一款純電動城市渣土車制動系統(tǒng)控制方法的研究

麻新兵，李萌，史強(qiáng)，連秦劍，魏特特

摘 要：目前國內(nèi)各整車廠開發(fā)銷售的純電動商用車?yán)m(xù)航里程均很難達(dá)到客戶的期望里程值，主要限制因素是新能源汽車的動力電池能量密度不高、充電耗時(shí)較長以及充電設(shè)施網(wǎng)點(diǎn)便利性較差，嚴(yán)重影響到電動汽車，特別是純電動汽車的大范圍推廣普及。文章通過對傳統(tǒng)汽車制動力學(xué)分析，結(jié)合電動汽車制動能量回饋控制策略分析計(jì)算，制定了一種基于制動能量回饋?zhàn)畲蠡碾娨簭?fù)合制動力協(xié)調(diào)式的控制策略。

關(guān)鍵詞：制動回饋;控制策略;電液復(fù)合

中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）23-33-04

Research on the control method of braking system of the electric city muck truck

Ma Xinbing， Li Meng， Shi Qiang， Lian Qinjian， Wei Tete

（ Shaanxi Automobile Holding Group Co.， Ltd Technology Center， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： At present， the endurance mileage of pure electric commercial vehicles developed and sold by domestic vehicle manufacturers is difficult to reach the expected mileage of customers. The main limiting factors are the low energy density of the power battery of new energy vehicles， the long charging time and the poor convenience of the charging facilities， which seriously affect the promotion and popularization of electric vehicles， especially pure electric vehicles. Based on the analysis and calculation of the traditional brake mechanics and the brake energy feedback control strategy of the electric vehicle， a coordinated control strategy of the electro-hydraulic composite brake force based on the maximization of the brake energy feedback is developed.

Keywords： Brake feedback; Control strategy; Electrohydraulic composite

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-33-04

前言

電動汽車正在快速邁向電氣化、智能化、共享化。而制動回饋控制技術(shù)是電動汽車制動控制領(lǐng)域最核心的研究方向，本文介紹了一種基于一款純電動城市渣土車上依靠電子制動控制系統(tǒng)（EBS）與整車控制系統(tǒng)（VCU）相結(jié)合的制動回饋?zhàn)顑?yōu)化的制動回饋控制方法。

1 電動汽車回饋制動研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，市場上存在多種新能源汽車制動能量回饋的控制方法，分析其各自技術(shù)，比較可靠的控制方法的包括美國福特公司推出的SUV混動車型Escape Hybird制動回饋控制系統(tǒng)、日本本田公司推出的搭載采埃孚新一代插電式混合動力變速器的EVplus車型、日本豐田普銳斯PHEV車型。

其中最為典型的是自1997 年日本豐田公司首次推出混合動力汽車普銳斯車型，其在僅利用車載動力電機(jī)驅(qū)動工況下，其對運(yùn)行環(huán)境沒有任何的排放污染，而且在車輛減速、制動和下坡制動時(shí)還能回收機(jī)械能量。特別是當(dāng)車輛等待紅燈停止行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)會自動停止工作，進(jìn)一步減少尾氣排放和燃油消耗，因此該款車型的油耗和尾氣排放都得到了極大的改善。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

新能源汽車的技術(shù)研究及推廣應(yīng)用在中國起步較晚，但經(jīng)過近十年來的技術(shù)研究與示范運(yùn)營，具備從供應(yīng)核心部件原材料、動力電池研發(fā)生產(chǎn)、整車電控系統(tǒng)等車輛核心零部件的研發(fā)和生產(chǎn)，再延伸到整車的設(shè)計(jì)制造、售后服務(wù)，以及充電設(shè)施的研發(fā)配套、網(wǎng)點(diǎn)布局等，都已具備系統(tǒng)級的技術(shù)基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)主要的整車廠均在已布局新能源汽車領(lǐng)域，其中有代表性車型的包括北汽新能源EU5、蔚來純電動ES6、ES8、比亞迪E6等多款電動汽車。其中比亞迪純電動E6是其自主研發(fā)的一款純電動CrossOver車型，它的單次充電續(xù)航能力超過300Km，在城市綜合工況下，制動能量回饋對續(xù)駛里程的貢獻(xiàn)率達(dá)到10%以上。

