分布式多輪電驅(qū)動(dòng)車輛回饋制動(dòng)控制策略研究

張志堅(jiān)，朱學(xué)斌，李 靜，孫亞男，禹東方，李爭(zhēng)爭(zhēng)

（泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000）

0 引言

全電特種車輛是一種可以裝配電炮系統(tǒng)、電裝甲系統(tǒng)的且將戰(zhàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)、火控系統(tǒng)和防護(hù)系統(tǒng)等作為節(jié)點(diǎn)搭接在綜合信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的，同時(shí)連接“頂層”戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的特種車輛。這種全電特種車輛是以電傳動(dòng)和全電化為基礎(chǔ)的，能夠與其他陸地與空中平臺(tái)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)系統(tǒng)，進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，從而成倍的增強(qiáng)其戰(zhàn)斗力[1-3]。分布式多輪電驅(qū)動(dòng)特種車輛多數(shù)是一種并聯(lián)式能量互補(bǔ)形式，可以分別由柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和高功率型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池同時(shí)或者分別為整車提供能量從而驅(qū)動(dòng)車輛行駛，由于采用的是電驅(qū)動(dòng)，所以能夠省去一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大且空間占比較大的機(jī)械件，布置也趨向靈活簡(jiǎn)單化[4]。國(guó)外，尤其是西方國(guó)家，在上世紀(jì)末期提出了以電驅(qū)動(dòng)、電炮、電裝甲為典型特征的“全電化坦克”概念，并設(shè)想以“通用平臺(tái)+任務(wù)模塊”的模式構(gòu)建新型作戰(zhàn)系統(tǒng)。國(guó)外相關(guān)的特種車企業(yè)，例如美國(guó)AHED、瑞典SEP、南非CVED等已經(jīng)研發(fā)出相應(yīng)的一體式全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輛[5-8]；目前國(guó)內(nèi)在電驅(qū)動(dòng)車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面也做了很多驗(yàn)證性研究，其中清華大學(xué)杜榮華等[9]對(duì)分布式電驅(qū)動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種電動(dòng)汽車以路面附著為基礎(chǔ)的再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)ABS共同作用協(xié)調(diào)的控制方法；北京理工大學(xué)孫曉坤[10]則以快速原型開發(fā)平臺(tái)和自動(dòng)代碼生成技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建了分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的軟硬件平臺(tái)，以此展開對(duì)電驅(qū)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究。目前國(guó)內(nèi)高校研究?jī)H處于理論模型階段，因此，公司設(shè)計(jì)了6×6分布式輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)裝甲車，為分布式驅(qū)動(dòng)車輛各個(gè)功能控制算法提供可以驗(yàn)證其可靠性和正確性的試驗(yàn)車輛。

本文主要通過(guò)對(duì)6×6分布式電驅(qū)車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作特點(diǎn)的分析，根據(jù)駕駛員的操控意圖，對(duì)整車多輪分布式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)能量回收進(jìn)行了研究。分析了車輛在不同行駛工況下，制動(dòng)能量回收所采用的不同的控制方式，從而達(dá)到車輛全地形操控的目的，為后續(xù)特種電動(dòng)車輛在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 再生制動(dòng)理論分析

1.1 電動(dòng)汽車再生制動(dòng)原理

電驅(qū)動(dòng)汽車的制動(dòng)性顧名思義是指汽車行駛過(guò)程中在短距離內(nèi)停車且能夠維持行駛方向穩(wěn)定性和在下長(zhǎng)坡過(guò)程中能夠維持一定車速的能力[11]。再生制動(dòng)又稱再生回饋制動(dòng)，工作原理是在駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)，汽車行駛慣性產(chǎn)生的能量通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)給到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器會(huì)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)一個(gè)負(fù)扭矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過(guò)電機(jī)控制器中的逆變器的反向二極管回流到直流側(cè)，從而給動(dòng)力電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回饋利用[12]。同時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向扭矩又可以通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)力，與機(jī)械制動(dòng)共同作用達(dá)到剎車效果。這樣不僅會(huì)使制動(dòng)器的負(fù)擔(dān)減小，而且可以通過(guò)能量的雙向流動(dòng)達(dá)到節(jié)能減排的目的。

再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配一般分為疊加式和協(xié)調(diào)式。疊加式顧名思義是將電機(jī)的回饋制動(dòng)力直接在原本的摩擦制動(dòng)力上進(jìn)行疊加；協(xié)調(diào)式是優(yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)力，同時(shí)調(diào)節(jié)摩擦制動(dòng)力，是兩者制動(dòng)力在滿足車輛總體制動(dòng)力需求的情況下進(jìn)行合理分配[13]。本文采用的是基于協(xié)調(diào)式的再生制動(dòng)控制策略，在車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，駕駛員通過(guò)踩踏制動(dòng)踏板然后獲得所需的制動(dòng)扭矩，此時(shí)如果再生制動(dòng)扭矩滿足整車所需要的制動(dòng)力，則摩擦制動(dòng)不參與；如果再生制動(dòng)扭矩?zé)o法滿足整車所需要的制動(dòng)力，則不足的部分需要摩擦制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2 6×6分布式電驅(qū)車輛回饋制動(dòng)工作原理

