分布式多輪電驅動車輛回饋制動控制策略研究

張志堅，朱學斌，李 靜，孫亞男，禹東方，李爭爭

（泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000）

0 引言

全電特種車輛是一種可以裝配電炮系統、電裝甲系統的且將戰場管理系統、火控系統和防護系統等作為節點搭接在綜合信息網絡系統中的，同時連接“頂層”戰術網絡的特種車輛。這種全電特種車輛是以電傳動和全電化為基礎的，能夠與其他陸地與空中平臺組成一個網絡作戰系統，進行協同作戰，從而成倍的增強其戰斗力[1-3]。分布式多輪電驅動特種車輛多數是一種并聯式能量互補形式，可以分別由柴油機發電系統和高功率型磷酸鐵鋰動力電池同時或者分別為整車提供能量從而驅動車輛行駛，由于采用的是電驅動，所以能夠省去一些結構復雜、重量大且空間占比較大的機械件，布置也趨向靈活簡單化[4]。國外，尤其是西方國家，在上世紀末期提出了以電驅動、電炮、電裝甲為典型特征的“全電化坦克”概念，并設想以“通用平臺+任務模塊”的模式構建新型作戰系統。國外相關的特種車企業，例如美國AHED、瑞典SEP、南非CVED等已經研發出相應的一體式全電動驅動車輛[5-8]；目前國內在電驅動車的電機驅動系統方面也做了很多驗證性研究，其中清華大學杜榮華等[9]對分布式電驅動汽車的電驅動系統進行了研究，提出了一種電動汽車以路面附著為基礎的再生制動與液壓制動ABS共同作用協調的控制方法；北京理工大學孫曉坤[10]則以快速原型開發平臺和自動代碼生成技術為基礎，搭建了分布式驅動系統的通信網絡的軟硬件平臺，以此展開對電驅車電機驅動系統的研究。目前國內高校研究僅處于理論模型階段，因此，公司設計了6×6分布式輪轂電機驅動電動裝甲車，為分布式驅動車輛各個功能控制算法提供可以驗證其可靠性和正確性的試驗車輛。

本文主要通過對6×6分布式電驅車輛驅動系統工作特點的分析，根據駕駛員的操控意圖，對整車多輪分布式電驅動系統的制動能量回收進行了研究。分析了車輛在不同行駛工況下，制動能量回收所采用的不同的控制方式，從而達到車輛全地形操控的目的，為后續特種電動車輛在電驅動系統的研究奠定基礎。

1 再生制動理論分析

1.1 電動汽車再生制動原理

電驅動汽車的制動性顧名思義是指汽車行駛過程中在短距離內停車且能夠維持行駛方向穩定性和在下長坡過程中能夠維持一定車速的能力[11]。再生制動又稱再生回饋制動，工作原理是在駕駛員踩制動踏板時，汽車行駛慣性產生的能量通過傳動系統給到驅動電機，此時驅動電機控制器會給驅動電機一個負扭矩，驅動電機作為發電機進行工作，使驅動電機轉子軸上的動能轉變為電能，通過電機控制器中的逆變器的反向二極管回流到直流側，從而給動力電池進行充電，實現制動能量的回饋利用[12]。同時產生的驅動電機反向扭矩又可以通過傳動系統對驅動輪施加制動力，與機械制動共同作用達到剎車效果。這樣不僅會使制動器的負擔減小，而且可以通過能量的雙向流動達到節能減排的目的。

再生制動系統制動力分配一般分為疊加式和協調式。疊加式顧名思義是將電機的回饋制動力直接在原本的摩擦制動力上進行疊加；協調式是優先使用電機制動力，同時調節摩擦制動力，是兩者制動力在滿足車輛總體制動力需求的情況下進行合理分配[13]。本文采用的是基于協調式的再生制動控制策略，在車輛進行制動時，駕駛員通過踩踏制動踏板然后獲得所需的制動扭矩，此時如果再生制動扭矩滿足整車所需要的制動力，則摩擦制動不參與；如果再生制動扭矩無法滿足整車所需要的制動力，則不足的部分需要摩擦制動進行補償。

1.2 6×6分布式電驅車輛回饋制動工作原理

車輛采用混合動力輪轂電機驅動方式，6個車輪分別由對應的6個輪轂電機驅動，每個電機均可獨立控制。按動力模式可分為混合動力驅動即發動機-發電機和電池共同供電、電池單獨驅動和發動機-發電機單獨驅動3種模式。按制動方式，可分為再生制動、再生制動+能耗制動、再生制動+能耗制動+機械制動、機械駐車制動等4種制動模式。圖1所示為分布式電驅車輛總體架構。

圖1 分布式電驅車輛總體架構

該型號分布式電驅車輛在一般行駛工況時，動力由輸出功率為405 kW發動機輸出、經增速機增速降扭后驅動一臺400 kW三相永磁同步發電機、可以產生530 V三相交流電；交流電經過一體化電源控制平臺整流為750 V直流電、而后與750 V、60 Ah動力蓄電池共同向110 kW電機集成驅動控制器提供直流電；電機集成驅動控制器將直流電逆變為可控的交流電分別驅動6個輪轂電機；6個輪轂電機通過減速器將動力傳遞給對應的車輪。通過獨立控制輪轂電機的驅動和制動轉矩，可以實現車輛加速、制動、轉向、滑行等各工況下的高機動行駛性能，并能有效地吸收再生制動能量。車輛制動時具有電機再生制動、制動電阻能耗制動和機械制動等多種模式，滿足車輛正常行駛回饋制動、下長坡制動、高速緊急制動和駐車制動等多種工況要求。

