電動客車制動能量回收分析研究

李司光，祁星鑫

（陜西汽車集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043）

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電動客車制動能量回收分析研究

李司光，祁星鑫

（陜西汽車集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043）

摘 要：通過對電動大客車復(fù)合制動系統(tǒng)特點的分析、制動控制策略原則的制定及對制動能量回收影響因素的討論，對一款電動大客車在中國典型城市工況下的制動能量回收過程進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，車輛每百公里可回收約8.38度電，回收的制動能量能夠有效增加其續(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：電動大客車；制動；能量回收；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.036

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-106-03

前言

傳統(tǒng)的大客車通常以氣壓作為主要的制動力的動力源，而對于純電動大客車，除原有氣壓制動系統(tǒng)還疊加了電機制動系統(tǒng)，形成氣電復(fù)合制動系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)︱?qū)動輪施加制動力矩，起到制動的作用，而且還能夠?qū)⒅苿舆^程中車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能存儲于電池組中，從而延長續(xù)駛里程，實現(xiàn)制動能量回收也被認(rèn)為是電動汽車的顯著特點之一。

對于電動大客車復(fù)合制動系統(tǒng)的設(shè)計，首先要在滿足駕駛員制動需求的前提下，盡可能多地對制動能量進(jìn)行回收。然而，由于氣壓制動系統(tǒng)和電機制動兩種系統(tǒng)在機械機構(gòu)、制動機理方面完全不同，在作用的持久性和可靠性、響應(yīng)速度、制動力矩大小等方面存在顯著差異，為了科學(xué)設(shè)計電動大客車的制動系統(tǒng)，需要對兩種制動系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，在此基礎(chǔ)上制定合理的制動控制策略。

1、制動系統(tǒng)設(shè)計原則

1.1 制動過程中傳動系統(tǒng)的特點

對于純電動大客車而言，由于驅(qū)動電機直接通過傳動軸和主減速器連接驅(qū)動車輪，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，驅(qū)動電機可以工作在發(fā)電機狀態(tài)，發(fā)電機的扭矩通過傳動軸傳遞到車輪，給車輪施加對應(yīng)的阻力力矩，即電機制動僅可以施加于驅(qū)動輪。

而氣壓制動存在于驅(qū)動輪和從動輪，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，氣壓制動力矩通過制定系統(tǒng)的管路產(chǎn)生作用并形成制動力矩作用于車輪上；而對于電機制動來說，要通過傳動系統(tǒng)形成制動力矩作用在驅(qū)動軸上。

1.2 復(fù)合制動的設(shè)計要求

當(dāng)氣壓制動系統(tǒng)疊加了電機制動后，為使兩種制動系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作，在滿足駕駛員制動需求基礎(chǔ)上，使制動過程穩(wěn)定、安全、高效，還需滿足如下設(shè)計要求：

（1）復(fù)合制動系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)盡可能少地改變駕駛員的制動習(xí)慣，不出現(xiàn)誤動作；

（2）復(fù)合制動系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)盡可能避免對乘客在制動過程中的舒適性造成影響；

（3）電機制動與其它制動系統(tǒng)不發(fā)生影響和干涉，如與防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的干涉；

（4）復(fù)合制動不應(yīng)對電池壽命造成影響；

（5）復(fù)合制動盡可能多地回收能量，延長車輛的續(xù)駛里程。

2、氣壓制動與電機制動特點分析

2.1 作用持久性

本文研究的純電動大客車氣壓制動是一套獨立的制動系統(tǒng)，能夠為行車制動、駐車制動提供持續(xù)、可靠的制動力矩，在行車制動過程中，保證氣壓制動系統(tǒng)狀態(tài)良好，工作正常；而由驅(qū)動電機產(chǎn)生的電機制動力矩是一個動態(tài)的變化量，依賴于諸多因素，如車輛行駛速度、電池組的荷電狀態(tài)（SOC）、ABS的狀態(tài)等，因此，電機制動不是一個能夠提供持續(xù)性的制動力矩的制動器。另外，氣壓制動力能夠作用于所有車輪，而電機制動力僅能作用于驅(qū)動輪。

2.2 響應(yīng)速度

由于氣壓和電機系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)和工作機理不同，致使它們對制動的響應(yīng)速度也不同。氣壓制動系統(tǒng)從駕駛員踩下制動踏板開始至制動鉗與制動盤擠壓形成制動力矩，氣壓的建立過程需要克服管路、彈簧、活塞、閥體等的慣性，不可避免地形成較長時間的機械滯后；相對而言，電機制動力矩的建立要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于氣壓制動力矩的建立。然而，從制動力矩大小來看，電機制動力要遠(yuǎn)小于氣壓制動力。

3、制動能量回收影響因素分析

車輛在制動過程中，驅(qū)動電機能否工作在發(fā)電狀態(tài)并實現(xiàn)能量回收受到車輛狀態(tài)、動力電池狀態(tài)、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）狀態(tài)、APU狀態(tài)等諸多因素的制約。

3.1 車輛狀態(tài)

當(dāng)車輛的速度較低，為了避免大的電機制動力矩產(chǎn)生過大的車輛減速度，從而對乘客的舒適性造成影響。因此，當(dāng)車速過低時，解除電機制動力。

