電動(dòng)商用車(chē)的串聯(lián)制動(dòng)控制策略

鄺家凱，劉貽華

（廣東理工學(xué)院， 廣東肇慶 526100）

0 引言

近年來(lái)，電動(dòng)化已成為國(guó)內(nèi)外汽車(chē)發(fā)展的主流方向，商用車(chē)領(lǐng)域也逐漸向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，可將制動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)的反作用能量回收到特定的儲(chǔ)能裝置里面，進(jìn)一步利用能量，提高車(chē)輛的續(xù)航里程[1-3]。但目前再生制動(dòng)技術(shù)主要應(yīng)用于乘用車(chē)領(lǐng)域，商用車(chē)方面的應(yīng)用還相對(duì)較少。

張小龍等[4]根據(jù)ECE 制動(dòng)法規(guī)以及制動(dòng)穩(wěn)定性的有關(guān)要求，優(yōu)化車(chē)輛的制動(dòng)力分配，提高了車(chē)輛的制動(dòng)能量回收效率；王琳琳[5]設(shè)計(jì)了一種前輪電子制動(dòng)、后輪液壓制動(dòng)的制動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的再生制動(dòng)能量進(jìn)行再次利用，可改善車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性；盧珊等[6]通過(guò)建立再生制動(dòng)模型，在ADVISOR 平臺(tái)中進(jìn)行能量回收效率仿真；楊小龍等[7]以良好制動(dòng)性和能量回收率最大化為目標(biāo)，針對(duì)某前驅(qū)純電動(dòng)汽車(chē)提出了基于多因素輸入模糊控制的再生制動(dòng)策略；倪計(jì)民等[8]在考慮能量回收效率、汽車(chē)驅(qū)動(dòng)形式、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和車(chē)輛重心位置的基礎(chǔ)上，提出并研究了最大效率再生制動(dòng)能量回收策略；王永紅等[9]針對(duì)串并聯(lián)再生制動(dòng)能量回收的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究。龔賢武等[10]基于制動(dòng)穩(wěn)定性要求和ECE 制動(dòng)法規(guī)對(duì)某電動(dòng)轎車(chē)制動(dòng)力分配進(jìn)行研究，在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的同時(shí)，大大提升了制動(dòng)能量回收效率。

本文以電動(dòng)商用車(chē)為研究對(duì)象，該類(lèi)商用車(chē)具有氣壓和再生制動(dòng)2種制動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了制動(dòng)舒適性強(qiáng)、能量回收率高的串聯(lián)制動(dòng)控制策略，并基于建模和聯(lián)合仿真對(duì)制動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證分析，可為商用車(chē)的串聯(lián)制動(dòng)控制提供參考借鑒。

1 設(shè)置串聯(lián)制動(dòng)約束條件

1.1 ECE法規(guī)對(duì)制動(dòng)力分配要求

汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的前后軸制動(dòng)力分配結(jié)果將對(duì)制動(dòng)穩(wěn)定性和附著條件的利用產(chǎn)生顯著影響，一般有前輪先抱死拖滑、后輪抱死拖滑以及前后輪同時(shí)抱死拖滑3種工況，根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)理論可知，當(dāng)前后輪同時(shí)抱死拖滑為理想工況，其前后輪的制動(dòng)力分配曲線(xiàn)稱(chēng)為I曲線(xiàn)，如式（1）所示[11-12]。

式中：Fbf和Fbr分別為質(zhì)心到前、后軸的距離；z為制動(dòng)強(qiáng)度；hg為質(zhì)心高度。

根據(jù)車(chē)輛所要滿(mǎn)足的制動(dòng)效能，車(chē)輛的制動(dòng)力分配要符合有關(guān)法規(guī)，以后輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)商用車(chē)為例，根據(jù)ECE 法規(guī)設(shè)置如下的約束條件[13]：

1.2 電機(jī)約束

電機(jī)再生制動(dòng)力矩與其發(fā)電功率和效率有關(guān)，在一定轉(zhuǎn)速下，再生制動(dòng)產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩受電機(jī)發(fā)電能力的限制[14]。再生制動(dòng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出特性為基速以下時(shí)以恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，在基速以上時(shí)以恒定的功率輸出。另外，為了保證制動(dòng)時(shí)的安全性，避免車(chē)速過(guò)低時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和再生制動(dòng)力矩過(guò)小，將電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)速閾值設(shè)置為500 r/min，一旦電機(jī)轉(zhuǎn)速低于該閾值，則不進(jìn)行再生制動(dòng)。在制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪需要的再生制動(dòng)力超過(guò)電機(jī)所能提供的再生制動(dòng)力時(shí)，還需要利用摩擦制動(dòng)補(bǔ)充部分制動(dòng)力。因此，可得如下的電機(jī)再生制動(dòng)特性[15]：