2 整車電制動控制策略

該三軸車輛有3種驅動型式：6×6、6×4、6×2，整車控制器會根據不同的驅動形式，輸出不同扭矩命令值，單輪扭矩命令值受限于輪轂電機的峰值扭矩，表1所示為輪轂電機和動力電池的參數。

表1 輪轂電機和動力電池參數表

整車控制系統根據車輛實際使用工況分為滑行制動方式、機電混合制動方式和長坡行駛能量回饋+能耗制動方式。本文主要研究電制動的工作情況。

電機根據轉速不同可以分為恒轉矩區域和恒功率區域，電機限制下的輪轂制動力如下：

式中：Fmmax為電機能夠提供的最大再生制動力；n為電機的轉速；Tmax為電機最大轉矩；PN為電機額定功率；r為車輪半徑；N為電機額定轉速；ig為變速器傳動比；i0為主減速器傳動比。

電池限制下的最大功率為：

電池最大充電功率限制下的最大電機制動力為：

式中：Imax為電池最大充電電流；Umax為電池的最大充電電壓；R為電池內阻；Voc為電池的端電壓。

電制動的制動能量主要與動力電池的剩余荷電量、車速、駕駛員意圖即制動踏板開度、動力電池的最大充電電流以及電機轉速有關。而該電驅動特種車輛電制動原則是整個車輛系統制動系統產生的回饋能量回收效率受限于當前整車動力電池的剩余電量SOC，車輛在進行制動時，動力電池能量管理系統將動力電池的SOC值發送給整車控制器，整車控制器對剩余荷電量SOC進行判斷：當剩余荷電量大于0.8時，不允許進行電制動即取消制動能量回收，整車控制發送給電機控制器的電制動扭矩為0；當剩余荷電量小于0.8時，允許進行電制動，且制動能量回收受動力電池允許的最大充電電流、車速、制動踏板開度及電機轉速的制約。

根據分析，整車電制動能量回收過程中會受到很多電氣部件與機械部件限制，其中電機制動扭矩和電池吸收能量的限制最為重要。電機最大再生制動力越大，在制動力分配時電機制動力占的比例越大，回收的再生制動能量也就越多。

電驅動特種車輛在行駛過程中有很多的行駛工況，此時僅依靠電制動是不可行的，需要電制動和機械制動進行協調作用。車速是影響電制動和機械制動分配的關鍵因素，該電驅動特種車輛在電制動和機械制動協調配合時的分配原則：當車輛行駛車速在60 km/h及以上時，為了保護機械制動器，只讓驅動電機參與制動，而機械制動不參與工作；當車輛行駛車速在60～5 km/h范圍內時，電制動和機械制動均參與工作，電制動以允許的最大的制動強度進行工作，而制動踏板行程中電制動行程除外的剩余的部分行程對應的制動力全部由機械制動承擔；當車輛行駛車速低于一定車速時，電制動幾乎不參與工作，此時制動踏板行程對應的的制動力全部由機械制動承擔。如圖2所示為整車電制動控制流程。

圖2 整車電制動控制流程

3 整車電制動建模仿真與實驗分析

根據上一章整車電制動控制策略的要求，在Matlab中搭建了整車驅動系統控制模型，使用SIMULINK和State flow狀態機進行控制邏輯創建，圖3所示為整車驅動系統控制模型。

圖3 整車驅動系統控制模型

圖4所示為制動系統模型，電驅車輛制動扭矩輸出根據當前駕駛員制動踏板開度和電機轉速查表獲得，圖5所示為制動扭矩控制規則，制動扭矩分配表的制表根據電池輸入功率和電機本體的外特性曲線得來，根據機械制動和電制動結合，符合整車制動距離的要求。

圖4 制動系統模型

圖5 制動扭矩控制規則

使用Test Harnesses進行仿真測試，進行同一轉速下，制動踏板不同開度和同一開度，不同轉速下，電機控制器回饋的能量仿真。圖6所示為制動能量回收測試仿真圖。分析可知：制動踏板開度以10%為遞進數值，從制動開度0到100%情況下，電機轉速為從0 r/min到5 000 r/min下，產生不同制動功率，圖中數值顯示的是轉速在2 000 r/min情況下，電機制動回饋的電功率依次為12.6 kW到72 kW，均在電池允許的充電功率范圍內。

圖6 制動能量回收測試仿真

將搭建的整車電驅動控制模型通過快速原型開發平臺和自動代碼生成技術將源代碼燒錄到整車控制器中，并在該6×6電驅動特種車上進行實車測試。試驗測試圖如圖7所示。分析可知：6×6分布式電驅車輛在某山區進行了越野路面下坡電制動能量回收試驗，在車輛速度為60 km/h時，進行了40%電制動測試，瞬間回饋電流達到20 A以上的電流，車速在電制動和機械制動同時作用下，可以起到剎車制動效果。

圖7 實車測試試驗數據

4 結束語

（1）多輪分布式電驅動特種車輛在進行電制動能量回收過程中將會有多因素的制約，這些因素包括動力電池的剩余荷電量、車速、駕駛員意圖即制動踏板開度、動力電池的最大充電電流以及電機轉速。其中電機的允許的最大制動強度、動力電池的剩余荷電量和允許的最大充電電流是最關鍵的因素。

（2）單一的電制動和機械制動都無法使車輛的制動效果達到最優，需要將電制動和機械制動進行協調配合，其中協調控制策略尤為重要，本文分析為后續分布式電驅動特種車輛制動能量回收策略的研究奠定基礎。