純電動商用車制動能量回收策略研究

王善超　韋尚軍　覃記榮　馬曉楠　鄭偉光

摘 要：為了提升純電動商用車的制動能量回收效率，提高整車的續航里程。根據ECE法規和前后輪理想制動分配曲線，設計了一種適用于以后輪為驅動輪的制動力分配曲線，并提出了一種串聯制動能量回收策略。在AVL-CRUISE中完成純電動商用車的模型，在NEDC工況下完成并聯策略與串聯策略的仿真，串聯策略比并聯策略的制動能量回收效率提高了8%。結果表明串聯制動能量回收策略能夠大大提高純電動商用車的制動回收效率，是提升純電動商用車續航的有效方法。關鍵詞：純電動商用車;制動能量回收;串聯策略中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-11-04

Abstract：?In order to improve the braking energy recovery efficiency of pure electric commercial vehicles and improve the vehicle's endurance mileage. According to the ECE regulation and the ideal braking distribution curve of front and rear wheels， a braking force distribution curve suitable for driving wheels of rear wheels is designed， and a series braking energy recovery strategy is proposed. The model of pure electric commercial vehicle is completed in AVL-cruise， and the simulation of parallel strategy and series strategy is completed under NEDC condition. The braking energy recovery efficiency of series strategy is 8% higher than that of parallel strategy. The results show that the series braking energy recovery strategy can greatly improve the braking recovery efficiency of pure electric commercial vehicles， and it is an effective way to improve the endurance of pure electric commercial vehicles.Keywords： Pure electric commercial vehicle; Brake energy recovery; Series strategyCLC NO.： U469.72??Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-11-04

引言

隨著汽車行業的迅速發展，能源危機和環境惡化問題已經成為困擾當今世界的兩大難題，大力發展純電動汽車成為解決問題的一個方法。電動機作為純電動汽車的唯一動力源，在行駛時不但可以當電動機提供動力，還可以在減速時當做發電機，為汽車產生制動力矩的同時也為電池充電，能夠大大提升純電動汽車的行駛里程[1-2]。

純電動汽車在引入制動能量回收時，會導致前后輪的制動力分配、摩擦制動力與再生制動力分配的變化。在保證整車制動性能不受影響的前提下，盡可能提高再生制動的比例。如何在保證制動安全性與穩定性的前提下最大限度的回收制動能量成為再生制動研究的重點和難點[3]。由于并聯制動能量回收策略相對簡單，成本低廉，在量產的純電動汽車的制動能量回收策略多為并聯策略，即僅將驅動輪的制動力按比例分配給電機再生制動力和摩擦制動力，電機的制動能量回收效果不理想[4]。龔賢武等基于制動穩定性要求和ECE制動法規對沒電動轎車的制動力分配進行研究，在保證制動穩定性的同時，對整車的制動能量回收有一個顯著的提升[5]。許世維等人基于電動商用車電氣復合制動系統的特點，提出了一種最佳感覺的串聯制動控制策略，在保證制動感覺的同時，大大提升了整車的經濟性[6]。

本文研究的純電動商用車是面向城鎮運輸的電動汽車，良好的續航性能是十分重要的。本文通過研究一種適合于后輪驅動的純電動汽車制動回收策略，并通過建模仿真驗證該控制策略的有效性，為純電動商用車的串聯制動能量回收策略的優化提供依據。

1 串聯制動策略的約束條件

1.1 ECE法規制動力分配要求

汽車制動時，前、后輪的制動力分配會影響整車的安全性和制動效能，不同的分配比例可能會導致前后輪同時抱死、前輪先于后輪抱死、后輪先于前輪抱死3種情況，其中只有前后輪同時抱死是一種理想情況。這種情況下的制動力分配曲線稱為I曲線，如公式（1）所示，按照I曲線對制動力進行分配，不僅能夠保證制動穩定性還能提高制動效能[7]。

式中，z為制動強度;La為汽車質點至前軸的距離（m）;Lb汽車質點至后軸的距離（m）;hg為質心高度（m）。

為滿足制動效能的要求，制動力的分配還應該滿足ECE法規和我國的國家標準GB 12676-1999。根據ECE法規可以得出以后輪為驅動輪的純電動商用車的制動力約束條件為：

1.2 動力電池的約束

動力電池作為純電動車的能量提高元件，也是制動能量回收的儲存元件。動力電池的的最大充電電流、最大充電功率、電荷狀態等基本屬性是制約能量回收的主要原因。所研究車輛的動力電池采用鋰電池，考慮到電池的充電效率和防止電池過充對電池帶來的損害，將電池的制動能量回收時的SOC設置為25%～95%，其他時刻停止制動能量回收。

