某插電式混合動(dòng)力客車再生制動(dòng)控制策略研究

楊 昭，張 榮，李天闖

某插電式混合動(dòng)力客車再生制動(dòng)控制策略研究

楊 昭，張 榮，李天闖

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

插電式混合動(dòng)力汽車既可用電網(wǎng)充電，又可使用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，是目前解決能源短缺和環(huán)境污染的重要車型，而再生制動(dòng)能量控制策略作為插電式混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定著車輛制動(dòng)能量的回收能力。文章通過介紹某混合動(dòng)力客車的傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)再生制動(dòng)結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行研究，并針對(duì)某款混合動(dòng)力客車，進(jìn)行再生制動(dòng)計(jì)算分析，提出了一種通過前、后輪均裝有比例繼動(dòng)閥的合理分配機(jī)械及再生制動(dòng)的制動(dòng)力分配方案，既可滿足汽車空、滿載ECE制動(dòng)法規(guī)，又能實(shí)現(xiàn)最大限度的制動(dòng)能量回收控制策略。

插電式混合動(dòng)力汽車；再生制動(dòng)；控制策略

近幾年，在“雙碳”目標(biāo)的引導(dǎo)下，新能源汽車的發(fā)展很受重視[1]，2022年我國新能源汽車爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別為705萬輛和688萬輛。一方面受路況及氣溫影響，純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程始終無法滿足駕駛員預(yù)期[2]；另一方面，由于當(dāng)前電池技術(shù)仍未取得重大突破，這也制約了純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展[3]。在此背景下，混合動(dòng)力成為一種具有明顯優(yōu)勢的技術(shù)路線。在混合動(dòng)力汽車制動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，?？紤]再生制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，把本應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能消耗的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，加以儲(chǔ)存供車輛驅(qū)動(dòng)使用[4]。但不是所有能量都可回收，如制動(dòng)需求過大，再生制動(dòng)將無法滿足制動(dòng)需求，需機(jī)械制動(dòng)介入時(shí)會(huì)有一部分能量損失[5]。因此，在選取再生制動(dòng)控制策略時(shí)，應(yīng)在制動(dòng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的前提下，盡可能多地回收制動(dòng)能量[6]。

針對(duì)再生制動(dòng)能量回收控制策略，專家學(xué)者從不同的角度對(duì)其進(jìn)行了研究。徐海彤等[7]針對(duì)某款前驅(qū)純電汽車，設(shè)計(jì)了一種查表式再生制動(dòng)控制策略，仿真結(jié)果顯示制動(dòng)能量回收可達(dá)18%。徐向明[8]提出根據(jù)控制單元收集的各方面信息，綜合考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大制動(dòng)力矩、電池的最大充電功率、當(dāng)前電池的充電狀態(tài)等因素，通過再生與機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的一種控制策略。薛金紅等[9]針對(duì)車輛設(shè)計(jì)了雙模糊邏輯控制策略，分別對(duì)前后軸之間的制動(dòng)力及前軸再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)力進(jìn)行了合理分配，同時(shí)兼顧了車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性及再生制動(dòng)能量的回收效率。

上述研究主要集中在乘用車，但公交客車與乘用車的使用工況差別較大，因此，需設(shè)定一種更符合公交客車的再生制動(dòng)能量回收控制策略。本文提出一種在滿足空、滿載ECE R13制動(dòng)法規(guī)分配界限的前提下，前、后輪裝有比例繼動(dòng)閥的再生制動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力再生制動(dòng)控制策略，在確保制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，合理進(jìn)行再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)之間的制動(dòng)力分配，以使盡可能多地回收再生制動(dòng)能量。

1 帶比例繼動(dòng)閥的制動(dòng)力分配策略

混合動(dòng)力車型開發(fā)過程中的重點(diǎn)就是對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究，而再生制動(dòng)控制策略的核心則是制動(dòng)力分配。前、后輪制動(dòng)力分配會(huì)影響著車輛制動(dòng)穩(wěn)定性，而再生制動(dòng)力則決定著可回收再生制動(dòng)能量有多少[10-11]。

在設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力車輛制動(dòng)系統(tǒng)管理策略時(shí)，有兩個(gè)原則：1）在再生和機(jī)械之間分配制動(dòng)力時(shí)，要盡可能多地進(jìn)行制動(dòng)能量回收；2）在前、后輪上分配制動(dòng)力時(shí)，要符合理想制動(dòng)力分配曲線，保證汽車制動(dòng)穩(wěn)定性良好[12]。

車輛制動(dòng)時(shí)，要在滿足制動(dòng)安全性和制動(dòng)法規(guī)的前提下盡可能多地回收制動(dòng)能量，來給動(dòng)力電池充電，降低車輛的燃油消耗，提高其續(xù)駛里程，并減少尾氣排放?；旌蟿?dòng)力汽車再生制動(dòng)控制過程如圖1所示。

