煤礦電動車輛單踏板再生制動效能分析

摘要：針對煤礦無軌輔助運輸電動車輛提出了一種基于加速踏板的單踏板再生制動控制策略，以進一步提高再生制動能量回收率和能源利用效率?；谲囕v制動動力學和能量守恒定律，對再生制動過程進行了理論建模。結合煤礦無軌輔助運輸電動車輛驅動系統(tǒng)以及加速踏板的結構特征，建立了基于加速踏板開度的再生制動轉矩求解模型，同時，為滿足大強度制動工況需求，建立了由加速踏板切換至制動踏板時的再生制動轉矩計算模型，對車輛加速、滑行及制動過程中控制策略的工作原理依次進行了分析。針對典型的駕駛循環(huán)工況，在底盤測功機上對單踏板再生制動控制策略的能耗經(jīng)濟性進行實車測試，結果顯示NEDC和WLTC工況續(xù)駛里程分別增加了41.65 km和35.86 km。實車綜合路試結果表明，加速、制動踏板切換過程中再生制動轉矩過渡平穩(wěn)，整車加減速過程平順。研究結果為再生制動系統(tǒng)的優(yōu)化開發(fā)奠定了技術基礎，有利于煤礦電動車輛的推廣和普及。

關鍵詞：煤礦電動車輛；加速踏板；再生制動；能量回收；控制策略

中圖分類號：U469；TP273

Analysis of Single Pedal Regenerative Braking Efficiency of Coal Mine Electric Vehicles

REN Zhiyong^{1，2，3*} SHI Qin^1，4 YAN Kai^2，3

1.School of Automotive and Traffic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，230009

2.CCTEG Tai Yuan Research Institute Co.，Ltd，Taiyuan，030006

3.National Engineering Laboratory for Coal Mining Machinery，Taiyuan，030006

4.Engineering Research Center for Intelligent Transportation and Cooperative Vehicle-Infrastructure of Anhui Province，Hefei，230009

Abstract： A single-pedal regenerative braking control strategy was proposed based on the accelerator pedal for electric vehicles used in coal mine trackless auxiliary transportation， aiming to significantly enhance the regenerative braking energy recovery rate and energy utilization efficiency. Theoretical modeling of the regenerative braking process was conducted based on vehicle braking dynamics and the law of conservation of energy. Considering the structural characteristics of the driving system and accelerator pedal of mine trackless auxiliary electric transportation vehicles， a regenerative braking torque solution model was established based on the accelerator pedal opening. Furthermore， to meet the requirements of high-intensity braking conditions， a regenerative braking torque calculation model was developed for the transition from the accelerator pedal to the brake pedal. The working principles of the control strategy during vehicle acceleration， coasting， and braking were sequentially analyzed. For typical driving cycle conditions， an actual vehicle test was conducted on a chassis dynamometer to evaluate the energy consumption economy of the single-pedal regenerative braking control strategy. The results show that the driving range increases by 41.65 km and 35.86 km under the NEDC and WLTC conditions， respectively. Comprehensive on-road test results demonstrate a smooth transition of regenerative braking torque during the switching between the accelerator and brake pedals， ensuring a seamless acceleration and deceleration processes for the entire vehicles. This paper lays a technical foundation for the optimized development of regenerative braking systems and contributes to the promotion and popularization of coal mine electric vehicles.

