電動(dòng)客車制動(dòng)能量回收分析研究

李司光，祁星鑫

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043）

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電動(dòng)客車制動(dòng)能量回收分析研究

李司光，祁星鑫

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043）

摘 要：通過對(duì)電動(dòng)大客車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的分析、制動(dòng)控制策略原則的制定及對(duì)制動(dòng)能量回收影響因素的討論，對(duì)一款電動(dòng)大客車在中國(guó)典型城市工況下的制動(dòng)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(dòng)能量能夠有效增加其續(xù)駛里程。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)大客車；制動(dòng)；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(dòng)力的動(dòng)力源，而對(duì)于純電動(dòng)大客車，除原有氣壓制動(dòng)系統(tǒng)還疊加了電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)，形成氣電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)︱?qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)力矩，起到制動(dòng)的作用，而且還能夠?qū)⒅苿?dòng)過程中車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)于電池組中，從而延長(zhǎng)續(xù)駛里程，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收也被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的顯著特點(diǎn)之一。

對(duì)于電動(dòng)大客車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要在滿足駕駛員制動(dòng)需求的前提下，盡可能多地對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。然而，由于氣壓制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)制動(dòng)兩種系統(tǒng)在機(jī)械機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)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(dòng)力矩大小等方面存在顯著差異，為了科學(xué)設(shè)計(jì)電動(dòng)大客車的制動(dòng)系統(tǒng)，需要對(duì)兩種制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，在此基礎(chǔ)上制定合理的制動(dòng)控制策略。

1、制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 制動(dòng)過程中傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

對(duì)于純電動(dòng)大客車而言，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接通過傳動(dòng)軸和主減速器連接驅(qū)動(dòng)車輪，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的扭矩通過傳動(dòng)軸傳遞到車輪，給車輪施加對(duì)應(yīng)的阻力力矩，即電機(jī)制動(dòng)僅可以施加于驅(qū)動(dòng)輪。

而氣壓制動(dòng)存在于驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，氣壓制動(dòng)力矩通過制定系統(tǒng)的管路產(chǎn)生作用并形成制動(dòng)力矩作用于車輪上；而對(duì)于電機(jī)制動(dòng)來說，要通過傳動(dòng)系統(tǒng)形成制動(dòng)力矩作用在驅(qū)動(dòng)軸上。

1.2 復(fù)合制動(dòng)的設(shè)計(jì)要求

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

（1）復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能少地改變駕駛員的制動(dòng)習(xí)慣，不出現(xiàn)誤動(dòng)作；

（2）復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能避免對(duì)乘客在制動(dòng)過程中的舒適性造成影響；

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

（4）復(fù)合制動(dòng)不應(yīng)對(duì)電池壽命造成影響；

（5）復(fù)合制動(dòng)盡可能多地回收能量，延長(zhǎng)車輛的續(xù)駛里程。

2、氣壓制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)特點(diǎn)分析

2.1 作用持久性

本文研究的純電動(dòng)大客車氣壓制動(dòng)是一套獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)，能夠?yàn)樾熊囍苿?dòng)、駐車制動(dòng)提供持續(xù)、可靠的制動(dòng)力矩，在行車制動(dòng)過程中，保證氣壓制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)良好，工作正常；而由驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩是一個(gè)動(dòng)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(jī)制動(dòng)不是一個(gè)能夠提供持續(xù)性的制動(dòng)力矩的制動(dòng)器。另外，氣壓制動(dòng)力能夠作用于所有車輪，而電機(jī)制動(dòng)力僅能作用于驅(qū)動(dòng)輪。

2.2 響應(yīng)速度

由于氣壓和電機(jī)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理不同，致使它們對(duì)制動(dòng)的響應(yīng)速度也不同。氣壓制動(dòng)系統(tǒng)從駕駛員踩下制動(dòng)踏板開始至制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤擠壓形成制動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械滯后；相對(duì)而言，電機(jī)制動(dòng)力矩的建立要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于氣壓制動(dòng)力矩的建立。然而，從制動(dòng)力矩大小來看，電機(jī)制動(dòng)力要遠(yuǎn)小于氣壓制動(dòng)力。