注：SOC：荷電狀態(tài)（State of Charge）；ABS：防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Antilock Brake System）。

制動(dòng)時(shí)，通過采集踏板位移信號(hào)，把駕駛員的制動(dòng)需求傳輸?shù)娇刂破麟娮涌刂茊卧‥lectr- onic Control Unit, ECU），再由輪速傳感器和電池荷電狀態(tài)信號(hào)來計(jì)算出此時(shí)電機(jī)能回收的扭矩和功率的大小，從而匹配出實(shí)際再生制動(dòng)力矩的數(shù)值。同時(shí)根據(jù)制動(dòng)踏板信號(hào)由控制器ECU算出當(dāng)前所需的制動(dòng)力，再將實(shí)際的再生制動(dòng)力矩和所需制動(dòng)力矩進(jìn)行比較。如再生制動(dòng)力矩大于駕駛員制動(dòng)需求，可采用減小輸出電流的方法來降低再生制動(dòng)的扭矩；如果小于制動(dòng)需求，再由控制器發(fā)指令來控制機(jī)械制動(dòng)來參與制動(dòng)，并對(duì)駕駛員制動(dòng)需求與實(shí)際制動(dòng)力矩大小實(shí)時(shí)監(jiān)控。保證在制動(dòng)過程不產(chǎn)生較大減速度，使輸出的制動(dòng)力矩與駕駛員的制動(dòng)需求相符合，提高車輛的操縱性和舒適性，同時(shí)滿足安全和燃油的經(jīng)濟(jì)性。

2 某款混合動(dòng)力客車再生制動(dòng)控制策略

本文研究的某款插電式混合動(dòng)力公交客車的主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 汽車原始數(shù)據(jù)

參數(shù)名稱數(shù)值 整車最大總質(zhì)量/kg16 000 空氣阻力系數(shù)0.62 迎風(fēng)面積/m22.4×3.0 滾動(dòng)阻力系數(shù)0.01 交流電機(jī)及控制器的平均效率0.8（估算值） 傳動(dòng)效率0.9 輪胎半徑/m0.47 主減速比5.13 各擋傳動(dòng)比6.43, 4.18, 2.53, 1.54, 1.00

表2 車輛整車參數(shù)

載荷情況總質(zhì)量/kg軸距/mm質(zhì)心高度/m質(zhì)心距前軸距離/m質(zhì)心距后軸距離/m 滿載16 0005 5001.13.332.17 空載13 5005 5000.92.52.5

基于理論分析，可以提出混合動(dòng)力公交客車在滿足ECE R13制動(dòng)法規(guī)的范圍內(nèi)，最大限度回收制動(dòng)過程中的慣性能量的再生制動(dòng)控制策略。根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)在空、滿載情況下做出前、后軸制動(dòng)力分配界限，如圖2所示。

下面以某款混合動(dòng)力客車為例，再生制動(dòng)控制策略具體討論如下：

1）當(dāng)需求制動(dòng)力r≤1.35×104N（即圖2中的點(diǎn)）時(shí)，由于此時(shí)的制動(dòng)強(qiáng)度比較小，需求制動(dòng)力就可以全部由后軸制動(dòng)力提供，前軸地面制動(dòng)力就為零。

圖2 ECE法規(guī)要求的前、后軸制動(dòng)力分配界限

此時(shí)電機(jī)再生制動(dòng)和氣壓摩擦制動(dòng)分配策略分兩種情況討論：

①當(dāng)rego≤r時(shí)，此時(shí)電機(jī)的最優(yōu)再生制動(dòng)力小于等于駕駛員需求制動(dòng)力。由于此時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度很小，應(yīng)首先選擇由再生制動(dòng)提供制動(dòng)力，完成制動(dòng)過程，剩下的制動(dòng)力由后輪的摩擦制動(dòng)力提供。

其中

此時(shí)再生制動(dòng)力：reg=rego；后輪摩擦制動(dòng)力為：u2=r-rego；前輪摩擦制動(dòng)力為：u1=1。

式中，rego為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)的最優(yōu)再生制動(dòng)力；r為駕駛員需求制動(dòng)力；u1、u2分別為前、后輪上的摩擦制動(dòng)力；mo為當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。

②當(dāng)rego＞r時(shí)，此時(shí)電機(jī)的最優(yōu)再生制動(dòng)力大于駕駛員需求制動(dòng)力。為提高能量的回收效率，車輛制動(dòng)力就全部由電機(jī)提供，讓再生制動(dòng)力使車輛達(dá)到減速制動(dòng)的目的，而前、后輪的摩擦制動(dòng)力均為零。