Key words： coal mine electric vehicle; accelerator pedal; regenerative braking; energy recovery; control strategy

0 引言

國家對清潔能源、綠色發(fā)展的重視程度與日俱增，近年來，煤礦燃油車輛暴露出了諸多弊端。一方面，能源消耗量大、高噪聲、高排放問題亟待解決；另一方面，煤礦井下巷道狹隘、通風有限，“二次污染”問題日益凸顯，嚴重危害井下人員的職業(yè)健康，某些礦區(qū)甚至出現(xiàn)了“油肺病”現(xiàn)象^［1］。煤礦電動車輛的出現(xiàn)有效緩解了這一問題，已成為未來煤礦運輸裝備的發(fā)展方向，但能量利用率低、續(xù)駛里程不足嚴重問題制約了其進一步推廣應用^［2-3］，而解決這一問題最有效的方法就是最大限度地提高煤礦電動車輛的能源利用效率。

再生制動技術作為電動車輛核心能效提升機制之一，巧妙地將車輛減速階段釋放的動能轉化為電能進行儲存與再利用，此舉對改善車輛能耗經(jīng)濟性、提高能源利用率具有顯著作用^［4-7］。LIU等^［8］針對公路乘用車在市區(qū)及市郊環(huán)境下的十種典型循環(huán)工況（涵蓋FTP75、HWFET、UDDS、NEDC及WLTP等標準）的統(tǒng)計分析結果顯示，超過90%的行駛循環(huán)中，車輛所經(jīng)歷的最大制動強度維持在0.2g以下，且高達74%的情境下制動強度低于0.1g，這些數(shù)據(jù)明確顯示了城市行駛工況下良好的制動能量回收潛力。YU等^［9］進一步提出，在日常駕駛實踐中，通過精細調控加速踏板即可滿足超過九成的加減速需求，而傳統(tǒng)制動踏板保留的主要原因為應對緊急制動場景。與此同時，文獻［10-13］均強調了單一踏板控制策略的優(yōu)勢，指出該策略不僅有效減少了加速與制動踏板間的切換操作，還極大提高了能量回收效率，為電動車輛的續(xù)航性能帶來了積極貢獻。值得一提的是，寶馬公司于2012年推出的i3車型率先在加速踏板上集成了再生制動功能，實現(xiàn)了僅憑踩踏與釋放加速踏板即可完成絕大多數(shù)加減速操作的創(chuàng)新設計。此后，日產(chǎn)、雪佛蘭、吉利、北汽和江淮等多家汽車制造商積極響應，在保持傳統(tǒng)制動踏板配置的同時也為加速踏板增添了再生制動功能，共同推動了電動車輛制動技術的智能化與高效化發(fā)展^［14-17］。尤其要關注的是單踏板控制系統(tǒng)并不能完全取代傳統(tǒng)的制動踏板，因為在緊急情況下仍然需要機械制動，以確保車輛安全駕駛。

相較于地面電動車輛的多樣化行駛工況，煤礦電動車輛的運行路徑展現(xiàn)出高度的單一性，主要局限于輔運大巷內的往返作業(yè)。由于煤礦開采地形的特殊性，輔運大巷普遍呈現(xiàn)3°～6°的平均坡度，而部分斜井區(qū)域坡度更是陡增至12°～14°，更有極端情況下，長達數(shù)千米的坡道坡度持續(xù)不低于6°，這種顯著的地勢差異在車輛長距離下坡時孕育了龐大的制動能量回收潛力^［18-20］。當前，煤礦電動車輛廣泛采取機械再生并行制動控制策略，該策略在有效回收部分制動能量的同時，也緩解了驅動橋制動摩擦片的熱負荷累積，從而延長了機械制動系統(tǒng)的使用壽命^［20-23］。然而，值得注意的是，受限于現(xiàn)有腳踏閥本安電位計復合型制動踏板的并行設計架構，煤礦電動車輛的制動過程仍以機械與再生并行制動為主，且在實際操作中，液壓制動系統(tǒng)的介入時機較早，且占比較大，這極大地限制了制動能量的回收效率，使得當前能量回收程度仍顯不足^［24-26］。

