汪 帆，王坤俊，文健峰，盧 雄，歐陽(yáng)智

(中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007)

電動(dòng)客車的制動(dòng)能量回收技術(shù)不僅能提高能量利用率，而且可以減少制動(dòng)器磨損，提高制動(dòng)效能。各廠家在控制上作了很多優(yōu)化，以提升制動(dòng)回收率。本文探討某8 m純電動(dòng)城市客車應(yīng)用單踏板技術(shù)方案的可行性，并進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1 可行性分析

以某款8 m純電動(dòng)城市客車為例，其整備質(zhì)量為9 200 kg；動(dòng)力電池為229 kW·h，最大允許回饋電流為400 A；電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min；驅(qū)動(dòng)橋最大制動(dòng)扭矩要求不超過(guò)1 600 N·m；傳動(dòng)比為6.14；滾動(dòng)半徑為0.391 m。技術(shù)可行性分析的主要內(nèi)容為：驅(qū)動(dòng)橋能否承受最大目標(biāo)制動(dòng)減速度需求的制動(dòng)扭矩；電儲(chǔ)能系統(tǒng)能否回收最大目標(biāo)制動(dòng)減速度時(shí)產(chǎn)生的最大電制動(dòng)能量。

1.1 最大目標(biāo)制動(dòng)減速度需求

參照中國(guó)城市客車行駛工況(CHTC-B)車速及其減速度示意圖(圖1)，推導(dǎo)該工況下減速度概率分布如圖2所示。可以得出，城市客車的減速度95%都在1.2 m/s內(nèi)，故將單踏板駕駛模式下城市客車的電制動(dòng)最大目標(biāo)減速度定義在1.2 m/s以下。

圖1 CHTC-B減速度示意圖

圖2 CHTC-B減速度概率分布圖

1.2 最大制動(dòng)減速度時(shí)電制動(dòng)扭矩

城市客車日常車速在40 km/h以下，電機(jī)的制動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)速特性與驅(qū)動(dòng)工況類似，能提供的減速度遠(yuǎn)大于1.2 m/s，故設(shè)定的目標(biāo)制動(dòng)減速度能夠?qū)崿F(xiàn)。而需要重點(diǎn)關(guān)注的是驅(qū)動(dòng)橋能否承受設(shè)定的最大目標(biāo)制動(dòng)減速度對(duì)應(yīng)的電制動(dòng)扭矩。

根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)公式推導(dǎo)出電制動(dòng)扭矩：

=(--)·

式中：為整車質(zhì)量；為制動(dòng)減速度；為風(fēng)阻；為電制動(dòng)阻力；為滾動(dòng)半徑；為傳動(dòng)比。

根據(jù)以上公式可得出目標(biāo)制動(dòng)減速度為1.2 m/s時(shí)需承受的最大電制扭矩約為600 N·m。而該車輛的車橋可承受的電制動(dòng)力矩超過(guò)1 500 N·m，故該車可以承受所設(shè)定的目標(biāo)減速度對(duì)應(yīng)的電制動(dòng)扭矩。

1.3 最大制動(dòng)減速度時(shí)的電制動(dòng)能量

城市客車日常行車速度40 km/h對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速約為1 500 r/min。根據(jù)扭矩與電功率的關(guān)系=·9 550，得到制動(dòng)扭矩600 N·m時(shí)對(duì)應(yīng)的最大電功率約為100 kW，低于該客車配置的動(dòng)力電池最大允許電回饋功率約200 kW(502 V×400 A)。因此該電儲(chǔ)能系統(tǒng)理論上可以回收目標(biāo)制動(dòng)減速度對(duì)應(yīng)的電制動(dòng)能量。

要注意的是，在動(dòng)力電池SOC過(guò)高或其他電池系統(tǒng)允許充電功率低于最大制動(dòng)電功率的情況下，整車需要進(jìn)行聲光報(bào)警提醒駕駛員此時(shí)單踏板制動(dòng)功能無(wú)效，需采用傳統(tǒng)的制動(dòng)踏板進(jìn)行制動(dòng)。

另外，相同目標(biāo)減速度下，后橋需承受的電制動(dòng)扭矩及電儲(chǔ)能系統(tǒng)需要承受的回收功率會(huì)與整車總質(zhì)量成正比增加。故整車總質(zhì)量增大時(shí)，需要考慮后橋及電儲(chǔ)能系統(tǒng)的選型是否合適。

通過(guò)上述可行性分析可以看出，該款8 m純電動(dòng)城市客車采用單踏板方案可以滿足日常運(yùn)營(yíng)的制動(dòng)需求。

2 方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1 方案設(shè)計(jì)

