輪邊驅(qū)動電動客車制動能量回收控制策略研究

陳曉冰

(廈門金龍汽車新能源科技有限公司， 福建 廈門 361021)

輪邊驅(qū)動電動客車具有傳動鏈短、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，且整車易布置成與一級踏步等高的全平地板，因此日漸成為電動城市客車的重要發(fā)展趨勢。電動城市客車的制動能量回收效率對其提高續(xù)駛里程具有重要意義。本文使用CRUISE與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的方法，研究輪邊驅(qū)動純電動客車制動能量回收的控制策略和效果。

1 制動能量回收控制策略

1.1 制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本車采用傳統(tǒng)機械制動與輪邊電機再生制動相并聯(lián)的制動系統(tǒng)，兩套制動分系統(tǒng)相互獨立，互不影響。踩下制動踏板后，前后軸機械制動力按一定的比例關(guān)系進行分配；整車控制器根據(jù)制動踏板開度、當前車速以及電池的荷電狀態(tài)(SOC值)確定輪邊電機的再生制動力控制策略。

圖1 輪邊驅(qū)動純電動客車制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 前后軸制動力分配

首先根據(jù)整車相關(guān)參數(shù)進行前、后軸制動力分配設(shè)計。前軸因無驅(qū)動電機，所以僅有機械制動力；后軸制動力包括機械制動力與兩個輪邊電機的再生制動力。前、后軸制動力的分配應(yīng)首先滿足制動安全性的法規(guī)及標準要求。

為保證制動時汽車的方向穩(wěn)定性和足夠的制動效果，GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》對前、后軸制動力附著系數(shù)、與制動強度間關(guān)系作出了明確要求，這些要求經(jīng)整理可用式(1)表示：

(1)

設(shè)前、后軸機械制動力分別為、，根據(jù)汽車理論，前后輪即將同時抱死時，重力、制動力和與制動強度之間的關(guān)系：

+=

(2)

傳動機械制動系統(tǒng)中，制動器制動力與按固定比例(稱為機械制動力分配系數(shù))進行分配，公式：

=(+)

(3)

前、后軸利用附著系數(shù)公式：

=·/(+)

(4)

=·(1-)(-)

(5)

將式(2)～(5)代入式(1)，可得符合GB 12676—2014標準要求的制動力分配關(guān)系：

(6)

根據(jù)式(6)中各不等式上、下限可繪制出制動力分配上、下限制曲線。當實際制動力分配曲線位于制動力分配上、下曲線之間時，對應(yīng)制動力分配系數(shù)符合標準要求。本文相關(guān)曲線如圖2所示。

圖2 前后軸制動力分配相關(guān)曲線

本文樣車實際=0.5。由圖2可知，機械制動分配的前、后軸制動器制動力分配曲線在相應(yīng)范圍內(nèi)，介于制動力分配上、下限曲線之間，符合標準要求。

后軸引入兩個輪邊電機的再生制動力后，前軸制動力占總制動力比例降低，整車制動力新的分配系數(shù)較有所減小。

(7)

=(+)(-) /

(8)

將式(4)、式(5)代入式(1)，得式(9)：

(9)

將相關(guān)參數(shù)、、、的空、滿載值代入式(9)中的各不等式，可分別求出空、滿載狀態(tài)的的上、下限值,其中上限值A(chǔ)、B、C分別對應(yīng)式(9)中第1、2、5不等式；下限值D、 E、F、G、H分別對應(yīng)式(9)中第 1～4和第6不等式。分別繪出的上控線組A、B、C和下控線組D、E、F、G、H，其中滿載狀態(tài)如圖3所示。=0.3時，由相應(yīng)圖可知，C線上為上控線組最小值，空、滿載狀態(tài)下其值分別為0.539 2和 0.549 8；D線上為下控線組最大值，空、滿載狀態(tài)下其值分別為0.425 5和0.433 9。

圖3 滿載狀態(tài)βn的上、下控線與制動強度z的關(guān)系

結(jié)合實際車況，為符合標準要求，應(yīng)滿足式(10)：

>≥≥

(10)

取空載狀態(tài)下==0.425 5，此時再生制動力占整車制動力比例最大，由式(8)計算可得，最大再生制動力與機械制動力之間關(guān)系：

=0.175 1(+)

(11)

1.3 輪邊電機制動能量回收控制策略

根據(jù)1.2節(jié)計算所得的輪邊電機最大制動力，計算滿足標準要求的空載狀態(tài)下后軸輪邊電機最大制動扭矩：

=·/()

(12)

式中：為輪胎滾動半徑，取0.472 m；為輪邊減速比，取13.91；為傳動效率，取0.9。

機械制動力矩與機械制動力之間關(guān)系：

=· (+)

(13)

