混合動力客車再生制動控制策略的研究

余 捷

混合動力客車再生制動控制策略的研究

余 捷

福建工程學(xué)院機(jī)電及自動化工程系

根據(jù)已在我國多個城市運(yùn)營的某混合動力客車車型現(xiàn)有的制動系統(tǒng)及其工作模式的介紹，展開再生制動能量管理和控制策略的研究。以理論分析和仿真研究為手段，揭示目標(biāo)車型再生制動控制策略下的制動安全性能及制動能量回收率的表現(xiàn)，從而為進(jìn)一步提高混合動力客車再生制動系統(tǒng)性能提供了參考依據(jù)。

混合動力客車；再生制動；控制策略；制動力分配

再生制動是油—電混合動力汽車（本文所提到的混合動力汽車均指這類汽車）的重要工作模式，它能在車輛減速或下坡時，在保證車輛制動性能的條件下，將儲存于汽車上的動能或位能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能并儲存在于電儲能裝置中[1]。該工作模式下，制動系統(tǒng)不僅產(chǎn)生車輛所需全部或部分制動力，實現(xiàn)了車輛的減速和制動，同時可回收一定的制動能量，有效地實現(xiàn)車輛的節(jié)能減排，并減少了制動器摩擦片的磨損。因此，在環(huán)保節(jié)能安全的汽車技術(shù)設(shè)計理念的引導(dǎo)下，再生制動的研發(fā)已成為新一代節(jié)能汽車技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

可見，開展再生制動的理論和應(yīng)用研究不但有重要的理論意義，而且還有較高的實用價值。而國內(nèi)目前對混合動力汽車的再生制動的研究相對于國外起步較晚，在以下方面還有待深入研究[2]：①再生制動能量管理和控制策略；②再生制動系統(tǒng)建模和車輛制動動力學(xué)建模；③基于整車綜合制動動力學(xué)仿真的綜合優(yōu)化；④再生制動系統(tǒng)的實驗?zāi)M、匹配控制和綜合評價。

本文根據(jù)已在我國多個城市運(yùn)營的某混合動力客車車型現(xiàn)有的制動系統(tǒng)及其工作模式的介紹，展開再生制動能量管理和控制策略的研究。以理論分析和仿真研究為手段，揭示目標(biāo)車型再生制動控制策略下的制動安全性能及制動能量回收率的表現(xiàn)，從而為優(yōu)化混合動力客車制動系統(tǒng)控制策略提供參考。

1 目標(biāo)車型再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略簡介

目標(biāo)車型配備的混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其制動模式下回饋能量路線如圖1所示，動力系統(tǒng)由驅(qū)動橋、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)控制器（由AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器及電機(jī)工作模式控制器等組成）、儲能元件（超級電容）、發(fā)動機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、混合動力控制器等組成；而制動工況下離合器分離，永磁發(fā)電機(jī)關(guān)閉，回饋能量流動流動路線為：驅(qū)動橋→驅(qū)動電機(jī)→驅(qū)動電機(jī)控制器→儲能元件。客車采用三級微控開關(guān)式剎車踏板，實現(xiàn)減速/制動工況下有幾種工作模式：

（1）當(dāng)松開油門踏板而未踩下制動踏板時，客車采用50%的輕載發(fā)電；

（2）當(dāng)微踩制動踏板使踏板行程介于第一級與第二級開關(guān)之間時，客車采用100%的全載發(fā)電；

（3）當(dāng)制動踏板行程介于第二級與第三級開關(guān)之間時，客車采用再生制動和機(jī)械制動的聯(lián)合制動方式；

（4）當(dāng)制動踏板被迅速踩到最大行程觸動第三級開關(guān)時，客車采用純機(jī)械制動方式。

圖1 目標(biāo)車型動力總成系統(tǒng)及制動回饋能量流圖

以上的工作模式能否在客車行駛中實現(xiàn)，使客車具有高的制動能量回收率，取決于目標(biāo)車型制動力分配策略的制定與相應(yīng)的制動系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)工作模式可知，目標(biāo)車型采用自由行程式控制策略，其特點(diǎn)為定比例式進(jìn)行摩擦制動力與電機(jī)再生制動力之間的制動力分配，同時在踏板自由行程段施加回收制動力的制動控制策略，以滿足客車制動安全的需要并實現(xiàn)高的車輛慣性能回收率。如將自由行程式控制策略的客車安全制動性能與能量回收率進(jìn)行仿真分析，有助于了解混合動力客車在不同的制動強(qiáng)度下，客車的控制策略的制動安全性能及制動能量回收率的變化情況，從而為優(yōu)化混合動力客車制動系統(tǒng)提供了切入點(diǎn)參考。而仿真研究所需的目標(biāo)車型及其混合動力系統(tǒng)的參數(shù)如表1 所示。

表1 目標(biāo)車型整車仿真基本參數(shù)

2 制動力分配控制策略的理論分析

根據(jù)目標(biāo)車型的工作模式反推出客車的控制策略如圖2所示：OE段，制動踏板自由行程，電動機(jī)制動力增大，摩擦制動力為0，總制動力達(dá)到點(diǎn)A；EF段，電動機(jī)制動力增大，摩擦制動力為0，總制動力到達(dá)點(diǎn)B時，電動機(jī)回收制動力到達(dá)極大值；FG段，摩擦制動力從0開始增加，同時保持為電動機(jī)制動力不變，使總制動力與需求制動力相同，前后輪制動力之比按原車比例控制，即原車β線位置；GH與HI段，制動踏板開度較大，即將進(jìn)入緊急制動工況，為了保證制動安全，摩擦制動力迅速恢復(fù)并增至最大，電動機(jī)制動力隨之逐漸減小至完全撤銷，該過程仍然保證總制動力與需求制動力相同。

