鄺家凱，劉貽華

（廣東理工學(xué)院， 廣東肇慶 526100）

0 引言

近年來，電動(dòng)化已成為國內(nèi)外汽車發(fā)展的主流方向，商用車領(lǐng)域也逐漸向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。在電動(dòng)汽車行駛過程中，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)用于乘用車領(lǐng)域，商用車方面的應(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)化車輛的制動(dòng)力分配，提高了車輛的制動(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)力汽車的再生制動(dòng)能量進(jìn)行再次利用，可改善車輛的經(jīng)濟(jì)性；盧珊等[6]通過建立再生制動(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、汽車驅(qū)動(dòng)形式、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和車輛重心位置的基礎(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)商用車為研究對(duì)象，該類商用車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)力分配曲線稱為I曲線，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)車輛所要滿足的制動(dòng)效能，車輛的制動(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，避免車速過低時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和再生制動(dòng)力矩過小，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)過程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪需要的再生制動(dòng)力超過電機(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。為了延長電池使用壽命，考慮到再生制動(dòng)過程充電的時(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程中充電功率和充電電流[16]。同時(shí)，考慮到過度充電和過度放電對(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，過急的制動(dòng)過程會(huì)使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的不適感，因此，制動(dòng)感受也是影響車輛的制動(dòng)性重要因素[17]。為了使電動(dòng)商用車具有較好的制動(dòng)感受，本文以車輛的減速度變化率j（車輛的沖擊度）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)超過該值時(shí)，人體感受效果不佳。當(dāng)汽車按照理想的制動(dòng)力分配曲線對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配時(shí)，車輛具有最佳的制動(dòng)效能，因此，車輛制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)盡量按照I曲線進(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，通過對(duì)單個(gè)車輪的氣壓制動(dòng)力進(jìn)行控制，可以使車輛的總制動(dòng)力達(dá)到路面附著極限。由此可見，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)商用車電-氣復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

在電動(dòng)商用車中制動(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，通過電磁閥的通斷，開關(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)力分配曲線應(yīng)當(dāng)按照理想的制動(dòng)力分配線I 曲線，車輛的制動(dòng)距離也最短[19]。圖3所示為車輛具有最佳制動(dòng)感受的制動(dòng)力分配曲線。

圖3 串聯(lián)制動(dòng)控制策略的制動(dòng)力分配曲線

根據(jù)車輛的制動(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)車輛處于輕度制動(dòng)模式工況，此時(shí)車輛僅進(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)力分配曲線恰好與理想的I 曲線吻合時(shí)，前后輪制動(dòng)力才會(huì)根據(jù)I 曲線同時(shí)增加[20-21]；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度超過0.7 時(shí)，車輛進(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，車輛的制動(dòng)力分配仍符合I 曲線。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)過程中總制動(dòng)力的OA 段曲線可知，車輛制動(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)過程中總制動(dòng)力的AB 曲線可知，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)過程中總制動(dòng)力的BGC 曲線，當(dāng)Tmmax＜Tb且制動(dòng)力按照I曲線分配，此時(shí)后輪氣壓制動(dòng)器開始響應(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曲線上的任一點(diǎn)G，過G分別作x軸與y軸的垂線，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：通過上述邏輯計(jì)算過程后，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 整車模型進(jìn)行連接，完成控制策略與整車模型的結(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)間長的弊端，提高了車輛的制動(dòng)效能。從圖10 可知看出，在3 種制動(dòng)強(qiáng)度下，車輛的制動(dòng)減速度變化率均不超過10 m/s3，車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)行仿真測試，比較串聯(lián)制動(dòng)控制策略與無能量回收機(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)際車速能夠很好的跟隨期望車速，因此，串聯(lián)制動(dòng)控制策略可滿足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)，車輛減速過程中蓄電池電流為正，說明電機(jī)通過再生制動(dòng)為蓄電池充電。采用無制動(dòng)能量回收策略時(shí)，蓄電池電流為負(fù)，說明沒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，車輛的續(xù)航里程有所增加。從圖14中可以看出，車輛的減速度變化率最大值也遠(yuǎn)小于10 m/s3，車輛的沖擊度處于良好范圍內(nèi)，制動(dòng)感受較好，可以滿足駕駛?cè)藛T對(duì)制動(dòng)感受的要求。

圖11 NEDC工況下實(shí)際車速與期望車速

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

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

圖14 NEDC工況車輛減速度變化率

表3 NEDC工況下兩種控制策略的性能比較

4 結(jié)束語

本文對(duì)電動(dòng)商用車的制動(dòng)控制策略進(jìn)行研究，基于電動(dòng)商用車電—?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 初始車速制動(dòng)和NEDC 循環(huán)兩種工況下，通過采用本文所設(shè)計(jì)串聯(lián)制動(dòng)控制策略，可以對(duì)車輛的制動(dòng)力分配進(jìn)行優(yōu)化，車輛的制動(dòng)沖擊度較小，車輛具有最佳的制動(dòng)感受。

（2）在以60 km/h 初始車速制動(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。