本文提出了一種以加速踏板為主的單踏板再生制動控制策略，以期在并行制動策略的基礎上進一步提高再生制動能量回收率。同時，基于新標歐洲循環(huán)測試（new european driving cycle，NEDC）和輕型車輛測試循環(huán)（world light vehicle test cycle，WLTC）標準，針對礦下輔運大巷的典型作業(yè)場景設計了2種實驗工況，在底盤測功機上對所提策略進行測試，以充分驗證策略的可行性和有效性。同時，為滿足制動強度較大時的工況需求，本文還進一步考慮制動踏板的介入條件以及加速踏板向制動踏板過渡時的駕駛平順性，并在廠區(qū)水泥硬質路上對礦車的加速、減速過程中加速踏板與制動踏板切換時再生制動轉矩變化的平滑特性進行測試，以確保車輛加減速過程運行平順穩(wěn)定。

1 單踏板再生制動理論基礎

煤礦電動車輛得益于驅動電機的四象限工作特性，當輸出轉矩與實際轉速方向一致時，電機處于驅動狀態(tài)；當輸出轉矩與實際轉速方向相反時，電機處于再生制動回饋狀態(tài)，此時驅動電機作為發(fā)電機工作，兼顧制動能量回收與車輛減速制動需求。并且不同于傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)通過踏板開度調節(jié)制動力，當制動強度需求不大時，煤礦電動車輛可完全由加速踏板和車速來控制驅動電機輸出再生制動轉矩大小，而無需液壓機械制動器的額外制動力介入，從而有效提高了能量回收率、減輕了駕駛員工作負擔。

在單踏板工作模式下，車輛減速和制動完全由驅動電機執(zhí)行，不涉及其他機械或液壓制動系統(tǒng)。再生制動過程中的阻力可表示為

Fd=ma=Ff+Fw+Fi+Frb（1）

式中：m為車輛質量，kg；a為車輛加減速度，m/s2；Ff、Fw、Fi分別為滾動阻力、空氣阻力和坡道阻力，N；Frb為再生制動力，N。

煤礦電動車輛制動時克服各種行駛阻力所需的總能量可表示為

Wd=∫Fdudt=Ef+Ew+Ei+Erb=Ff∫udt+Fw∫udt+Fi∫udt+Frb∫udt（2）

式中：u為車輛的行駛速度，m/s；t為行駛或制動過程時間，s；Ef為車輛克服滾動阻力所消耗的能量，J；Ew為車輛克服空氣阻力所消耗的能量，J；Ei為車輛克服坡道阻力所消耗的能量，J；Erb為車輛克服再生制動力所消耗的能量，J。

根據(jù)能量守恒定理，在兼顧電機效率的情況下，實際回收的制動能量Erec可以表示為

ΔErec=Erbηrec=（ΔE－Ef－Ew－Erb）ηrec=［12m（u20－u21）－Ef－Ew－Erb］ηrec（3）

式中：t0、t1分別為制動初始、結束時間，s；u0為t0時的車輛行駛速度，km/h；u1為t1時的車輛行駛速度，km/h；ηrec為電機自身機械效率與發(fā)電效率之和。

單踏板再生制動控制策略的目的是提高車輛能量利用效率，提高車輛行駛里程，本文選擇能量回收率和行駛里程作為評價指標，以評估能量回收效果。

能量回收率ηrcy是制動過程中回收的能量與整個駕駛循環(huán)中消耗的能量之比，可表示為

ηrcy=ErbEb+Ek（4）

式中：Erb為克服再生制動力矩Treg所消耗的能量，J；Ek、Eb分別為車輛行駛和制動所消耗的能量，J。

行駛里程L是指車輛從電池充滿電到電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）值為0完全耗盡所有能量能夠行駛的距離，可以表示為

L=E1+E2WScyc（5）

式中：E1、E2分別為電池的初始能量和再生制動系統(tǒng)回收的能量，J；W為整個駕駛循環(huán)所消耗的能量，J；Scyc為單個駕駛循環(huán)的范圍。