式中：Pm_reg為電機(jī)再生制動(dòng)功率；為電機(jī)恒定轉(zhuǎn)矩；PN為電機(jī)額定功率；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；nb為電機(jī)基速。

1.3 蓄電池約束

蓄電池的最大充電功率、 電流以及電池荷電狀態(tài)（SOC）是影響再生制動(dòng)能量回收的重要因素。為了延長(zhǎng)電池使用壽命，考慮到再生制動(dòng)過(guò)程充電的時(shí)間較短，一般要求蓄電池所允許的最大充電功率和最大充電電流要大于該過(guò)程中充電功率和充電電流[16]。同時(shí)，考慮到過(guò)度充電和過(guò)度放電對(duì)蓄電池壽命會(huì)有影響，需要對(duì)蓄電池的SOC 狀態(tài)進(jìn)行限制。 本文所采用的鋰離子電池SCO 運(yùn)行范圍設(shè)置在30%～90% ，當(dāng)SOC 值超過(guò)90% 時(shí)，不再進(jìn)行再生制動(dòng)。蓄電池的充電功率Pbat計(jì)算式如下：

式中：I為充電電流；R為電池內(nèi)阻；UOC為開(kāi)路電壓，是關(guān)于電池SOC的函數(shù)。

1.4 制動(dòng)舒適性約束

制動(dòng)舒適感指的是駕乘人員對(duì)制動(dòng) “急” 或者 “緩” 的主觀感受，人體對(duì)制動(dòng)感受較為敏感，過(guò)急的制動(dòng)過(guò)程會(huì)使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的不適感，因此，制動(dòng)感受也是影響車(chē)輛的制動(dòng)性重要因素[17]。為了使電動(dòng)商用車(chē)具有較好的制動(dòng)感受，本文以車(chē)輛的減速度變化率j（車(chē)輛的沖擊度）作為制動(dòng)系統(tǒng)舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

根據(jù)馮瑤[18]的相關(guān)研究，人體在感受舒適較為舒適時(shí)所能承受的最大沖擊度為10 m/s3，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，人體感受效果不佳。當(dāng)汽車(chē)按照理想的制動(dòng)力分配曲線(xiàn)對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配時(shí)，車(chē)輛具有最佳的制動(dòng)效能，因此，車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)盡量按照I曲線(xiàn)進(jìn)行制動(dòng)力分配。

2 串聯(lián)制動(dòng)控制策略

2.1 基本原理

如圖1 所示，串聯(lián)制動(dòng)控制策略可以使再生制動(dòng)力達(dá)到極限值后再啟動(dòng)摩擦制動(dòng)，可以使車(chē)輛具有較好的制動(dòng)效能。在改控制策略中，串聯(lián)制動(dòng)與ABS 系統(tǒng)集成后進(jìn)行制動(dòng)控制，通過(guò)對(duì)單個(gè)車(chē)輪的氣壓制動(dòng)力進(jìn)行控制，可以使車(chē)輛的總制動(dòng)力達(dá)到路面附著極限。由此可見(jiàn)，串聯(lián)制動(dòng)控制策略充分利用了再生制動(dòng)，具有較高的能量回收效率。

圖1 串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力的分配

2.2 電動(dòng)商用車(chē)電-氣復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

在電動(dòng)商用車(chē)中制動(dòng)系統(tǒng)一般采用電-氣復(fù)合制動(dòng)方式，由于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)回路壓力響應(yīng)較慢，需要在設(shè)計(jì)電動(dòng)商用車(chē)的電-氣復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中增加控制閥和傳感器等裝置，從而實(shí)現(xiàn)前后管路壓力的調(diào)節(jié)和電-氣制動(dòng)切換。如圖2所示，通過(guò)電磁閥的通斷，開(kāi)關(guān)式調(diào)壓閥能夠?qū)WM信號(hào)進(jìn)行控制，由此完成對(duì)前后管路制動(dòng)氣壓的調(diào)節(jié)；在前后制動(dòng)管路中安裝有二位二通電磁閥，通過(guò)對(duì)氣壓管路的通斷控制可以實(shí)現(xiàn)氣壓制動(dòng)與再生制動(dòng)的快速切換。

