混合動(dòng)力客車再生制動(dòng)控制策略的研究

余 捷

混合動(dòng)力客車再生制動(dòng)控制策略的研究

余 捷

福建工程學(xué)院機(jī)電及自動(dòng)化工程系

根據(jù)已在我國多個(gè)城市運(yùn)營的某混合動(dòng)力客車車型現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)及其工作模式的介紹，展開再生制動(dòng)能量管理和控制策略的研究。以理論分析和仿真研究為手段，揭示目標(biāo)車型再生制動(dòng)控制策略下的制動(dòng)安全性能及制動(dòng)能量回收率的表現(xiàn)，從而為進(jìn)一步提高混合動(dòng)力客車再生制動(dòng)系統(tǒng)性能提供了參考依據(jù)。

混合動(dòng)力客車；再生制動(dòng)；控制策略；制動(dòng)力分配

再生制動(dòng)是油—電混合動(dòng)力汽車（本文所提到的混合動(dòng)力汽車均指這類汽車）的重要工作模式，它能在車輛減速或下坡時(shí)，在保證車輛制動(dòng)性能的條件下，將儲(chǔ)存于汽車上的動(dòng)能或位能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在于電儲(chǔ)能裝置中[1]。該工作模式下，制動(dòng)系統(tǒng)不僅產(chǎn)生車輛所需全部或部分制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了車輛的減速和制動(dòng)，同時(shí)可回收一定的制動(dòng)能量，有效地實(shí)現(xiàn)車輛的節(jié)能減排，并減少了制動(dòng)器摩擦片的磨損。因此，在環(huán)保節(jié)能安全的汽車技術(shù)設(shè)計(jì)理念的引導(dǎo)下，再生制動(dòng)的研發(fā)已成為新一代節(jié)能汽車技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

可見，開展再生制動(dòng)的理論和應(yīng)用研究不但有重要的理論意義，而且還有較高的實(shí)用價(jià)值。而國內(nèi)目前對(duì)混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)的研究相對(duì)于國外起步較晚，在以下方面還有待深入研究[2]：①再生制動(dòng)能量管理和控制策略；②再生制動(dòng)系統(tǒng)建模和車輛制動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模；③基于整車綜合制動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真的綜合優(yōu)化；④再生制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M、匹配控制和綜合評(píng)價(jià)。

本文根據(jù)已在我國多個(gè)城市運(yùn)營的某混合動(dòng)力客車車型現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)及其工作模式的介紹，展開再生制動(dòng)能量管理和控制策略的研究。以理論分析和仿真研究為手段，揭示目標(biāo)車型再生制動(dòng)控制策略下的制動(dòng)安全性能及制動(dòng)能量回收率的表現(xiàn)，從而為優(yōu)化混合動(dòng)力客車制動(dòng)系統(tǒng)控制策略提供參考。

1 目標(biāo)車型再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略簡(jiǎn)介

目標(biāo)車型配備的混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其制動(dòng)模式下回饋能量路線如圖1所示，動(dòng)力系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)橋、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器（由AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器及電機(jī)工作模式控制器等組成）、儲(chǔ)能元件（超級(jí)電容）、發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、混合動(dòng)力控制器等組成；而制動(dòng)工況下離合器分離，永磁發(fā)電機(jī)關(guān)閉，回饋能量流動(dòng)流動(dòng)路線為：驅(qū)動(dòng)橋→驅(qū)動(dòng)電機(jī)→驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器→儲(chǔ)能元件。客車采用三級(jí)微控開關(guān)式剎車踏板，實(shí)現(xiàn)減速/制動(dòng)工況下有幾種工作模式：

（1）當(dāng)松開油門踏板而未踩下制動(dòng)踏板時(shí)，客車采用50%的輕載發(fā)電；

（2）當(dāng)微踩制動(dòng)踏板使踏板行程介于第一級(jí)與第二級(jí)開關(guān)之間時(shí)，客車采用100%的全載發(fā)電；

（3）當(dāng)制動(dòng)踏板行程介于第二級(jí)與第三級(jí)開關(guān)之間時(shí)，客車采用再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的聯(lián)合制動(dòng)方式；

（4）當(dāng)制動(dòng)踏板被迅速踩到最大行程觸動(dòng)第三級(jí)開關(guān)時(shí)，客車采用純機(jī)械制動(dòng)方式。