2 SPRB控制策略

2.1 SPRB模式下加速踏板控制策略

常規(guī)的再生制動控制策略在一定范圍內再生制動扭矩與制動踏板行程成正比，再生制動扭矩恒定不變，為確保操作舒適性設置較小，能量回收有限^［27-28］。而在單踏板控制策略（single pedal regenerative brake，SPRB）中，駕駛員必須通過踩下或松開加速踏板實現(xiàn)車輛加速和減速，當駕駛員減速意圖較強時才需要踩下制動踏板。配備單踏板控制系統(tǒng)的電動車輛具有較高的能量回收率，再生制動減速度較大且可控^［29-30］。SPRB模式下轉矩計算公式如下^［31］：

Tα=TL+α（TH－TL）（6）

式中：α為加速踏板開度，%；Tα、TH、TL分別為加速踏板開度為α、100%和0時的電機目標扭矩，N·m。

當u≥0時，有

TH=Tmax_e（7）

當ult;0時，有

TH=Tmax_r（8）

TL=Treg4""""""""" u≥uc

Tcp－uuc（Treg4+Tcp）0≤ult;uc

Tcp－uuc（Treg2－Tcp）－uc≤ult;0

Treg2ult;－uc（9）

式中：Treg2、Treg4分別為加速踏板開度為0時驅動電機在前行和后退時所能達到的最大再生制動轉矩，N·m；Tcp為車輛低速起步時所需的蠕行轉矩，N·m；Tmax_e、Tmax_r分別為加速踏板最大開度100%時，驅動電機在驅動和發(fā)電回饋兩種狀態(tài)下的最大輸出轉矩標定值，N·m；u、uc分別為車輛的實際車速和驅動電機期望轉矩的拐點車速，m/s。

按照電機正轉負載區(qū)、反轉負載區(qū)、反轉正載區(qū)和正轉正載區(qū)四象限運行狀態(tài)，將上述控制策略的參數(shù)進行定義，如圖1所示。

礦山電動車輛在滑行狀態(tài)時，車輛在慣性力作用下會滑行一段距離，該模式類似于車輛在空擋行駛，滑行時制動力為零，滑行減速度ac可以表示為

ac=（Ff+Fw+Fi）/m（10）

當踩下制動踏板時，礦山車輛處于制動能量回饋狀態(tài)，再生制動力保持恒定，車輛在不同加速踏板行程下的減速度與行駛速度息息相關，能量回饋加速度arb可以表示為

arb=Frbm=a－gf－CDAρu22m（11）

式中：g為重力加速度，m/s2；f為滾動阻力系數(shù)；CD為車輛空氣動力學阻力系數(shù)；A為車輛的有效橫截面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3。

為了進一步分析單踏板模式中車輛行駛時的回饋、滑行和加速，以及對應驅動電機的負扭矩、零扭矩和正扭矩的分布，參照相關文獻的校準結果，將單踏板行程按照開度分別定義為：回饋狀態(tài)（0～30%）、滑行狀態(tài)（30%～35%）和加速狀態(tài)（35%～100%）進行分配，分別對應電機的負扭矩狀態(tài)、零扭矩狀態(tài)和正扭矩狀態(tài)，且隨車速的變化各自狀態(tài)不斷變化。

依據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局編制的《煤礦安全規(guī)程》（2023版）中煤礦電動車輛最高行駛車速不超過40 km/h的要求，列出不同車速下的單踏板行程分配，見表1，其中，A、C和R分別代表加速、滑行和回饋。