圖2 電動(dòng)商用車(chē)電-氣復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

2.3 制動(dòng)力分配策略

基于串聯(lián)制動(dòng)控制方法所增設(shè)的電機(jī)再生制動(dòng)會(huì)影響車(chē)輛的前后制動(dòng)力分配，需要對(duì)前后輪氣壓制動(dòng)和電機(jī)的再生制動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得駕乘人員獲得較好的制動(dòng)感受。為了使車(chē)輛具有最佳的制動(dòng)效能和制動(dòng)穩(wěn)定性，制動(dòng)力分配曲線(xiàn)應(yīng)當(dāng)按照理想的制動(dòng)力分配線(xiàn)I 曲線(xiàn)，車(chē)輛的制動(dòng)距離也最短[19]。圖3所示為車(chē)輛具有最佳制動(dòng)感受的制動(dòng)力分配曲線(xiàn)。

圖3 串聯(lián)制動(dòng)控制策略的制動(dòng)力分配曲線(xiàn)

根據(jù)車(chē)輛的制動(dòng)強(qiáng)度，本文所設(shè)計(jì)的串聯(lián)制動(dòng)控制策略可以對(duì)電機(jī)制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)車(chē)輛處于輕度制動(dòng)模式工況，此時(shí)車(chē)輛僅進(jìn)行再生制動(dòng)，制動(dòng)力完全由電機(jī)輸出；當(dāng)車(chē)輛處于中等制動(dòng)模式工況，此時(shí)氣壓制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)共同作用，一旦制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的數(shù)值，先提高前輪的氣壓制動(dòng)力，后輪氣壓制動(dòng)力保持為0，直到前后輪制動(dòng)力分配曲線(xiàn)恰好與理想的I 曲線(xiàn)吻合時(shí)，前后輪制動(dòng)力才會(huì)根據(jù)I 曲線(xiàn)同時(shí)增加[20-21]；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)0.7 時(shí)，車(chē)輛進(jìn)行緊急制動(dòng)，處于制動(dòng)安全性的需求，ABS 介入工作，電機(jī)不再進(jìn)行制動(dòng)，但在ABS 系統(tǒng)的控制下，車(chē)輛的制動(dòng)力分配仍符合I 曲線(xiàn)。圖4 所示為串聯(lián)制動(dòng)控制流程，其主要步驟如下。

圖4 最佳感覺(jué)的串聯(lián)制動(dòng)控制策略流程

步驟1：根據(jù)蓄電池SOC值、制動(dòng)踏板的開(kāi)度α、電機(jī)轉(zhuǎn)速n求得蓄電池最大充電功率Pbat、總制動(dòng)力矩Tb和電機(jī)最大制動(dòng)功率Pm_reg。

步驟2：以電機(jī)的最大制動(dòng)功率、蓄電池的最大充電功率兩者中的較小值作為車(chē)輛的再生制動(dòng)功率Pregen=min(Pbat,Pm_reg)，由Tmmax＝9550 ?Pregen/n可以計(jì)算出電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)能夠輸出的實(shí)際最大制動(dòng)力矩Tmmax。

步驟3：根據(jù)圖3 中串聯(lián)制動(dòng)過(guò)程中總制動(dòng)力的OA 段曲線(xiàn)可知，車(chē)輛制動(dòng)所需的制動(dòng)力小于再生制動(dòng)輸出的制動(dòng)力時(shí)，即Tmmax>Tb時(shí)，制動(dòng)力完全由電機(jī)輸出，前后輪氣壓制動(dòng)力Fhf，F(xiàn)hr均保持為0。

步驟4：根據(jù)圖3 串聯(lián)制動(dòng)過(guò)程中總制動(dòng)力的AB 曲線(xiàn)可知，當(dāng)Tmmax＜Tb時(shí)，啟動(dòng)前輪氣壓制動(dòng)器，后輪氣壓制動(dòng)器不進(jìn)行響應(yīng)，前輪的摩擦制動(dòng)力沿AB曲線(xiàn)持續(xù)提升，此時(shí)總制動(dòng)力為電機(jī)輸出的實(shí)際最大制動(dòng)力與前輪摩擦制動(dòng)力兩者之和。