1.3 動力電機的約束

在純電動汽車進行制動能量回收時，動力電機所提供的制動力矩不得超過該轉速和功率下的力矩。當汽車在低速行駛時，動力電機的轉速過低，所能夠產生的制動力矩太小，一方面回收效率較低，另一方面安全性較差，因此設置再生制動時動力電機的轉速閾值。當動力電機轉速低于500r/min時停止再生制動能量回收。此時由摩擦制動力提供制動所需的全部制動力。最終得到動力電池的制動力矩特性為：

式中，Pm為電機再生制動功率（kW）;Tb為基速下電機轉矩（N·?m）;PN為電機額定功率（kW）;n為電機轉速（r/min）;nb為電機基速（r/min）。

2 串聯制動控制策略

2.1 串聯制動控制策略原理

串聯制動與并聯制動的主要區別在于低制動強度時是否有摩擦制動的參與，串聯制動控制策略在制動強度較低時車輛所需制動力全部由動力電機再生制動力提供，當再生制動力不能滿足需求時摩擦制動力再參與制動，如圖1所示。

2.2 串聯制動控制策略的制動力分配

采用并聯制動控制策略的汽車，只需將再生制動力疊加在摩擦制動力上，但是采用串聯制動控制策略，再生制動力不再是簡單的疊加。串聯制動控制策略的引進改變原有的前后輪制動力分配，需要對制動力分配進行重新設計。

串聯制動控制策略的制動力分配基于I曲線和ECE法規曲線設計，進而達到制動穩定性和制動效能高的要求。滿足車輛基本制動性能的同時盡可能高的提高制動能量的回收效率。分配曲線如圖2所示，OABC為制動力分配曲線。

所研究串聯制動控制策略在制動強度較低時電機的再生制動力提供車輛的全部所需制動力如圖2中OA段;隨著制動強度的增加，為保證車輛的制動穩定性需要前軸提供制動力，如圖2中AB段;當制動強度較大時，前后軸的制動力分配按照I曲線，后軸的再生制動力不能滿足制動要求，需要摩擦制動作為補充，如圖2中BC段。當緊急制動時再生制動不再發揮作用，制動力全部由摩擦制動提供。

串聯制動控制策略流程圖3所示。

3 基于CRUISE軟件的建模與仿真

3.1?純電動商用車模型的搭建

純電動商用車模型的搭建基于某款純電動汽車，其整車參數如表1所示。

基于CRUISE軟件搭建的純電動商用車模型如圖4所示?？刂撇呗圆捎肧IMULINK搭建，將控制策略編譯成為.dll格式文件，利用CRUISE與SIMULINK聯合仿真。

3.2 仿真結果及分析

為對控制策略進行驗證，將動力電池的初始SOC設置為95%，在NEDC循環工況下對控制策略進行仿真。通過串聯制動控制與并聯制動控制策略對比，串聯控制策略在制動時能夠提供更大的再生制動轉矩，如圖5（a）所示;在制動時采用串聯制動控制策略的模型，制動再生時電機的負載信號也更大，如圖5（b）所示;采用串聯制動策略在SOC放面提升明顯，如圖5（c）所示。

4 結論

本文的研究對象是以后輪為驅動輪的純電動商用車，在進行制動力分配時要依據I曲線和ECE曲線進行分配，保證整車的制動穩定性和制動效能，在此前提下設置串聯制動控制策略，對再生制動能量進行最大限度的回收。

本文所研究的串聯制動控制策略通過CRUISE與SIMULINK的聯合仿真驗證了控制策略的可行性。通過進行一次NEDC循環工況的仿真串聯制動控制策略相較于并聯制動控制策略在SOC方面提升8%。

參考文獻

[1]?le Driven by Electricity and Control-Re-search On Four-Wheel -Motored?“UOT Electric March II”[J].IEEE Transactions On Indus?-trial Electronics，2004，51（ 5） ： 954-962.

[2]?K Maeda，H Fujimoto and Y Hori.?Four-wheel driving-force distribution method for instantaneous or split slippery roads for electric vehicle with in-wheel motors[J].The 18th International Confer- ence on Electrical Machines，2011：1-5.

[3]?溫一鵬，牛志剛.純電動物流車再生能量回收控制研究[J].計算機仿真，2018，35（01）：136-140+213.

[4]?初亮，等.純電動汽車再生制動控制策略研究[J].汽車工程學報， 2016，6（ 4）：244-251.

[5]?龔賢武，張麗君，馬建，等.基于制動穩定性要求的電動汽車制動力分配[J].長安大學學報自然科學版，2014，34（1）：103-108.

[6]?許世維，唐自強，王棟梁，趙軒.電動商用車的串聯制動控制策略[J].甘肅農業大學學報，2016，51（04）：113-120.

[7] 余志生.汽車理論[M].北京：清華大學出版社，2009.