由表1定義可知，當車速在7 km/h以上，踏板開度超過35%時，車輛處于加速狀態(tài)，驅動電機處于輸出正扭矩狀態(tài)，車輛的行駛速度不斷增加，逐步達到期望車速，該區(qū)域無制動能量回收；踏板開度在30%～35%時車輛處于滑行狀態(tài)，驅動電機處于零扭矩輸出狀態(tài)，車輛完全依靠慣性力克服滾動阻力和空氣阻力等行駛阻力，直至停車；踏板開度低于30%時車輛處于回饋狀態(tài)，驅動電機處于負扭矩狀態(tài)，驅動電機進入再生制動能量回收狀態(tài)。當車速在6 km/h以下，踏板開度在0～30%時，隨著車速的降低，滑行線的臨界點在不斷向踏板小開度方向移動，形成一條斜線，加速區(qū)域面積不斷擴張，回饋區(qū)域面積不斷縮小，車速越低該現(xiàn)象越明顯，目的是增加低速時車輛的蠕動性能；當踏板開度在30%以上時，車輛處于加速狀態(tài)，驅動電機處于正扭矩輸出狀態(tài)。

2.2 加速踏板切換至制動踏板

1）加速踏板切換為制動踏板的條件。在SPRB模式下進行減速制動，當加速踏板開度低于30%時，首先會產(chǎn)生再生制動效果;加速踏板繼續(xù)松開，再生制動效果隨之增強;當加速踏板完全松開時，由加速踏板產(chǎn)生的再生制動力達到最大，所對應的加速踏板最大制動強度或最大制動減速度主要由預先標定的四象限再生制動力矩Treg4所決定（圖1）。本文中，經(jīng)過標定，Treg4取150 N·m，假設路面附著條件充裕，忽略道路及空氣阻力，SPRB模式下可產(chǎn)生的最大再生制動減速度約為0.94 m/s2。

在實際駕駛過程中，若完全松開加速踏板后的再生制動強度仍然無法滿足減速需求，此時，駕駛員需主動踩下制動踏板，通過并行引入液壓制動力以迅速減速。反之，若僅通過調節(jié)加速踏板對應的制動減速度即可使當前車速在可接受的時間內達到期望車速，則無需切入制動踏板。

需要強調的是，在整個減速制動過程中駕駛員并不需要關注最大再生制動減速度的具體數(shù)值，而是通過感受車速的變化即可判斷是否需要制動踏板介入，這與我們平時的駕駛習慣也是一致的。

2）加速踏板切換為制動踏板時再生制動轉矩的連貫性。在加速踏板轉入制動踏板過程中，一般在踩下制動踏板9°以后液壓制動力才會由0開始逐漸產(chǎn)生，而在此之前，控制策略一般會提前優(yōu)先標定出再生制動力矩以盡可能提高制動能量回收率。因此，在踏板切換瞬間，由控制策略給出的“完全松開加速踏板時的再生制動轉矩值”與“剛剛踩下制動踏板時的再生制動轉矩值”二者之間的銜接性是決定加速制動踏板切換瞬間是否平穩(wěn)的關鍵因素。

為保證踏板切換過程中再生制動轉矩的連貫性，在加速踏板與制動踏板的切換邏輯中，令“制動踏板零開度時采用的轉矩線”與“加速踏板零開度轉矩線”重合（見圖2a、圖2b中的ABCDE線段），同時，在0～100%之間引入一個制動踏板特征開度，即BrkPerc_CrpCcl（消除蠕行效應的制動踏板開度值，即圖2b中ABODE轉矩線對應的制動踏板開度值，被設定為待標定參數(shù)，通常不超過20%），該開度值將整個制動踏板行程分為兩部分，不妨分別稱之為“蠕行效應消除階段”和“再生制動增長階段”，如圖2所示，現(xiàn)對其邏輯作以下闡述：

①蠕行轉矩消除階段。制動踏板開度從0→BrkPerc_CrpCcl，加速踏板零開度線上的蠕行轉矩由初始標定值Tcp→0，當制動踏板開度達到特征開度BrkPerc_CrpCcl時，蠕行效應恰好完全消除，中間過程蠕行轉矩CrpTrq隨著踏板開度的增加而線性減小，因此，在該階段，再生制動轉矩與制動踏板開度的關系為