3.2 電機因素

從電機使用的角度來看，電機能夠輸出的力矩取決于當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，即輸出力矩被限制在電機的外特性之內(nèi)。

3.3 儲能系統(tǒng)因素

電機的制動能量回收還受到儲能系統(tǒng)的約束。插電/增程式重型商用車由于有車載動力電池，當(dāng)驅(qū)動電機作為發(fā)電機運行，給車輛提供一定的制動力矩的同時，可以將制動額外發(fā)電過程獲取的電能回饋到電池組里存儲起來。在此，當(dāng)電池組在電量充足的情況下，即電池組的荷電狀態(tài)（SOC）很高時，考慮到電池組的壽命，制動回饋不能向電池組充電；當(dāng)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC）滿足吸收電能的條件、電機工作在發(fā)電機狀態(tài)時，要考慮在瞬間的大電流沖擊下，電機和控制器對電機制動力矩大小的限制，以避免大電流對電氣系統(tǒng)造成影響甚至引發(fā)的事故。

3.4 防抱死制動系統(tǒng)因素

防抱死制動系統(tǒng)（ABS）不同于通常情況下的減速制動，它在駕駛員制動踏板開度很大、車輛進(jìn)行緊急制動時發(fā)揮作用。在防抱死制動系統(tǒng)起作用的過程中，氣壓管路中會連續(xù)地出現(xiàn)增壓、保壓、降壓等高頻動作。一方面，為了避免高頻信號對車輛的CAN總線產(chǎn)生干擾而導(dǎo)致信息丟失；另一方面，防抱死制動系統(tǒng)大都以車輪加、減角速度和滑移率等經(jīng)驗參數(shù)為控制閾值，電機制動力的介入會使防抱死系統(tǒng)的控制品質(zhì)變差。因此，基于上述兩點考慮，當(dāng)駕駛員進(jìn)行緊急制動，解除電機制動，僅使用氣壓制動系統(tǒng)。

4、制動能量回收仿真計算

有了更準(zhǔn)確地分析制動能量回饋控制策略的合理性、有效性，以一款純電動大客車為研究對象[2]，進(jìn)行了整車仿真模型的搭建，并在中國典型城市工況下[3]進(jìn)行了仿真運行，如圖1所示，得到了整個過程電機轉(zhuǎn)速、制動踏板開度等參量。

圖1　中國典型城市工況下的車速

選擇的電機為交流異步電機，其效率特性如圖2所示。

圖2　電機效率特性圖

為了跟蹤給定的行駛工況，駕駛員不斷地通過踩下油門和制動踏板來實現(xiàn)該過程。仿真過程利用理想的駕駛員模型來實現(xiàn)踏板的調(diào)整，制動踏板開度如圖3所示。

圖3　中國典型城市工況行駛時駕駛員的制動踏板開度

制動過程中電機的轉(zhuǎn)速和制動力矩如圖4和圖5所示。

圖4　制動過程中電機的轉(zhuǎn)速

圖5　制動過程中電機的制動力矩

制動過程中電池組中回饋的電流如圖6所示。

連續(xù)的百公里中國典型城市工況仿真回收得到的制動能量如表1所示。

圖6　制動過程中電池的回饋電流

通過仿真可以看到，大客車在中國典型城市工況下的百公里能夠回收的能量為3.02*104J，折合電度數(shù)為8.38°電，這些電量可以顯著增加車輛的續(xù)駛里程。

表1　電動大客車百公里回收能量

5、結(jié)論

電動客車制動能量回收過程受行駛工況、驅(qū)動電機性能、電池狀態(tài)、防抱死制動系統(tǒng)狀態(tài)等多種因素的制約，同時也與制動控制策略緊密相關(guān)。

本文結(jié)合了制動系統(tǒng)設(shè)計的原則，分析了電動大客車復(fù)合制動系統(tǒng)的特點；分析了大客車制動能量控制策略的影響因素；最后，通過仿真實例分析了一款純電動城市大客車的制動能量回收情況，為該類型車輛制動控制策略設(shè)計提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳清泉, 孫逢春, 祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2002.

[2] 林程,王硯生,孟詳峰.奧運純電動大客車技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社, 2008.

[3] 中國汽車技術(shù)研究中心.QC/T759-2006汽車試驗用城市運轉(zhuǎn)循環(huán).中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 2006.

Analysis of Energy Recovery for the Pure Electric Bus

Li Siguang，Qi Xingxin
( Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710043 )

Abstract:The characteristics ofhybridbraking systemof electric buswere analyzed, principles of brake controlstrategywere established, and relative factors were discussed.A simulation of an electric busbraking systemenergy recovery strategywas carried ona typical urban driving cycleof China.The result shows an effectiveenergy recoveryeffect about 8.38 kWh per 100 kilo meters, and driving rangewill be improvedsignificantly.

Keywords:Electric bus; braking system; energy recovery; simulation

基金項目：長安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費轉(zhuǎn)向資金資助2013G1502065。

作者簡介：李司光，就職于陜西汽車集團有限責(zé)任公司。

中圖分類號：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-106-03