步驟5：根據(jù)圖3 串聯(lián)制動(dòng)過(guò)程中總制動(dòng)力的BGC 曲線(xiàn)，當(dāng)Tmmax＜Tb且制動(dòng)力按照I曲線(xiàn)分配，此時(shí)后輪氣壓制動(dòng)器開(kāi)始響應(yīng)，補(bǔ)償電機(jī)所能提供的制動(dòng)力以外的部分。此時(shí)選取I曲線(xiàn)上的任一點(diǎn)G，過(guò)G分別作x軸與y軸的垂線(xiàn)，其橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)即是分配到前后輪的制動(dòng)力，GH段為后輪的氣壓制動(dòng)力。

步驟6：通過(guò)上述邏輯計(jì)算過(guò)程后，串聯(lián)制動(dòng)控制策略可對(duì)氣壓制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得制動(dòng)力分配按照理想的I曲線(xiàn)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)感受最佳并且制動(dòng)能量回收效率較好的目的。

2.4 串聯(lián)制動(dòng)控制模型

基于串聯(lián)制動(dòng)控制策略可以在Simulink 中建立串聯(lián)制動(dòng)控制模型，然后借助Cruise Interfaces 中的Matlab DLL 組件將生成的.DLL 文件與Cruise 整車(chē)模型進(jìn)行連接，完成控制策略與整車(chē)模型的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)Simulink與Cruise的聯(lián)合仿真如圖5所示。電動(dòng)商用車(chē)的相關(guān)仿真參數(shù)如表1所示。

圖5 串聯(lián)制動(dòng)控制策略聯(lián)合仿真模型

表1 電動(dòng)商用車(chē)的主要仿真參數(shù)

3 仿真及結(jié)果分析

將蓄電池的初始SOC值設(shè)定為80% ，為了驗(yàn)證串聯(lián)制動(dòng)控制策略的性能，選取以60 km/h 的初速度進(jìn)行制動(dòng)以及NEDC循環(huán)這兩種工況進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

3.1 以60 km/h的初速度進(jìn)行制動(dòng)

車(chē)輛的初速度為60 km/h 時(shí)，在制動(dòng)強(qiáng)度分別為0.1、0.5、0.8的條件下進(jìn)行串聯(lián)制動(dòng)控制仿真試驗(yàn)，并比較制動(dòng)結(jié)束后的能量回收情況、車(chē)速以及蓄電池SOC 數(shù)值等關(guān)鍵因素。不同條件下的仿真結(jié)果如圖6～10所示。

從圖6和表2中可以看出，隨著制動(dòng)強(qiáng)度增大其制動(dòng)所需的時(shí)間逐漸減小，符合實(shí)際制動(dòng)規(guī)律。從圖7可以看出，制動(dòng)強(qiáng)度低于0.7 時(shí)，電機(jī)制動(dòng)持續(xù)作用，將產(chǎn)生的能量回收到蓄電池中。制動(dòng)結(jié)束后蓄電池的SOC 值升高。同時(shí)，隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增加，蓄電池的SOC值變小，z=0.1時(shí)能量回收效率為25.6%，這是由于輕度制動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出全部的制動(dòng)力，回收的制動(dòng)能量更多；當(dāng)z=0.8時(shí)，車(chē)輛進(jìn)行緊急制動(dòng)，處于制動(dòng)安全性的考慮，電機(jī)不進(jìn)行工作，ABS 開(kāi)始介入，蓄電池SOC 值減小。由圖8 和表2 可以看出，當(dāng)z=0.1 時(shí)，蓄電池的回收能量為431 kJ，能量回收率為19.4% ；當(dāng)z=0.5 時(shí)，蓄電池回收能量為386 kJ，能量回收率為17.5%。由此可知，車(chē)輛的能量利用率有所提升，其經(jīng)濟(jì)性有一定的改善。由圖9 可知，當(dāng)z=0.5時(shí)，電機(jī)制動(dòng)和氣壓制動(dòng)同時(shí)工作，在引入電機(jī)制動(dòng)后，改善了氣壓制動(dòng)遲滯時(shí)間長(zhǎng)的弊端，提高了車(chē)輛的制動(dòng)效能。從圖10 可知看出，在3 種制動(dòng)強(qiáng)度下，車(chē)輛的制動(dòng)減速度變化率均不超過(guò)10 m/s3，車(chē)輛的沖擊度處于較低的范圍內(nèi)，可以改善制動(dòng)感受，提升制動(dòng)舒適性。