2）當(dāng)1.35×104N＜r≤1.98×104N（即圖2中的點(diǎn)）時(shí)，為了制動(dòng)時(shí)不給前軸造成沖擊，制動(dòng)力的分配應(yīng)該為（1.98×104N為制動(dòng)強(qiáng)度為0.15時(shí)空載所需制動(dòng)力）：

式中，X1、X2分別為前、后輪地面制動(dòng)力。

此時(shí)電機(jī)再生制動(dòng)和氣壓摩擦制動(dòng)的分配策略分兩種情況討論：

①當(dāng)rego≤r時(shí)，此時(shí)電機(jī)的最優(yōu)再生制動(dòng)力小于駕駛員需求制動(dòng)力。由于制動(dòng)強(qiáng)度很小，仍然首先采用由再生制動(dòng)提供制動(dòng)力，剩下的制動(dòng)力由后輪的摩擦制動(dòng)力提供。

②當(dāng)rego＞r時(shí)，此時(shí)電機(jī)的最優(yōu)再生制動(dòng)力大于駕駛員需求制動(dòng)力。為提高能量回收率，后軸制動(dòng)力全部發(fā)電機(jī)提供再生制動(dòng)力來完成，剩下的制動(dòng)力由前軸的氣壓摩擦制動(dòng)力提供。

3）當(dāng)1.98×104N＜r≤3.97×104N（即圖2中的點(diǎn)）時(shí)，需求制動(dòng)力r=X2+X1為斜45°的直線，該直線與ECE法規(guī)分配制動(dòng)力的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的上、下限分別為b1、b2，為了能最大限度的回收能量且滿足在ECE制動(dòng)法規(guī)范圍之內(nèi)，前后制動(dòng)力分配為（3.97×104N為制動(dòng)強(qiáng)度為0.3時(shí)空載所需制動(dòng)力）：

其中

b2=-2(+0.08)(+×g)/

式中，2為車輛空載時(shí)重力；為空載時(shí)的制動(dòng)強(qiáng)度；、為空載時(shí)質(zhì)心到前后軸距離；g為空載時(shí)的質(zhì)心高度；為軸距。

此時(shí)電機(jī)再生制動(dòng)和氣壓摩擦制動(dòng)分配策略分三種情況討論：

①當(dāng)rego≤b2時(shí)，由于最優(yōu)再生制動(dòng)力超出ECE法規(guī)范圍，故將后輪的再生制動(dòng)力降為rego，剩下的后軸制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)提供，前輪制動(dòng)力不變。

②當(dāng)b2＜rego≤b1時(shí)，優(yōu)化的再生制動(dòng)力在ECE制動(dòng)法規(guī)范圍內(nèi)，故再生制動(dòng)力由優(yōu)化再生制動(dòng)力提供，剩余后軸制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)力提供。

③當(dāng)rego＞b2時(shí)，優(yōu)化再生制動(dòng)力較超出ECE制動(dòng)法規(guī)，故后軸制動(dòng)力完全由再生制動(dòng)力提供。

4）當(dāng)3.97×104N＜r≤5.29×104N（即圖2中的點(diǎn)）時(shí)，此時(shí)的控制策略與前一種類似，與ECE法規(guī)可行域的交點(diǎn)上下限的縱坐標(biāo)為b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后軸制動(dòng)力分配應(yīng)按后軸制動(dòng)力最大的實(shí)施分配。（5.29×104N 為制動(dòng)強(qiáng)度為0.3時(shí)滿載所需制動(dòng)力）

則

其中，

此時(shí)電機(jī)再生制動(dòng)和氣壓摩擦制動(dòng)分配策略分三種情況討論：

①當(dāng)rego≤b2時(shí)，由于優(yōu)化再生制動(dòng)力超出ECE制動(dòng)法規(guī)范圍，故將再生制動(dòng)力降為rego，剩下的后軸制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)提供，前輪制動(dòng)力不變。

②當(dāng)b2＜rego≤b1時(shí)，優(yōu)化再生制動(dòng)力在ECE制動(dòng)法規(guī)范圍內(nèi)，故后軸制動(dòng)力優(yōu)先由再生制動(dòng)力提供，后軸剩余制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)提供。

③當(dāng)rego＞b2時(shí)，優(yōu)化再生制動(dòng)力較超出ECE制動(dòng)法規(guī)，故后軸制動(dòng)力完全由再生制動(dòng)力提供。

5）當(dāng)5.29×104N＜r≤7.06×104N（即圖2中的點(diǎn)）時(shí)，此時(shí)的控制策略與前類似，與ECE法規(guī)可行域的交點(diǎn)上下限的縱坐標(biāo)為b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后軸制動(dòng)力分配應(yīng)按后軸制動(dòng)力最大的實(shí)施分配。式中7.06×104N為制動(dòng)強(qiáng)度0.8時(shí)空載所需制動(dòng)力。