3、制動(dòng)能量回收影響因素分析

車輛在制動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否工作在發(fā)電狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)能量回收受到車輛狀態(tài)、動(dòng)力電池狀態(tài)、防抱死制動(dòng)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(jī)制動(dòng)力矩產(chǎn)生過大的車輛減速度，從而對(duì)乘客的舒適性造成影響。因此，當(dāng)車速過低時(shí)，解除電機(jī)制動(dòng)力。

3.2 電機(jī)因素

從電機(jī)使用的角度來看，電機(jī)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(jī)的外特性之內(nèi)。

3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)因素

電機(jī)的制動(dòng)能量回收還受到儲(chǔ)能系統(tǒng)的約束。插電/增程式重型商用車由于有車載動(dòng)力電池，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，給車輛提供一定的制動(dòng)力矩的同時(shí)，可以將制動(dòng)額外發(fā)電過程獲取的電能回饋到電池組里存儲(chǔ)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(shí)，考慮到電池組的壽命，制動(dòng)回饋不能向電池組充電；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC）滿足吸收電能的條件、電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，要考慮在瞬間的大電流沖擊下，電機(jī)和控制器對(duì)電機(jī)制動(dòng)力矩大小的限制，以避免大電流對(duì)電氣系統(tǒng)造成影響甚至引發(fā)的事故。

3.4 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)因素

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）不同于通常情況下的減速制動(dòng)，它在駕駛員制動(dòng)踏板開度很大、車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)揮作用。在防抱死制動(dòng)系統(tǒng)起作用的過程中，氣壓管路中會(huì)連續(xù)地出現(xiàn)增壓、保壓、降壓等高頻動(dòng)作。一方面，為了避免高頻信號(hào)對(duì)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(dòng)系統(tǒng)大都以車輪加、減角速度和滑移率等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為控制閾值，電機(jī)制動(dòng)力的介入會(huì)使防抱死系統(tǒng)的控制品質(zhì)變差。因此，基于上述兩點(diǎn)考慮，當(dāng)駕駛員進(jìn)行緊急制動(dòng)，解除電機(jī)制動(dòng)，僅使用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)。

4、制動(dòng)能量回收仿真計(jì)算

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

圖1　中國(guó)典型城市工況下的車速

選擇的電機(jī)為交流異步電機(jī)，其效率特性如圖2所示。

圖2　電機(jī)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(dòng)踏板來實(shí)現(xiàn)該過程。仿真過程利用理想的駕駛員模型來實(shí)現(xiàn)踏板的調(diào)整，制動(dòng)踏板開度如圖3所示。

圖3　中國(guó)典型城市工況行駛時(shí)駕駛員的制動(dòng)踏板開度

制動(dòng)過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速和制動(dòng)力矩如圖4和圖5所示。

圖4　制動(dòng)過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖5　制動(dòng)過程中電機(jī)的制動(dòng)力矩

制動(dòng)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(guó)典型城市工況仿真回收得到的制動(dòng)能量如表1所示。

圖6　制動(dòng)過程中電池的回饋電流

通過仿真可以看到，大客車在中國(guó)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(dòng)大客車百公里回收能量

5、結(jié)論

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

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

參考文獻(xiàn)

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[2] 林程,王硯生,孟詳峰.奧運(yùn)純電動(dòng)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(guó)汽車技術(shù)研究中心.QC/T759-2006汽車試驗(yàn)用城市運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán).中華人民共和國(guó)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(xiàng)目：長(zhǎng)安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)轉(zhuǎn)向資金資助2013G1502065。

作者簡(jiǎn)介：李司光，就職于陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司。

中圖分類號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-106-03