圖6 不同制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的車(chē)速比較

圖7 不同制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的蓄電池SOC比較

圖8 不同制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的回收能量比較

圖9 z＝0.5時(shí)電機(jī)制動(dòng)力矩與氣壓制動(dòng)力矩情況

圖10 不同制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的車(chē)輛減速度變化率比較

表2 不同制動(dòng)強(qiáng)度下串聯(lián)制動(dòng)性能仿真情況

3.2 NEDC循環(huán)工況的仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出的串聯(lián)制動(dòng)控制策略有效性，設(shè)定蓄電池初始SOC 為80% ，采用NEDC 循環(huán)工況進(jìn)行仿真測(cè)試，比較串聯(lián)制動(dòng)控制策略與無(wú)能量回收機(jī)制策略的仿真試驗(yàn)效果。

從圖11 可以看出，NEDC 工況中實(shí)際車(chē)速能夠很好的跟隨期望車(chē)速，因此，串聯(lián)制動(dòng)控制策略可滿(mǎn)足NEDC 循環(huán)工況要求。從圖12中可以看出，采用串聯(lián)制動(dòng)控制策略進(jìn)行控制時(shí)，車(chē)輛減速過(guò)程中蓄電池電流為正，說(shuō)明電機(jī)通過(guò)再生制動(dòng)為蓄電池充電。采用無(wú)制動(dòng)能量回收策略時(shí)，蓄電池電流為負(fù)，說(shuō)明沒(méi)有電流反饋給蓄電池。采用串聯(lián)制動(dòng)控制策略循環(huán)工況結(jié)束后，蓄電池的SOC值達(dá)到72%，表明可以降低蓄電池SOC 的下降率，減少電能消耗。從圖13 和表3 中可以看出，采用串聯(lián)制動(dòng)控制策略后能量回收率可達(dá)到19% ，有效提高了能量利用率，車(chē)輛的續(xù)航里程有所增加。從圖14中可以看出，車(chē)輛的減速度變化率最大值也遠(yuǎn)小于10 m/s3，車(chē)輛的沖擊度處于良好范圍內(nèi)，制動(dòng)感受較好，可以滿(mǎn)足駕駛?cè)藛T對(duì)制動(dòng)感受的要求。

圖11 NEDC工況下實(shí)際車(chē)速與期望車(chē)速

圖12 串聯(lián)制動(dòng)控制策略與無(wú)能量回收控制策略的SOC和電流比較

圖13 串聯(lián)制動(dòng)控制策略與無(wú)能量回收策略的能量回收情況比較

圖14 NEDC工況車(chē)輛減速度變化率

表3 NEDC工況下兩種控制策略的性能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電動(dòng)商用車(chē)的制動(dòng)控制策略進(jìn)行研究，基于電動(dòng)商用車(chē)電—?dú)鈴?fù)合制動(dòng)方式，施加蓄電池、電機(jī)、制動(dòng)感受等重要約束條件，設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)制動(dòng)控制策略。為了使車(chē)輛具有最佳的制動(dòng)感受和制動(dòng)能量回收效率，基于Cruise 和Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境搭建了串聯(lián)制動(dòng)策略控制模型，進(jìn)行了相關(guān)仿真測(cè)試，驗(yàn)證了串聯(lián)制動(dòng)控制策略的有效性，得出如下結(jié)論。

（1）在以60 km/h 初始車(chē)速制動(dòng)和NEDC 循環(huán)兩種工況下，通過(guò)采用本文所設(shè)計(jì)串聯(lián)制動(dòng)控制策略，可以對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)力分配進(jìn)行優(yōu)化，車(chē)輛的制動(dòng)沖擊度較小，車(chē)輛具有最佳的制動(dòng)感受。

（2）在以60 km/h 初始車(chē)速制動(dòng)和NEDC 循環(huán)兩種工況下，基于串聯(lián)制動(dòng)控制策略，電動(dòng)商用車(chē)的制動(dòng)能量回收效果較好，提高了能量利用率，可以進(jìn)一步改善電動(dòng)商用車(chē)的經(jīng)濟(jì)性。

（3）在串聯(lián)制動(dòng)控制策略中，電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)方式具有不同的特性，如何利用電子控制算法對(duì)電機(jī)的制動(dòng)力進(jìn)行精確調(diào)節(jié)將是下一步的重點(diǎn)研究方向。