此時(shí)的電機(jī)再生制動(dòng)和氣壓摩擦制動(dòng)分配策略分三種情況討論：

①當(dāng)rego≤b2時(shí)，由于優(yōu)化再生制動(dòng)力超出ECE制動(dòng)法規(guī)范圍，故將再生制動(dòng)力降為rego，剩下的后軸制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)提供，前輪制動(dòng)力不變。

②當(dāng)b2＜rego≤b1時(shí)，優(yōu)化再生制動(dòng)力在ECE制動(dòng)法規(guī)范圍內(nèi)，故后軸制動(dòng)力優(yōu)先由再生制動(dòng)力提供，后軸剩余制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)提供。

③當(dāng)rego＞b2時(shí)，優(yōu)化再生制動(dòng)力較超出ECE制動(dòng)法規(guī)，故后軸制動(dòng)力完全由再生制動(dòng)力提供。

6）當(dāng)7.06×104N＜r≤14.11×104N時(shí)，此時(shí)控制策略與前類似，與ECE法規(guī)可行域的交點(diǎn)上下限的縱坐標(biāo)為為b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后軸制動(dòng)力分配應(yīng)按后軸制動(dòng)力最大的實(shí)施分配。（14.11×104N為制動(dòng)強(qiáng)度為0.8時(shí)滿載所需制動(dòng)力）

則

其中，b1=0.355×r+1.27。

此時(shí)為了更方便地求解可行域的上限，可以用直線：

代替可行域的上限，可推導(dǎo)出以下結(jié)果：

此時(shí)電機(jī)再生制動(dòng)和氣壓摩擦制動(dòng)分配策略分三種情況討論：

①當(dāng)rego≤b2時(shí)，由于優(yōu)化再生制動(dòng)力超出ECE制動(dòng)法規(guī)范圍，故將再生b1-rego制動(dòng)力降為rego，剩下的后軸制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)提供，前輪制動(dòng)力不變。

②當(dāng)b2＜rego≤b1時(shí)，優(yōu)化再生制動(dòng)力在ECE制動(dòng)法規(guī)范圍內(nèi)，故后軸制動(dòng)力優(yōu)先由再生制動(dòng)力提供，后軸剩余制動(dòng)力由氣壓制動(dòng)提供。

③ 當(dāng)rego＞b2時(shí)，優(yōu)化再生制動(dòng)力較超出ECE制動(dòng)法規(guī)，故后軸制動(dòng)力完全由再生制動(dòng)力提供。

7）當(dāng)r≥14.11×104N時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)判斷出車輛需要緊急制動(dòng)工況，再生制動(dòng)就會(huì)停止工作，啟動(dòng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)工作保證制動(dòng)的安全性。

3 結(jié)論

本文以某款插電式混合動(dòng)力客車為研究對(duì)象，分析了氣壓機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)相配合并結(jié)合ABS技術(shù)的制動(dòng)系統(tǒng)，研究得出該車型電機(jī)再生制動(dòng)力矩的大小與前、后軸氣壓摩擦制動(dòng)力矩的大小。提出了在滿足空、滿載制動(dòng)ECE法規(guī)安全制動(dòng)的前提下，進(jìn)行最大制動(dòng)能量回收的控制策略。該策略可進(jìn)行制動(dòng)能量最大程度的回收，實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力汽車低油耗，低排放以及獲得平穩(wěn)駕駛性能和舒適性的目標(biāo)。

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Research on Regenerative Braking Control Strategy ofa Plug-in Hybrid Electric Bus

YANG Zhao, ZHANG Rong, LI Tianchuang

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

Plug-in hybrid electric vehicle can use both power grid and engine power. At present, it is an important vehicle to solve energy shortage and environmental pollution. Regenerative braking energy control strategy, as one of the key technologies of plug-in hybrid vehicle, determines the ability of vehicle to recover ability.This paper mainly describes the traditional pneumatic braking and regenerative braking system of a hybrid electric bus. The structure and working principle of regenerative braking are studied, and the calculation and analysis of regenerative braking are carried out for a hybrid electric bus. A braking power distribution scheme of rational distribution of mechanical and regenerative braking with proportional relay valves installed in front and rear wheels is put forward, which not only meets the ECE braking regulations of vehicle at empty and full load, but also achieves the maximum braking energy recovery control strategy.

Plug-in hybrid electric vehicle; Regenerative braking; Control strategy

U469.7

A

1671-7988(2023)18-15-05

楊昭（1989－），男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?，E-mail:yangzhao@sxqc.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.004