尤富仪 朱倩倩

江苏省连云港工贸高等职业技术学校 江苏省连云港市 222006

当前，在贯彻可持续发展战略、提倡绿色低碳出行的背景下，各个国家将绿色汽车电子纳入重要发展方向。面临能源短缺和环境问题，如何利用新能源、实现节能减排是当前研究者关注的重点。在新能源汽车行业领域，混合动力汽车、电动汽车也引起了世界各国的重视。从研发方向角度看，新能源汽车主要由纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FEV）组成，三者具有各自的优势和不足。从纯电动汽车来看，基于电能驱动技术的支持，此类汽车极为环保和节能，但是受限于技术层面、配套设施因素的限制，阻碍了纯电动汽车的持续发展。对于燃料电池汽车，将氢作为主要燃料，而这一能源不仅清洁高效，还可以通过不同途径获取燃料，但受限于燃料制取技术，制取氢燃料需要多种能源的支持，对环境危害程度较大，制氢也需耗费大量成本，制约了其产业化进程。与前两者相比，混合型电动汽车拥有多种能量转换器，其不仅保持了传统汽车功率大、能量比高的优势，还能实现低碳排放。基于此，本文简要介绍混合动力汽车分类，分析汽车再生制动控制策略，提出CVT插电式混合动力汽车再生制动控制策略。

1 混合动力汽车的分类

1.1 串联式（SHEV）

串联式混合动力汽车，其拥有最简单的结构，利用发电机设备、电动机设备功能即可正常运行。从发动机的驱动原理看，其通过在内部产生电能，支持电动机驱动，对于溢出的输出电能，则会被储蓄在电池模块。由此，要想使车辆正常被驱动，不能只调用发动机部件的功能，要在前者的驱动下，使得发电机开始进入运行状态，这也反映出此类汽车仅具备电机驱动一种模式。基于这一种汽车的特点，其已经在公共汽车、重型运输卡车上得到了应用。在发动机—发电机组的支持下，能够延长串联式混合动力汽车较短续驶里程，受能量转换形式的限制，需要较大的电动机功率，存在成本高、效率低的问题。

1.2 并联式（PHEV）

并联式混合动力汽车，其驱动源由电机、发动机组成。在不同工况下，车辆可以选择单独采用一种（发电机/电机）或共同使用两种进行驱动，通过不同的方式实现能量传输，这一结构拥有多种优势，不仅能够叠加电机和发动机的扭矩，提高车辆性能表现，还能使动力输出方向处在控制状态，保证发动机功率处在平稳运行水平上。在这一类车辆上，由于不仅具有一种动力源，可以根据功率数值，合理选取发电机、电动机，甚至能交替使用，有效控制了成本。但由于系统构架的制约影响，并联混合动力汽车不支持调速功能，需要再搭载变速器。

1.3 混联式（PSHEV）

混联式混合动力汽车，这一类汽车身上汇集了串联式、并联式优点，折旧额使其具备了两种不同的工作模式。所以，整车控制器根据车辆实际运行工况，科学置换或调整任意一种工作模式，使得电机和发动机设备的运行状态达到高峰值，这样就能大大提高燃油燃烧效率，避免大量污染物被排出。在PHEV中，需要精准的控制系统支持多种工作模式，其中加载了丰富的构成部件，结构复杂、制造成本较高。

2 再生制动研究的关键问题

混合动力汽车中，车辆运行中可切换再生制动系统、传统摩擦制动系统，由于技术方法和原理的限制，再生制动系统存在一些不稳定因素：

2.1 制动稳定性问题

车速、变速器速比等因素，都会影响电机制动力矩的大小。基于前轴驱动的车辆，若出现电机制动力矩过大的情况，容易导致前轮提前抱死现象，不仅会导致前轮转向能力丧失，还降低了附着利用率延长制动距离，影响了行车的安全性。对于驱动在于后轴的情况，类似于前面的抱死情况也会在后轮出现，极大程度上影响了后轴侧滑的稳定。基于前后双电机驱动的四驱车辆，若出现以上任意一种情况，都会降低行车安全性，甚至出现交通事故。