2 制動能量回饋控制的工作原理

動力電機(jī)制動能量回饋技術(shù)也被稱為動力電機(jī)的能量再生制動控制技術(shù)。當(dāng)車輛在某一具體的行駛工況中進(jìn)行滑行制動或制動踏板制動時(shí)，車輛底盤的傳動系統(tǒng)將車輛制動時(shí)的慣性能量傳遞到動力電機(jī)，以維持電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用車輛傳動機(jī)械系統(tǒng)帶動電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子能夠通過轉(zhuǎn)動時(shí)切割磁力線的方式將動能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)利用逆變器的反向二極管導(dǎo)通，將制動回饋過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換電流回饋到高壓供電直流一側(cè)以回饋充電動力蓄電池，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動能量回饋。

目前，電動汽車的整車總制動力包含回饋制動力與液壓制動力，兩者根據(jù)不同的車輛實(shí)時(shí)制動減速度結(jié)合車輛運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)，制動能量回饋控制技術(shù)可分為直接疊加式和分配協(xié)調(diào)式兩種。

其中大多數(shù)電動汽車采用的是疊加式的制動能量回饋控制系統(tǒng)，其直接將動力電機(jī)的回饋制動力疊加在機(jī)械摩擦制動力上，對摩擦制動系統(tǒng)改動小，但控制策略比較簡單直接，能量回收效率較低，制動感受較差，容易發(fā)生車輛制動“側(cè)滑”、“甩尾”的危險(xiǎn)情況。而分配協(xié)調(diào)式的車輛制動力分配控制策略，將優(yōu)先使用動力電機(jī)回饋制動力，車載制動系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)械液壓制動力，優(yōu)點(diǎn)是車輛能量回收效率高，駕駛員及乘員對制動感受較好，但該方法實(shí)時(shí)控制技術(shù)復(fù)雜，難度高。

3 一款純電動城市渣土車制動能量回饋控制方案

針對一款純電動城市渣土車，研究基于EBS系統(tǒng)開發(fā)制動回饋效能最優(yōu)的制動回饋控制技術(shù)。

表1 ?純電動城市渣土車整車關(guān)鍵參數(shù)

該控制方案滿足ECE制動法規(guī)要求并盡量提高整車行駛安全性和駕駛感受的前提下，提出一種最優(yōu)化的制動回饋控制策略。

圖1 ?整車制動系統(tǒng)組成

如上圖所示，該型純電動城市渣土車的整車制動系統(tǒng)包含液壓制動系統(tǒng)、制動能量回饋控制系統(tǒng)等，制動系統(tǒng)控制策略集成在電子制動控制系統(tǒng)（EBC）中，車輛運(yùn)行過程中EBC實(shí)時(shí)監(jiān)測制動踏板位置信號，用于識別駕駛員的制動意圖，再通過CAN總線實(shí)時(shí)與整車控制器、電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，獲取電機(jī)、電池、車輛及駕駛操控信息，ABS實(shí)時(shí)采集前后車輪的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，并將車輪轉(zhuǎn)速信號通過總線播報(bào)的方式發(fā)送給EBS和VCU，用于計(jì)算車輛滑移率，結(jié)合制動回饋控制策略用于整車總制動力與回饋制動力，保證整車制動力盡可能全部由VCU計(jì)算出的電機(jī)制動回饋扭矩產(chǎn)生。

4 一款純電動城市渣土車制動能量回饋控制策略設(shè)計(jì)

本文所應(yīng)用的制動系統(tǒng)控制策略為并聯(lián)制動控制方法，是一種基于EBS與VCU協(xié)調(diào)管理整車總制動力需求的策略，其在傳統(tǒng)汽車制動力學(xué)固定前后軸制動比例控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸而來。

圖2 ?車輛制動控制系統(tǒng)

車輛在某一具體工況下進(jìn)行行車制動，整車總制動力的能量轉(zhuǎn)換流動圖如圖3所示，整車動能的一部分被消耗在克服空氣阻力和滾動阻力，但其中更多的整車動能由制動系統(tǒng)吸收。

車輛在運(yùn)行過程中的回饋制動能量流動簡圖如下：

圖3 ?車輛回饋制動過程能量流圖

由上圖可以得出，車輛的制動機(jī)械能傳遞由底盤的機(jī)械傳動裝置，再拖動動力電機(jī)（電動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)）回饋發(fā)電，最后回饋發(fā)電產(chǎn)生的電能被傳送到動力電池，其中可利用的制動能量Ebrk可表示為：