CrpTrq=Tcp-（BrkPerc/BrkPerc_CrpCcl）×Tcp

式中：BrkPerc_CrpCcl為消除蠕行效應的制動踏板開度值；CrpTrq為蠕行轉矩，即圖2b中由點C→點O運動過程中的轉矩值；BrkPerc為當前制動踏板實際開度值。

當加速、制動踏板開度為0時，CrpTrq=Tcp，即加速踏板零開度線上的蠕行轉矩初始標定值。根據(jù)蠕行轉矩CrpTrq的變化即可確定該階段每一制動踏板開度所對應的轉矩線，即圖2b中“線段ABCDE”→“線段ABODE”，在這一階段，制動踏板開度的增加主要起到消除SPRB蠕行驅動效應的作用。

②再生制動增長階段。制動轉矩線由“線段ABODE”→“線段MNOPQ”，在這一階段，制動踏板開度的增加主要起到增強再生制動力的作用。

正是由于“制動踏板零開度時采用的轉矩線”與“加速踏板零開度轉矩線”的重合效應，使得“完全松開加速踏板時的再生制動轉矩值”與“剛剛踩下制動踏板時的再生制動轉矩值”在踏板切換過程中趨于一致、連續(xù)，從而確保了踏板切換過程穩(wěn)定平順。

3 控制策略實驗驗證

3.1 測試環(huán)境

測試對象選擇中國煤炭科工集團太原研究院有限公司生產(chǎn)的礦用防爆鋰離子蓄電池19座運人車（WLR-19），測試車輛的主要參數(shù)見表2。

為驗證SPRB模式在實車測試條件下的能耗經(jīng)濟性能表現(xiàn)，采用雙滾筒底盤測功機完成指定循環(huán)工況的測試任務。在測試過程中，配置底盤測功機為轉矩模式以模擬循環(huán)工況行駛阻力數(shù)據(jù)，并在整車控制器加速踏板開度解析模型上游增加目標車速PID（proportional-integral-derivative）閉環(huán)跟蹤控制模型，以實現(xiàn)由程控模式跟蹤目標車速。算法控制器通過CAN（controller area network）協(xié)議與底層電機驅動系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及整車控制器高效通信，確保了折腰控制算法的快速移植與穩(wěn)定運行，實驗數(shù)據(jù)由算法控制器統(tǒng)一時間軸后，通過Intrepid ValueCAN3雙通道CAN卡發(fā)送至上位機Vehspy3（第三方軟件）進行本地記錄。具體測試環(huán)境如圖3所示。

3.2 能耗經(jīng)濟性測試

SPRB能耗經(jīng)濟性采用循環(huán)工況進行測試。 NEDC是最具代表性的城市駕駛循環(huán)，被歐洲、中國、澳大利亞等采納，例如，中國工業(yè)和信息化部確定的車輛油耗就是通過NEDC測得的，它模擬了市區(qū)和郊區(qū)等不同工況下的阻力，讓汽車在模擬道路行駛以測試其真實的續(xù)航能力。相比之下，WLTC是一個全球統(tǒng)一的汽車測試標準，它提供了一個更為準確、公正且全面的車輛評估體系，它的測試周期比NEDC更長，但與實際駕駛情況高度相似。對于礦用車輛井下輔運巷道的測試工況，目前缺乏固定的標準，盡管NEDC和WLTC工況與之相比車速峰值較高，但在行駛阻力以及車速變化周期等方面相似，整體來講仍然具備參考性，因此，以NEDC和WLTC工況為基礎，通過調整最高車速制定相應的測試工況進行實驗，以驗證單踏板再生制動控制策略（SPRB）。

礦山電動車輛在下坡過程中為維持安全車速，需要提供足夠強度的制動力，因此，以車輛跟蹤該實際工況時的再生制動能量回收率為依據(jù)，對SPRB控制策略的有效性進行評估，具有實際意義和可行性，同時，為分析SPRB對整車能耗經(jīng)濟性的改善情況，對WLR-19原車液壓與再生制動（hydraulic and regenerative braking，HRB）能耗也進行了對比分析。