2.2 充分回收制动能量的问题

在保持车辆原有制动性能的基础上，合理地回收制动能量，称为充分回收能量。再生制动，是一个动态性过程，涉及到多个系统的相互作用。在混合动力汽车中，影响再生能量回收能力的因素有电机工作特性、电池充电效率、电池SOC等。在车辆进行再生制动的过程中，需要保持较大的制动功率，以较短持续时间实现制动，这就会导致电机出现发电功率过高，带来急速充电、过充等现象。这时，急需合理的控制策略，控制发电过程。只有制定正确合理的控制策略，保证再生制动系统的工作效率，才能尽可能地实现制动能量的充分回收。

2.3 制动的平顺性问题

制动平顺性，主要由以下两方面。除了车辆原本的传统液压制动系统，在融入电机制动系统后，在执行制动操作时，很难类似于常规制动的感受。因此，保证驾驶人员的体验感、整车运行的平顺性，必须要对原有制动系统进行优化。另外，从动态响应特性方面看，液压制动和电机制动的力矩存在差异，在切换制动模式时，为了避免电机制动力（或液压制动力）突变带来的汽车减速突变，需要采取合理的控制方法，提高制动过程中的舒适性。

3 基于CVT下插电式混合动力汽车再生制动控制策略

3.1 CVT传动机理

在传递再生制动能量的过程中，变速器占据着不可或缺的地位，其要按照运行机理传输能量，并对再生制动系统的工作点加以调整。所以，为保证能量在系统中得到高效传递，必须从变速器的扭矩损失、传动机理切入展开研究。从金属钢带式CVT的部件组成看，有主、从锥轮和金属钢带组。金属带包含了两组钢环、数百个金属片，9-11片单个金属环又组成了各组钢环。在钢环组中，金属带不仅对金属片运动方向具有引导作用，还能够承担全部张紧力。承担推力作用的是金属片，以传递扭矩。金属带式CVT是摩擦式CVT的一种，通过输入轴，将动力传输到金属锥轮上，凭借金属片与主动锥轮产生的摩擦力，金属片得以运动，使相邻金属片产生推力，再由钢带将推力传递到动锥轮上，动锥轮与金属片产生的摩擦力会带动从动锥轮旋转，动轮能够接收到传递来的扭矩。

3.2 联立电池-电机-CVT最优效率模型

除了锂电池组的充电效率，再生制动系统能量回收与CVT传动效率、ISG电机的发电效率具有显著的相关性。电机输出功率攀升至较高水平，也需要电池模块的大幅度的电能输出，但此时充电电流的增加并不带动电池充电效率提高。所以，若出现电池充电电流较大的情况，容易降低电池和电机的联合工作效率。电机工作效率主要受电机工作点影响，而调节CVT的速比恰好改变了电机工作点，同时，再生制动量的回收率与CVT自身工作效率存在相关性。将CVT、电机和电池视为整体，通过分析三者之间的关系，可以发现，CVT速比、电池SOC、系统输入转速和输出转矩会影响系统效率，基于三者的工作参数计算公式，联立电池-电机-CVT联合工作效率的数学模型：

在这一仿真模型中，通过输入不同的转速转矩组合，可以拟合不同SOC值下的联合工作效率特性曲线、电池-电机-CVT的联合工作效率特性曲线。在图1中，呈现了SOC为0.7、输入转速分别为1500r/min和3000r/min的情况下得出的联合效率曲线。分析：红线表示三者联合高效工作线，借此，可以根据再生制动的输入功率，得出对应的目标CVT速比。在处于较低的输入功率下，联合效率较低，这是由于在转速一定的情况下，输入扭矩较低，扭矩降低带动电机发电效率下降，进而导致系统效率下降。当CVT速比低于1时，速比带动联合效率迅速降低，据图可见，此时的传动效率也在迅速下降，进而导致联合工作效率呈现出极剧下降趋势。由此，基于电机效率随转速增加而上升的原理，若输入转速越高，系统联合效率也随之提高。

图1 电池-电池-CVT联合效率曲线（SOC=0.7）

同时，电池SOC是再生制动系统能量回收效率的重要因素，现将系统输入转速为2500r/min，分别计算不同SOC值，形成了系统的综合效率（图2）。其中，在系统效率最高是SOC=0.5时，电池的充电效率在此时达到最高，若SOC出现浮动，效率也会下降。

图2 电池-电机-CVT联合效率曲线（输入转速 2500r/min）

根据图1图2发现，再生制动时，电机电池的CVT联合效率稳定在40%-80%区间，若能调节CVT速比，使其维持在较高的工作效率，即可大幅提升再生制动系统的能量回收效率。