式中：為制動器摩擦力等效半徑，0.385 m；為樣車實際最大機械制動力矩，17 500 N·m。

根據(jù)式(11)、式(12)與式(13)計算可得：

=0.175 1·/()=300 N·m

(14)

圖4為機械制動力矩與制動踏板開度關(guān)系的曲線。根據(jù)此關(guān)系曲線，綜合考慮制動的安全性及平順性，將輪邊電機電制動分為3個區(qū)間，制定制動能量回收控制策略的算法如下：

1) Ⅰ區(qū)間，制動踏板的開度為0～22%。整車無機械制動力，僅有輪邊電機的再生制動力。為防止出現(xiàn)后軸抱死側(cè)滑，再生制動力所產(chǎn)生的制動強度應(yīng)小于路面附著系數(shù)。

2) Ⅱ區(qū)間，制動踏板開度為22%～54%。制動力包括機械制動與輪邊電機再生制動兩部分，其中機械制動力曲線的斜率較為平緩，車速越高電機的再生制動力越大。

3) Ⅲ區(qū)間與Ⅳ區(qū)間，制動踏板開度為54%～100%。制動力也包括機械制動與再生制動，其中Ⅲ區(qū)間機械制動力曲線的斜率較陡，隨著制動踏板開度的增大，機械制動力增大，輪邊電機的再生制動力也增大；Ⅳ區(qū)間隨著制動踏板開度增大，機械制動力與輪邊電機再生制動力均保持不變。

圖4 機械制動力矩T與制動踏板開度α關(guān)系曲線

引入車速與電機效率MAP圖，當輪邊電機轉(zhuǎn)速較低時，電機整體工作效率低，此時不進行制動能量回收。本車設(shè)定車速大于10 km/h時，才進行制動能量回收。隨車速提升，制動需求扭矩逐漸增大；當車速大于45 km/h時,保持不變。根據(jù)駕駛員所踩剎車踏板開度、當前車速與電機效率，確定的關(guān)鍵點及其對應(yīng)值，見表1。根據(jù)表1進行分段插值，得到不同下的與的關(guān)系制動曲線，如圖5所示。

表1 需求扭矩Treq的關(guān)鍵點及其對應(yīng)值

圖5 輪邊電機制動能量回收控制策略MAP圖

輪邊電機再生制動扭矩的大小還受到電池的充電能力、電池SOC條件的影響：為了防止電池過充，當電池SOC達到95%時，不再進行制動能量回收；制動能量回收時，輪邊電機的制動扭矩不能超過電池發(fā)出的最大充電功率限制扭矩值；且制動的最大扭矩不應(yīng)超過輪邊電機的外特性。即輪邊電機再生制動的控制扭矩值如式(15)所示：

=min(,,,)

(15)

通過該控制策略，使輪邊電機在能量回收過程中盡量工作于高效區(qū)，以提高整車經(jīng)濟性。

2 聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

2.1 整車仿真模型建立

使用MATLAB/Simulink搭建輪邊電機制動能量回收控制策略模型，基于CRUISE搭建整車仿真模型，將制動能量回收控制策略的模型編譯成DLL文件，并導(dǎo)入CRUISE的MATLAB DLL接口模塊中，創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，完成數(shù)據(jù)連接。根據(jù)圖6所示架構(gòu)，搭建整車仿真模型，并進行CRUISE與MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真。

(a) 制動控制算法 (b) 駕駛控制系統(tǒng) (c) 整車仿真架構(gòu)

2.2 仿真結(jié)果分析

建立中國典型城市循環(huán)工況循環(huán)任務(wù)，進行有無制動能量回收控制策略的仿真對比。初始設(shè)定SOC為50%，電耗仿真對比分析見表2。圖7為輪邊驅(qū)動仿真結(jié)果，表明：加入制動能量回收控制策略后，初始SOC為50%時，電耗降低了16.31%，降耗效果明顯。

表2 仿真電耗統(tǒng)計結(jié)果

輪邊驅(qū)動與中央直驅(qū)相比，可不考慮后橋主減速器對制動扭矩的限制，從而可以最大限度回收制動能量，圖8為兩者的仿真結(jié)果對比，表明：輪邊驅(qū)動相比中央直驅(qū)，在加入制動能量回收控制策略后電耗明顯降低。

圖7 輪邊驅(qū)動下有無電機制動能量回收電耗仿真對比

圖8 直驅(qū)與輪邊驅(qū)動形式電耗仿真對比

3 結(jié)束語

本文綜合國家標準、電池SOC、車速與電機效率等因素，制定了輪邊驅(qū)動純電動客車的制動能量回收控制策略。通過AVL CRUISE與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真，分析了該策略的應(yīng)用效果?；谥袊湫统鞘醒h(huán)工況的電耗仿真結(jié)果顯示，引入制動能量回收控制策略后電耗最大降低了16.31%。