車輛采用混合動(dòng)力輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，6個(gè)車輪分別由對(duì)應(yīng)的6個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)均可獨(dú)立控制。按動(dòng)力模式可分為混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)即發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)和電池共同供電、電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)3種模式。按制動(dòng)方式，可分為再生制動(dòng)、再生制動(dòng)+能耗制動(dòng)、再生制動(dòng)+能耗制動(dòng)+機(jī)械制動(dòng)、機(jī)械駐車制動(dòng)等4種制動(dòng)模式。圖1所示為分布式電驅(qū)車輛總體架構(gòu)。

圖1 分布式電驅(qū)車輛總體架構(gòu)

該型號(hào)分布式電驅(qū)車輛在一般行駛工況時(shí)，動(dòng)力由輸出功率為405 kW發(fā)動(dòng)機(jī)輸出、經(jīng)增速機(jī)增速降扭后驅(qū)動(dòng)一臺(tái)400 kW三相永磁同步發(fā)電機(jī)、可以產(chǎn)生530 V三相交流電；交流電經(jīng)過(guò)一體化電源控制平臺(tái)整流為750 V直流電、而后與750 V、60 Ah動(dòng)力蓄電池共同向110 kW電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)控制器提供直流電；電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)控制器將直流電逆變?yōu)榭煽氐慕涣麟姺謩e驅(qū)動(dòng)6個(gè)輪轂電機(jī)；6個(gè)輪轂電機(jī)通過(guò)減速器將動(dòng)力傳遞給對(duì)應(yīng)的車輪。通過(guò)獨(dú)立控制輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)車輛加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、滑行等各工況下的高機(jī)動(dòng)行駛性能，并能有效地吸收再生制動(dòng)能量。車輛制動(dòng)時(shí)具有電機(jī)再生制動(dòng)、制動(dòng)電阻能耗制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)等多種模式，滿足車輛正常行駛回饋制動(dòng)、下長(zhǎng)坡制動(dòng)、高速緊急制動(dòng)和駐車制動(dòng)等多種工況要求。

2 整車電制動(dòng)控制策略

該三軸車輛有3種驅(qū)動(dòng)型式：6×6、6×4、6×2，整車控制器會(huì)根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)形式，輸出不同扭矩命令值，單輪扭矩命令值受限于輪轂電機(jī)的峰值扭矩，表1所示為輪轂電機(jī)和動(dòng)力電池的參數(shù)。

表1 輪轂電機(jī)和動(dòng)力電池參數(shù)表

整車控制系統(tǒng)根據(jù)車輛實(shí)際使用工況分為滑行制動(dòng)方式、機(jī)電混合制動(dòng)方式和長(zhǎng)坡行駛能量回饋+能耗制動(dòng)方式。本文主要研究電制動(dòng)的工作情況。

電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速不同可以分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域和恒功率區(qū)域，電機(jī)限制下的輪轂制動(dòng)力如下：

式中：Fmmax為電機(jī)能夠提供的最大再生制動(dòng)力；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Tmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；PN為電機(jī)額定功率；r為車輪半徑；N為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；ig為變速器傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比。

電池限制下的最大功率為：

電池最大充電功率限制下的最大電機(jī)制動(dòng)力為：

式中：Imax為電池最大充電電流；Umax為電池的最大充電電壓；R為電池內(nèi)阻；Voc為電池的端電壓。

電制動(dòng)的制動(dòng)能量主要與動(dòng)力電池的剩余荷電量、車速、駕駛員意圖即制動(dòng)踏板開度、動(dòng)力電池的最大充電電流以及電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。而該電驅(qū)動(dòng)特種車輛電制動(dòng)原則是整個(gè)車輛系統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的回饋能量回收效率受限于當(dāng)前整車動(dòng)力電池的剩余電量SOC，車輛在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池能量管理系統(tǒng)將動(dòng)力電池的SOC值發(fā)送給整車控制器，整車控制器對(duì)剩余荷電量SOC進(jìn)行判斷：當(dāng)剩余荷電量大于0.8時(shí)，不允許進(jìn)行電制動(dòng)即取消制動(dòng)能量回收，整車控制發(fā)送給電機(jī)控制器的電制動(dòng)扭矩為0；當(dāng)剩余荷電量小于0.8時(shí)，允許進(jìn)行電制動(dòng)，且制動(dòng)能量回收受動(dòng)力電池允許的最大充電電流、車速、制動(dòng)踏板開度及電機(jī)轉(zhuǎn)速的制約。