3.3 CVT速比控制策略

3.3.1 电机制动力补偿策略

变速器传递中会出现功率损失，再生制动功率也会随之减小。所以，要采取以下分配策略分配制动力。其一，理想制动力分配策略：基于再生制动门限值的确定，制定理想再生制动力分配策略。根据制动强度和电池SOC，了解不同状态下液压系统、电机需要提供的制动力。在前、后轮同时承担制动力时，二者制动力的分配是按照I曲线，在前轮制动力时，由电机输出最大制动力，补偿其余制动力的是液压系统；其二，最大能量回收制动力分配：若前后轮并未抱死，前轴可以在制动时接受电机的最大制动力分配，最大程度上利用电机制动力，最大化能量回收率；其三，并行制动力分配：其主要是基于传统汽车固定比例制动力分配策略，只需改进传统车的液压系统，可以运用到插电式混合动力汽车中，不仅成本低、控制策略结构也较为简单。基于此，尽管电机峰值功率会低于总制动功率，但经过变速器后，电机制动功率需要减去变速器损耗的部分。

从功率损耗和能量散溢角度看，车辆在处于复杂工况时，CVT功率会受制动初速度、制动强度影响，能量散溢水平在正常范围内波动。根据研究发现，CVT能量损耗占比7%-9%，这是由于变速器功率损失导致的，很难最大限度地利用电机峰值功率，若预先采用制动力分配政策加以解决，能使CVT传递的功率足以支持电机以峰值功率制动，提高制动能量回收率。

3.3.2 CVT速比控制策略

对系统的工作点，可以通过连续调节的方式，使其处达到高效运行状态，能量回收情况能够得到改善。在传统的CVT速比控制策略中，多关注电池-电机的联合高效。但是，在再生制动过程中，CVT传动效率也会呈现出复杂的动态变化，若直接以常数计入CVT传动效率，或直接不计，不能确保系统达到高水平工作效率，能量回收效率也是如此。为发挥CVT的连续调速功能，要结合电池、电机、变速器在再生制动中的高效曲线及综合效率，制定CVT速比控制策略。在车辆调用再生制动时，需要根据强度需求，把控踏板开合度。这样，在制动强度一定和车速一定的情况下，可以根据制动力分配策略得出电机的制动力，再根据当前车速、电机制动力，可以得到当前的输入功率。通过对照图1和图2中的红线，目标CVT速比很容易被对照起来。这次研究不再按照传统控制策略，从全面角度分析电池-电机-CVT联合效率，以补偿分配形式分配电机制动力进，所以，与源控制策略相比，再生制动系统的输入功率出现了变化，这时需要修正CVT速比控制策略。通过采用这样的方法，模拟车辆的多种工况条件，并根据数据制作系统高效曲线，得到CVT速比控制曲线。若0.7z为制动强度数值，这时紧急制动是车辆的状态，为使得电机不再参与再生制动，保证制动的安全性，可以调整CVT速比至最小；在车速低于一定阈值的情况下，为避免电机转速低于500r/min，影响电机内部运行，便于车辆快速起步，要调整CVT速比至最大值。所以，图3中呈现了目标CVT速比与制动强度、车速的关系。由图发现，经过补偿电机主动力，提高了再生制动过程的系统输入功率。所以，为维持高效率运行的系统状态，CVT在相同的制动工况下，CVT速比要高于未修正时的数值。

图3 效率投影图(输入转速 3000r/min)

3.3.3 速比跟踪策略

速比控制原理为：主动带轮的实际位移与目标位移存在偏差（数值e），在PID模块接收到数值后，会将特定信号传输下一个模块，使得速比控制阀部分受到影响，其后，就能有效控制主动缸内的液压流量，带动主动带轮的位移产生变化，使其向目标值趋近，达到跟踪目标速比的目的。

图4 CVT速比控制原理框图

4 结语

综上所述，与传统汽车制动系统相比，混合动力汽车不仅能够实现热能与动能之间的转换，还能在制动中运用车轮，使得电机产生、输出电流，供充电电池储蓄。本文利用构建的再生制动联合工作模型系统，分析了系统高效工资线，确保电池、电机和变速器能够协调工作，尽可能地提高能量回收率，并结合高效工作线制定了CVT控制策略，保证制动能量得以最大化回收。