圖1 目標(biāo)車型動(dòng)力總成系統(tǒng)及制動(dòng)回饋能量流圖

以上的工作模式能否在客車行駛中實(shí)現(xiàn)，使客車具有高的制動(dòng)能量回收率，取決于目標(biāo)車型制動(dòng)力分配策略的制定與相應(yīng)的制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)工作模式可知，目標(biāo)車型采用自由行程式控制策略，其特點(diǎn)為定比例式進(jìn)行摩擦制動(dòng)力與電機(jī)再生制動(dòng)力之間的制動(dòng)力分配，同時(shí)在踏板自由行程段施加回收制動(dòng)力的制動(dòng)控制策略，以滿足客車制動(dòng)安全的需要并實(shí)現(xiàn)高的車輛慣性能回收率。如將自由行程式控制策略的客車安全制動(dòng)性能與能量回收率進(jìn)行仿真分析，有助于了解混合動(dòng)力客車在不同的制動(dòng)強(qiáng)度下，客車的控制策略的制動(dòng)安全性能及制動(dòng)能量回收率的變化情況，從而為優(yōu)化混合動(dòng)力客車制動(dòng)系統(tǒng)提供了切入點(diǎn)參考。而仿真研究所需的目標(biāo)車型及其混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)如表1 所示。

表1 目標(biāo)車型整車仿真基本參數(shù)

2 制動(dòng)力分配控制策略的理論分析

根據(jù)目標(biāo)車型的工作模式反推出客車的控制策略如圖2所示：OE段，制動(dòng)踏板自由行程，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力增大，摩擦制動(dòng)力為0，總制動(dòng)力達(dá)到點(diǎn)A；EF段，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力增大，摩擦制動(dòng)力為0，總制動(dòng)力到達(dá)點(diǎn)B時(shí)，電動(dòng)機(jī)回收制動(dòng)力到達(dá)極大值；FG段，摩擦制動(dòng)力從0開始增加，同時(shí)保持為電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力不變，使總制動(dòng)力與需求制動(dòng)力相同，前后輪制動(dòng)力之比按原車比例控制，即原車β線位置；GH與HI段，制動(dòng)踏板開度較大，即將進(jìn)入緊急制動(dòng)工況，為了保證制動(dòng)安全，摩擦制動(dòng)力迅速恢復(fù)并增至最大，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力隨之逐漸減小至完全撤銷，該過程仍然保證總制動(dòng)力與需求制動(dòng)力相同。

圖2 目標(biāo)車型控制策略方案

根據(jù)再生制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以從汽車制動(dòng)性能的評(píng)價(jià)、再生制動(dòng)性能的評(píng)價(jià)和再生制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于整車性能影響的評(píng)價(jià)三個(gè)方面對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的可行性與各項(xiàng)性能指數(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[3]。

（1）目標(biāo)車型引入自由行程輕載發(fā)電模式以及整個(gè)制動(dòng)過程保證制動(dòng)力與需求制動(dòng)力相同的控制策略，顯然，其制動(dòng)距離和制動(dòng)效能比傳統(tǒng)車型有一定的改善。然而，由于整車取消了滑行模式，在某些情況下，并不一定有利于節(jié)能行駛。因?yàn)樵谝欢ǖ能囁俜秶鷥?nèi)，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用滑行模式，能充分利用整車的慣性滑行，增加行駛里程從而減少燃油消耗，而如果將慣性能回收再驅(qū)動(dòng)，其效率必然降低。

（2）目標(biāo)車型增加了再生制動(dòng)模式的工作時(shí)段（OE段），顯然目標(biāo)車型可以擁有較高地制動(dòng)能回收率。

（3）目標(biāo)車型當(dāng)進(jìn)入摩擦制動(dòng)力工作時(shí)段（FI段），其前后輪的制動(dòng)力分配必需保證前輪比后輪先達(dá)到車輪抱死臨界狀態(tài)，否則后輪先抱死勢(shì)必對(duì)客車行駛穩(wěn)定性不利。目標(biāo)車型采用了前后輪制動(dòng)力按原車比例控制，從理論上可以消除該隱患。