參照乘用車模式，在傳統(tǒng)雙踏板的基礎(chǔ)上，保留原制動(dòng)踏板及其功能不變，將原油門踏板開(kāi)度分為三段，前段為制動(dòng)區(qū)間，中間為滑行區(qū)間，后段為驅(qū)動(dòng)區(qū)間。改變后的油門踏板開(kāi)度與行車模式如圖3所示。

圖3 踏板開(kāi)度與行車模式對(duì)應(yīng)圖

其中制動(dòng)區(qū)間內(nèi)整車制動(dòng)減速度與以下幾個(gè)因素相關(guān)：

1) 車速。車速在40 km/h以內(nèi)對(duì)應(yīng)的理想的完全釋放油門踏板得到的最大減速度與車速函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)如下：

(1)

其中為定義的速度較低閾值，當(dāng)車速低于時(shí)，最大減速度逐步減?。粸槎x的即將停車時(shí)的制動(dòng)減速度。大致參考如圖4所示。本文定義的、分別為10、1，具體數(shù)值可根據(jù)車輛調(diào)試情況進(jìn)行標(biāo)定。

圖4 最大制動(dòng)減速度與車速對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

2) 油門踏板開(kāi)度。滑行區(qū)間和驅(qū)動(dòng)區(qū)間與傳統(tǒng)雙踏板控制邏輯類似。制動(dòng)區(qū)間在踏板開(kāi)度越小時(shí)，制動(dòng)減速度值應(yīng)越大，故定義制動(dòng)減速度與踏板開(kāi)度函數(shù)關(guān)系：

=·(1)，0<<

(2)

式中：為油門踏板開(kāi)度；為踏板開(kāi)度在制動(dòng)區(qū)間的閾值；為常數(shù)，代表映射虛擬制動(dòng)踏板的靈敏度。

由式(2)可以得到減速度與踏板開(kāi)度的大致參考關(guān)系如圖5所示。本文中為30%，為1，具體數(shù)值可根據(jù)車輛調(diào)試情況進(jìn)行標(biāo)定。

圖5 制動(dòng)模式下減速度與踏板開(kāi)度對(duì)應(yīng)圖

3) 整車重量及道路坡道。為解決重量及坡度帶來(lái)的問(wèn)題，整車VCU需要識(shí)別車輛載荷及坡度并適當(dāng)增大或減弱電制動(dòng)力矩。整車載荷的識(shí)別有多種方案，如客流監(jiān)控儀統(tǒng)計(jì)上下客人數(shù)計(jì)算載荷量、車架系統(tǒng)加裝電阻與位移成線性變化載荷傳感器或基于電機(jī)扭矩的自學(xué)習(xí)載荷計(jì)算方案等，本文采用加裝載荷傳感器并進(jìn)行標(biāo)定的方案得到載荷，坡度可以采用陀螺儀識(shí)別。

制動(dòng)減速度與載荷及坡道的關(guān)系如式(3)，其中為空載質(zhì)量。

=·[cos ()+sin ()]+·[·(+)]+··[2115(+)]

(3)

根據(jù)式(1)、(2)、(3)即可建立此新型電制動(dòng)模型：

2.2 效果驗(yàn)證

針對(duì)該電制動(dòng)能量回收方案，在此8 m純電動(dòng)城市客車上進(jìn)行效果驗(yàn)證。

1) 制動(dòng)平順性測(cè)試效果如圖6所示，模擬城市客車從車速40 km/h制動(dòng)減速到停止?？梢钥闯稣麄€(gè)車速下降的過(guò)程比較線性，證明制動(dòng)平順性較好。

圖6 制動(dòng)平順性曲線

2) 分別對(duì)該新型電制動(dòng)能量回收方案實(shí)施前后的能耗及續(xù)駛里程進(jìn)行轉(zhuǎn)轂臺(tái)架測(cè)試，工況為中國(guó)城市客車行駛工況(CHTC-B)。測(cè)試結(jié)果為：該新型電制動(dòng)能量回收方案實(shí)施前后的百公里能耗分別為44.7 kW·h和41.9 kW·h，續(xù)駛里程(SOC截至12%)分別為450 km和480 km。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一款8 m純電動(dòng)城市客車應(yīng)用單踏板控制的可行性進(jìn)行了分析、實(shí)施和驗(yàn)證。結(jié)果證明該方案對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性有較大提升。今后將對(duì)該制動(dòng)回收控制策略進(jìn)行進(jìn)一步探索研究。