實驗時，在確保車輛安全操縱的前提下，按照不同的車速和制動強度進行實驗。本文選擇車輛行駛速度15 km/h和30 km/h的初始制動速度進行模擬實驗，實驗過程中駕駛員將車輛加速至初始制動速度后完全松開油門踏板。兩種初始制動速度下得到的車輛測試曲線和電機響應曲線分別如圖4和圖5所示。

分析圖4和圖5可知，車輛制動要求和制動距離均能滿足安全要求。當車輛行駛速度大于5 km/h時，電機的再生制動扭矩隨著車速的降低而逐漸增大。然而，當車輛行駛速度低于5 km/h時，電機的再生制動扭矩隨著車速的降低而迅速減小直至為0，進一步驗證了車輛在整個制動過程中，與本文策略的結果是一致的。同時對比分析可知，初始制動速度越大，回收的能量越大，能量的回收率也越高。

在進行測試循環(huán)實驗時，初始電池SOC值設置為95%進行單個駕駛循環(huán)，2種測試循環(huán)得到的曲線分別如圖6和圖7所示，其中，電機驅動用正值表示，電機制動用負值表示。分析圖6和圖7可知，車輛的實際運行速度能很好地跟蹤車輛的期望運行速度，且整個系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)車輛的驅動和制動，證明本文策略是可靠、有效的。

在測試過程中，受駕駛員熟練程度的影響，在車速跟蹤過程中會出現(xiàn)波動，但在機械制動并行作用下，車速基本能夠跟蹤目標車速。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，SPRB控制模型及控制參數(shù)值可滿足典型循環(huán)工況跟蹤測試中80%時間段內的工況需求，僅在約20%的時間段內因工況突變，制動需求較大而導致實際車速與目標車速發(fā)生一定偏離。

在初始電池SOC值為95%的情況下，在單個駕駛循環(huán)工況中進行實驗，各種控制策略下電池SOC值隨駕駛循環(huán)的變化如圖8所示，其中曲線上升代表制動和充電，下降代表行駛和放電，斜率代表充電和放電的速率。由圖8可知，配備單踏板再生制動控制系統(tǒng)的車輛的電池SOC值下降最慢，并在模擬結束時保持最高值，這表明SPRB控制策略在整個駕駛循環(huán)中消耗的能量最小，車輛經(jīng)濟性最佳。

同時將車輛的SOC值設置為從95%開始一直到5%結束，在對應的工況下進行實驗，在NEDC下使用不同控制策略獲得的實驗結果見表3，在WLTC下使用不同控制策略獲得的實驗結果見表4。

由表3分析可知：單踏板控制系統(tǒng)的礦用電動車輛行駛里程延長了41.65 km，而單踏板控制的能量回收率高達25.56%，比并聯(lián)再生制動高158.97%。由表4分析可知：單踏板控制系統(tǒng)的礦用電動車輛行駛里程延長了35.86 km，單踏板控制的能量回收率高達19.83%，比并聯(lián)再生制動高137.77%。

3.3 加速制動過程綜合路試

進行加速制動過程綜合路試時，測試路面選擇廠區(qū)的水泥硬質路面，在確保駕駛操縱安全的情況下，駕駛員將車輛從靜止加速至20 km/h后，又制動至車速為0的完整過程。具體測試實驗環(huán)境如圖9所示。

實驗獲得的車輛行駛速度、再生制動扭矩、制動率、油門開度、驅動能量曲線如圖10所示。由圖10分析可知：約0.48 s時驅動有效，此時在配置蠕行轉矩的作用下，車輛速度開始以較小的加速度增大，由于此時并未踩下加速踏板，故隨著車速的增大，驅動轉矩有逐漸減小的趨勢，確保車輛僅是蠕動。

