.90.50.60.70.80-10-20-30-40-15-10-50制动转矩Tm/(N·m)制动功率P/kW联合高效工作线联合效率η图5Sc=0.3时电池电动机联合优化工作线)电池充电时应考虑充电内阻的功率损耗和电池的库仑损失（容量损失），即电池的充电效率应包括电池充电电能效率和电池库仑效率的乘积。本文用电能效率来描述由于电池内阻的存在被消耗掉的那部分电池电能[8]。e//(EUEEIRη==+⋅(1)式中eη为电能效率；为电池电动势；U为电池端电压；EI为电池电流；电池内阻。R库仑效率可以描述为电池在一定放电条件下放出的容量与输入的电池容量的比值，它主要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响，一般温度越高，库仑效率越低[8]。kdischgchgchg()/()100ItItη=%×(2)式中kη为库仑效率；disI、chgI分别为电池的放、充电电流；t、分别为电池的放、充电时间。dischgt因此，电池电动机联合工作效率可得mbmekηηηηηη==(3)式中η为电池电动机联合工作效率；mη为电动机效率；bη为电池效率。通过输入一系列电动机转速转矩值，就能得到电池电动机系统在不同电池SOC以及不同输入条件下联合工作的效率特性曲线图（图4）。每个电池荷电状态(stateofcharge,SOC)Sc值都可以对应一个电池电动机联合工作效率图。对比图4和图2可以看出电池电动机联合工作效率图和电动机单独效率图的最大区别在于联合效率特性曲线图的高转速，高转矩区域效率比高转速，低转矩区域效率低很多，而电动机效率特性曲线图中没有这么明显，这也正说明电动机的高效工作区域并不等同与电池电动机联合工作的高效区域，因此仅根据电动机高效发电区域制定的再生制动控制是存在不足的，可以通过对电池电动机联合工作效率分析得到更优的优化工作线。对比不同电池SOC的联合效率特性图（图4b），可以得到在相同转速转矩下，低SOC的充电效率要高，这是因为在相同充电功率下电池低SOC时相应的充电电流比电池高SOC时高，充电效果（充电电流×充电效率）要好，因此电池低SOC时的电池电动机的联合效率比电池低SOC时高，但是两者差距不大而且形状相同。从图4可以看出，在再生制动过程中，电池电动机联合工作效率在50％和90％之间大幅变化，如果能使电池电动机综合系统工作在高效区域，就能提高再生制动系统的能量回收效率。1.2联合发电效率优化工作线的确定在再生制动过程中，为了实现最大能量回收，再生制动系统应能保证电动机在电池电动机联合效率最高的区域内工作。要控制电动机工作在电池电动机联合高效工作区域，就必须获取保证电池电动机的综合效率最高的联合优化工作线，以便得到电动机转速转矩控制目标。为了方便得到联合优化工作曲线，本文将图5转化为不同功率－转矩的效率特性图（以电池电动机转速nm/(kr·min-1)电动机扭矩Tm/(N·m)(a)联合效率图侧面图电动机转矩Tm/(N·m)电动机转速nm/(kr·min-1)(b)联合效率图正面图图4电池电动机联合工作效率图-4020.80.66Sc=0.3Sc=