3 制動(dòng)力分配控制策略仿真分析

根據(jù)目標(biāo)車型的控制策略，利用Matlab/Simulink和ADVISOR軟件中建立制動(dòng)工況下整車工作模式選擇模型，如圖3所示。并建立整車控制策略模型，如圖4所示。

圖3 制動(dòng)工況下工作模式選擇模型

圖4 整車控制策略頂層模型

由于目標(biāo)車型為城市客車，所以選擇我國2005年實(shí)行的中國典型城市公交循環(huán)工況作為仿真測(cè)試循環(huán)，如圖5所示。

圖5 中國典型城市公交循環(huán)工況

仿真采用一個(gè)循環(huán)工況，輸入目標(biāo)車型參數(shù)進(jìn)行仿真，總的仿真時(shí)間1320s，設(shè)定初始SOC（超級(jí)電容剩余電量與總電量之比）為0.9。得到仿真實(shí)際車速與SOC變化情況，分別如圖6與7所示。

圖6 目標(biāo)車型車速仿真結(jié)果

圖7 目標(biāo)車型超級(jí)電容仿真結(jié)果

從圖6中可以看出當(dāng)初始SOC為0.9時(shí)，工況要求車速和仿真實(shí)現(xiàn)車速曲線完全重疊，說明目標(biāo)車型的動(dòng)力性滿足中國典型城市公交工況的要求。從圖7可以看出，在整個(gè)工況結(jié)束時(shí)，其存電量還是保持為0.9。在客車運(yùn)行中，SOC下降的主要是由在起步和低速工況下采用純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式引起；而SOC上升的主要是由制動(dòng)工況下再生制動(dòng)模式引起的。為了保護(hù)超級(jí)電容，SOC在0.9處中止回收充電。從圖中看到SOC曲線多次被切峰，說明目標(biāo)型車有較高的能量回收率，但也表明客車尚未充分吸收制動(dòng)能量，控制策略與儲(chǔ)能系統(tǒng)有待進(jìn)一步綜合優(yōu)化。比如，顯然目標(biāo)車型在取消自由行程段的再生制動(dòng)，SOC勢(shì)必減少被切峰次數(shù)，有利于制動(dòng)能量的有效回收和提高整車節(jié)能潛力。

4 結(jié)論

本文對(duì)一款混合動(dòng)力客車的再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，利用理論分析和仿真手段，揭示自由行程式再生制動(dòng)控制策略下客車制動(dòng)性能與能量回收的變化情況，得到如下結(jié)論：

（1）在自由行程下引入再生制動(dòng)，可顯著增加客車慣性能的回收。但并不一定利于整車的節(jié)能，比如為保護(hù)儲(chǔ)能元件不能充分吸收客車慣性能以及取消滑行模式降低客車慣性能的利用率。

（2）目標(biāo)車型所采用的自由行程式控制策略，可以具有較好的汽車制動(dòng)性能、再生制動(dòng)性能和整車穩(wěn)定性，滿足車輛行駛要求。

（3）目標(biāo)車型從仿真來看，SOC多次被切峰，車輛未能充分吸收客車慣性能，可以從控制策略和硬件系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)方面著手研究，進(jìn)一步提高再生制動(dòng)下能量回收率。

[1] 陳全世,仇斌,謝起成.燃料電池電動(dòng)汽車[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[2] 顏靜.CVT混合動(dòng)力再生制動(dòng)控制策略與仿真研究[D].重慶：重慶大學(xué), 2006.

[3] 趙巖.并聯(lián)液壓混合動(dòng)力汽車制動(dòng)系統(tǒng)建模和仿真研究[D].吉林：吉林大學(xué), 2009.

Regenerative Braking Strategy Research for Hybrid Electric Bus

Yu Jie

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

The regenerative braking energy management and control strategies were researched through analysis of the braking system and working modes of a hybrid electric bus (HEB) available in some cities of China. Theoretical analysis and simulation were conducted to determine the braking safety performance and brake-energy recovery of target HEB under the regenerative braking control strategy. It is indicated that the results can aid to the improvement of the hybrid bus performance of regenerative braking system.

hybrid electric bus; regenerative braking; control strategy; braking force distribution.

福建省科技平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（2008J1002），福建工程學(xué)院青年科研基金（GY-Z09069）。