在約1.15 s附近，開始踩下加速踏板，并在約1.1 s內，踏板開度增加到100%，且一直維持最大加速踏板開度至約6.29 s，在此過程中，驅動轉矩迅速攀升至300 N·m持續(xù)輸出，車速隨之以較大的加速度不斷增大到約19.3 km/h。

在6.29 s以后，加速踏板開始逐漸釋放，驅動轉矩開始由最大轉矩值300 N·m逐漸減小，車速增加速率也開始逐漸放緩，在約6.8 s附近，車速達到最高點20.9 km/h；之后，盡管電機輸出轉矩仍為驅動輸出狀態(tài)，但在地面滾動阻力的作用下，車輛開始緩慢減速，當加速踏板開度降低約33%時，電機開始輸出負轉矩，即進入再生制動能量回收狀態(tài)，直至約7.28 s處時加速踏板完全釋放，此時電機輸出150 N·m的再生制動轉矩并保持。

在8.82 s附近，也即完全松開加速踏板后的1.5 s左右，制動踏板開始被踩下，此時，由控制策略根據(jù)制動踏板開度計算出的再生制動轉矩值同樣為150 N·m，與加速踏板給出的再生制動轉矩值之間無縫銜接，也保證了踏板切換過程中轉矩的連貫性；同時，當制動踏板開度未超過BrkPerc_CrpCcl（標定為30%）時，再生制動轉矩始終維持在150 N·m，這一階段主要是為了消除加速踏板蠕行轉矩的影響，這與2.2節(jié)中的控制策略曲線也是一致的。

在9.13 s附近，當制動踏板開度越過30%后，再生制動轉矩開始隨其線性增長，車速也開始以較大的速率持續(xù)走低；在9.61 s附近，車速已降至10 km/h，之后，盡管制動踏板開度仍在增大，但由于車速逐漸向零靠近，故再生制動強度開始隨著車速的減小而逐漸減弱。

在9.86 s，制動踏板開度為100%且不再增大，再生制動轉矩繼續(xù)隨著車速的減小以更快的速率減小，當車速降低至0時，再生制動轉矩也同步減小至0，制動過程至此完成。

4 結論

SPRB控制策略將車輛驅動功能和部分再生制動功能同時集成到加速踏板上，通過優(yōu)先使用加速踏板滿足中小強度減速制動工況需求，既能提高能量回收效果，又能在一定程度上減輕駕駛員的操作負擔。主要結論如下：

1）在典型循環(huán)工況跟蹤測試中，SPRB控制模型及控制參數(shù)值可滿足80%時間段內的工況需求，僅在約20%的時間段內因制動需求較大而導致實際車速與目標車速發(fā)生一定偏離，實際場景中可通過疊加機械制動力進行補償。

2）單踏板再生制動控制策略下，NEDC和WLTC循環(huán)工況能量回收率分別達25.56%和19.83%，行駛里程分別延長了41.65 km和35.86 km，對提高礦用電動車輛能量利用效率、延長車輛續(xù)駛里程具有積極意義。

3）在加速踏板上集成再生制動功能，若控制策略開啟蠕行轉矩功能，則制動踏板處于零開度時所標定的再生制動轉矩應與加速踏板處于零開度時的再生制動轉矩線一致，由此可確保加速、制動踏板切換平穩(wěn)，整車加減速過程平順。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：任志勇*，男，1983年生，博士研究生、研究員。研究方向為礦山電動車輛研制與開發(fā)。E-mail：tymkyrzy@163.com。

本文引用格式：任志勇，石琴，閆凱.煤礦電動車輛單踏板再生制動效能分析［J］. 中國機械工程，2025，36（2）：209-219.

REN Zhiyong， SHI Qin， YAN Kai. Analysis of Single Pedal Regenerative Braking Efficiency of Coal Mine Electric Vehicles［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（2）：209-219.

基金項目：國家自然科學基金（52204173）；山西省科技成果轉化引導專項（202104021301067）；山西省基礎研究計劃（20210302124118）