圖2 目標(biāo)車型控制策略方案

根據(jù)再生制動系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以從汽車制動性能的評價、再生制動性能的評價和再生制動系統(tǒng)對于整車性能影響的評價三個方面對再生制動系統(tǒng)的可行性與各項性能指數(shù)進(jìn)行分析評價[3]。

（1）目標(biāo)車型引入自由行程輕載發(fā)電模式以及整個制動過程保證制動力與需求制動力相同的控制策略，顯然，其制動距離和制動效能比傳統(tǒng)車型有一定的改善。然而，由于整車取消了滑行模式，在某些情況下，并不一定有利于節(jié)能行駛。因為在一定的車速范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用滑行模式，能充分利用整車的慣性滑行，增加行駛里程從而減少燃油消耗，而如果將慣性能回收再驅(qū)動，其效率必然降低。

（2）目標(biāo)車型增加了再生制動模式的工作時段（OE段），顯然目標(biāo)車型可以擁有較高地制動能回收率。

（3）目標(biāo)車型當(dāng)進(jìn)入摩擦制動力工作時段（FI段），其前后輪的制動力分配必需保證前輪比后輪先達(dá)到車輪抱死臨界狀態(tài)，否則后輪先抱死勢必對客車行駛穩(wěn)定性不利。目標(biāo)車型采用了前后輪制動力按原車比例控制，從理論上可以消除該隱患。

3 制動力分配控制策略仿真分析

根據(jù)目標(biāo)車型的控制策略，利用Matlab/Simulink和ADVISOR軟件中建立制動工況下整車工作模式選擇模型，如圖3所示。并建立整車控制策略模型，如圖4所示。

圖3 制動工況下工作模式選擇模型

圖4 整車控制策略頂層模型

由于目標(biāo)車型為城市客車，所以選擇我國2005年實行的中國典型城市公交循環(huán)工況作為仿真測試循環(huán)，如圖5所示。

圖5 中國典型城市公交循環(huán)工況

仿真采用一個循環(huán)工況，輸入目標(biāo)車型參數(shù)進(jìn)行仿真，總的仿真時間1320s，設(shè)定初始SOC（超級電容剩余電量與總電量之比）為0.9。得到仿真實際車速與SOC變化情況，分別如圖6與7所示。

圖6 目標(biāo)車型車速仿真結(jié)果

圖7 目標(biāo)車型超級電容仿真結(jié)果

從圖6中可以看出當(dāng)初始SOC為0.9時，工況要求車速和仿真實現(xiàn)車速曲線完全重疊，說明目標(biāo)車型的動力性滿足中國典型城市公交工況的要求。從圖7可以看出，在整個工況結(jié)束時，其存電量還是保持為0.9。在客車運(yùn)行中，SOC下降的主要是由在起步和低速工況下采用純電機(jī)驅(qū)動模式引起；而SOC上升的主要是由制動工況下再生制動模式引起的。為了保護(hù)超級電容，SOC在0.9處中止回收充電。從圖中看到SOC曲線多次被切峰，說明目標(biāo)型車有較高的能量回收率，但也表明客車尚未充分吸收制動能量，控制策略與儲能系統(tǒng)有待進(jìn)一步綜合優(yōu)化。比如，顯然目標(biāo)車型在取消自由行程段的再生制動，SOC勢必減少被切峰次數(shù)，有利于制動能量的有效回收和提高整車節(jié)能潛力。

4 結(jié)論

本文對一款混合動力客車的再生制動系統(tǒng)進(jìn)行分析，利用理論分析和仿真手段，揭示自由行程式再生制動控制策略下客車制動性能與能量回收的變化情況，得到如下結(jié)論：

（1）在自由行程下引入再生制動，可顯著增加客車慣性能的回收。但并不一定利于整車的節(jié)能，比如為保護(hù)儲能元件不能充分吸收客車慣性能以及取消滑行模式降低客車慣性能的利用率。

（2）目標(biāo)車型所采用的自由行程式控制策略，可以具有較好的汽車制動性能、再生制動性能和整車穩(wěn)定性，滿足車輛行駛要求。

（3）目標(biāo)車型從仿真來看，SOC多次被切峰，車輛未能充分吸收客車慣性能，可以從控制策略和硬件系統(tǒng)的綜合設(shè)計方面著手研究，進(jìn)一步提高再生制動下能量回收率。

[1] 陳全世,仇斌,謝起成.燃料電池電動汽車[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[2] 顏靜.CVT混合動力再生制動控制策略與仿真研究[D].重慶：重慶大學(xué), 2006.

[3] 趙巖.并聯(lián)液壓混合動力汽車制動系統(tǒng)建模和仿真研究[D].吉林：吉林大學(xué), 2009.

Regenerative Braking Strategy Research for Hybrid Electric Bus

Yu Jie

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

The regenerative braking energy management and control strategies were researched through analysis of the braking system and working modes of a hybrid electric bus (HEB) available in some cities of China. Theoretical analysis and simulation were conducted to determine the braking safety performance and brake-energy recovery of target HEB under the regenerative braking control strategy. It is indicated that the results can aid to the improvement of the hybrid bus performance of regenerative braking system.

hybrid electric bus; regenerative braking; control strategy; braking force distribution.

福建省科技平臺建設(shè)項目（2008J1002），福建工程學(xué)院青年科研基金（GY-Z09069）。