（1）

如上的能源傳遞公式中：m為回饋制動時(shí)整車質(zhì)量;μ為底盤傳動效率系數(shù)值;K1為動力電機(jī)的回饋發(fā)電效率系數(shù)值;K2為動力電池的回饋充電吸收效率系數(shù)值;V0和V1分別為回饋制動時(shí)的開始車速和回饋制動結(jié)束時(shí)的實(shí)時(shí)車速;v為回饋制動過程中的車輛實(shí)時(shí)車速;s為回饋制動過程中整車時(shí)的減速制動距離;Fw為車輛運(yùn)行工況的空氣阻力;Fu則為駕駛員施加的制動踏板液壓制動力;Fi為車輛運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)坡道阻力;Ff為車輛運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)滾動阻力。

由公式（1）可以看出，影響車輛制動能量回饋的因素有?、K1、K2、m、v和制動過程中的實(shí)時(shí)速度微分即實(shí)時(shí)制動強(qiáng)度Z。

制動能量回饋的效率參數(shù)的公式為：

（2）

式中：Ereg為制動過程中回收到電池的能量;Ebrk為制動過程中車輛總制動力對應(yīng)的機(jī)械動能總能量。

當(dāng)出現(xiàn)以下綜合工況時(shí)，整車控制器才能允許動力電機(jī)制動回饋參與整車總制動力分配，即：

（1）電池管理系統(tǒng)上報(bào)的SOC狀態(tài)值，必須小于等于95%;

（2）車輛制動強(qiáng)度z門限值必須小于等于-0.6g時(shí)，認(rèn)為整車制動力需求激增，車輛進(jìn)入緊急制動模式，為保證整車制動的安全性，采用常規(guī)液壓制動;

（3）整車控制器監(jiān)測到的有效操控檔位在前進(jìn)檔;

（4）整車控制器采集到的電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速不小于800rpm。

以上條件都滿足時(shí)，整車控制器允許動力電機(jī)電制動扭矩回饋。

在對整車總制動力進(jìn)行電液復(fù)合制動分配時(shí)，為避免車輛“甩尾”、“打滑”，通過在后軸引入驅(qū)動電機(jī)制動回饋的制動力，并且產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)制動回饋力矩分配系數(shù)。其定義如下：

（3）

（4）

其中：fb為整車總fbr制動力;fbf_hyBk為前軸制動力;fbr為后軸制動力;β為前后軸制動力分配系數(shù)。

本文介紹的純電動城市渣土車為前置后驅(qū)車型，即電機(jī)回饋制動力施加于后軸，利用動力電機(jī)制動力分配系數(shù)βallo定義如下：

（5）

（6）

其中：fbr_eleBk為動力電機(jī)回饋制動力;fbr_hyBk為后軸實(shí)時(shí)液壓制動力。

根據(jù)公式（3）、（4）、（5）、（6）可確定該型純電動城市渣土車的整車總制動力為：

（7）

基于整車制動力分配的控制策略，在確保運(yùn)行過程的制動安全性和駕駛員制動踏板行程控制感的前提下，該型車的制動力分配控制策略如下：

-0.1g ≤ z ≤ 0：整車制動力由動力電機(jī)輸出，從而回收盡可能多的制動能量。

（8）

-0.6g ≤ z<-0.1g：整車總制動力控制策略由動力電機(jī)和液壓制動的并行制動，即后軸動力電機(jī)制動加后軸液壓制定再加前軸液壓制動。

（9）

z <-0.6g：車輛處于緊急制動狀態(tài)，為保證制動的安全性，驅(qū)動電機(jī)回饋制動力退出，車輛制動力由液壓制動控制輸出。

（10）

5 結(jié)論

（1）本文分析了一款純電動城市渣土車制動回饋過程的工作原理及力學(xué)分析，確定了影響制動能量回饋的整車狀態(tài)及電氣特性約束條件。

（2）基于回饋制動最優(yōu)先考慮，整車總制動力分配控制策略結(jié)合動力電池荷電狀態(tài)SOC值、整車在具體工況下的實(shí)時(shí)制動強(qiáng)度、實(shí)時(shí)的整車車速、駕駛員踩制動踏板開度等底盤動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件狀態(tài)為設(shè)計(jì)輸入，回饋制動比例分配為輸出的電液復(fù)合協(xié)調(diào)式的整車制動力分配控制策略。

（3）本文中提出的電液協(xié)調(diào)式制動控制策略已成功應(yīng)用于某型純電動城市渣土車，保證行車制動安全的前提下，最大程度提升制動能量回饋利率，從而提升整車?yán)m(xù)駛里程。

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