根據(jù)分析，整車電制動(dòng)能量回收過(guò)程中會(huì)受到很多電氣部件與機(jī)械部件限制，其中電機(jī)制動(dòng)扭矩和電池吸收能量的限制最為重要。電機(jī)最大再生制動(dòng)力越大，在制動(dòng)力分配時(shí)電機(jī)制動(dòng)力占的比例越大，回收的再生制動(dòng)能量也就越多。

電驅(qū)動(dòng)特種車輛在行駛過(guò)程中有很多的行駛工況，此時(shí)僅依靠電制動(dòng)是不可行的，需要電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)作用。車速是影響電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)分配的關(guān)鍵因素，該電驅(qū)動(dòng)特種車輛在電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)協(xié)調(diào)配合時(shí)的分配原則：當(dāng)車輛行駛車速在60 km/h及以上時(shí)，為了保護(hù)機(jī)械制動(dòng)器，只讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)參與制動(dòng)，而機(jī)械制動(dòng)不參與工作；當(dāng)車輛行駛車速在60～5 km/h范圍內(nèi)時(shí)，電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)均參與工作，電制動(dòng)以允許的最大的制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行工作，而制動(dòng)踏板行程中電制動(dòng)行程除外的剩余的部分行程對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力全部由機(jī)械制動(dòng)承擔(dān)；當(dāng)車輛行駛車速低于一定車速時(shí)，電制動(dòng)幾乎不參與工作，此時(shí)制動(dòng)踏板行程對(duì)應(yīng)的的制動(dòng)力全部由機(jī)械制動(dòng)承擔(dān)。如圖2所示為整車電制動(dòng)控制流程。

圖2 整車電制動(dòng)控制流程

3 整車電制動(dòng)建模仿真與實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上一章整車電制動(dòng)控制策略的要求，在Matlab中搭建了整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制模型，使用SIMULINK和State flow狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制邏輯創(chuàng)建，圖3所示為整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制模型。

圖3 整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制模型

圖4所示為制動(dòng)系統(tǒng)模型，電驅(qū)車輛制動(dòng)扭矩輸出根據(jù)當(dāng)前駕駛員制動(dòng)踏板開度和電機(jī)轉(zhuǎn)速查表獲得，圖5所示為制動(dòng)扭矩控制規(guī)則，制動(dòng)扭矩分配表的制表根據(jù)電池輸入功率和電機(jī)本體的外特性曲線得來(lái)，根據(jù)機(jī)械制動(dòng)和電制動(dòng)結(jié)合，符合整車制動(dòng)距離的要求。

圖4 制動(dòng)系統(tǒng)模型

圖5 制動(dòng)扭矩控制規(guī)則

使用Test Harnesses進(jìn)行仿真測(cè)試，進(jìn)行同一轉(zhuǎn)速下，制動(dòng)踏板不同開度和同一開度，不同轉(zhuǎn)速下，電機(jī)控制器回饋的能量仿真。圖6所示為制動(dòng)能量回收測(cè)試仿真圖。分析可知：制動(dòng)踏板開度以10%為遞進(jìn)數(shù)值，從制動(dòng)開度0到100%情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速為從0 r/min到5 000 r/min下，產(chǎn)生不同制動(dòng)功率，圖中數(shù)值顯示的是轉(zhuǎn)速在2 000 r/min情況下，電機(jī)制動(dòng)回饋的電功率依次為12.6 kW到72 kW，均在電池允許的充電功率范圍內(nèi)。

圖6 制動(dòng)能量回收測(cè)試仿真

將搭建的整車電驅(qū)動(dòng)控制模型通過(guò)快速原型開發(fā)平臺(tái)和自動(dòng)代碼生成技術(shù)將源代碼燒錄到整車控制器中，并在該6×6電驅(qū)動(dòng)特種車上進(jìn)行實(shí)車測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)試圖如圖7所示。分析可知：6×6分布式電驅(qū)車輛在某山區(qū)進(jìn)行了越野路面下坡電制動(dòng)能量回收試驗(yàn)，在車輛速度為60 km/h時(shí)，進(jìn)行了40%電制動(dòng)測(cè)試，瞬間回饋電流達(dá)到20 A以上的電流，車速在電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)同時(shí)作用下，可以起到剎車制動(dòng)效果。

圖7 實(shí)車測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）多輪分布式電驅(qū)動(dòng)特種車輛在進(jìn)行電制動(dòng)能量回收過(guò)程中將會(huì)有多因素的制約，這些因素包括動(dòng)力電池的剩余荷電量、車速、駕駛員意圖即制動(dòng)踏板開度、動(dòng)力電池的最大充電電流以及電機(jī)轉(zhuǎn)速。其中電機(jī)的允許的最大制動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)力電池的剩余荷電量和允許的最大充電電流是最關(guān)鍵的因素。

（2）單一的電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)都無(wú)法使車輛的制動(dòng)效果達(dá)到最優(yōu)，需要將電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，其中協(xié)調(diào)控制策略尤為重要，本文分析為后續(xù)分布式電驅(qū)動(dòng)特種車輛制動(dòng)能量回收策略的研究奠定基礎(chǔ)。