新能源商用車再生制動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)研究

周威力 封萬(wàn)程 巨建輝

（一汽解放汽車有限公司商用車開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：純電動(dòng)商用車 能量回收 再生制動(dòng) 控制策略 制動(dòng)力分配

1 前言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)新能源汽車再生制動(dòng)控制策略進(jìn)行了大量研究并取得了顯著成果。Gao等[1]提出3種典型的再生制動(dòng)力分配方法，并針對(duì)不同制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。劉威等[2]基于聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（Economic Commission of Europe，ECE）汽車法規(guī)對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)汽車制動(dòng)力分配的限制作用，將制動(dòng)強(qiáng)度劃分為4個(gè)制動(dòng)區(qū)域，并設(shè)計(jì)了不同的制動(dòng)力分配策略。昌誠(chéng)程等[3]以路面附著系數(shù)識(shí)別為基礎(chǔ)，根據(jù)不同附著系數(shù)設(shè)計(jì)不同的控制策略。李爭(zhēng)爭(zhēng)等[4]設(shè)計(jì)了以車速、動(dòng)力電池荷電狀態(tài)、制動(dòng)強(qiáng)度為輸入變量，以制動(dòng)力分配系數(shù)為輸出變量的模糊控制器，并考慮電機(jī)、電池和制動(dòng)穩(wěn)定性要求，提出了一種再生制動(dòng)控制策略。謝文科等[5]在制動(dòng)力分配時(shí)考慮了制動(dòng)的舒適性，相對(duì)于ECE 法規(guī)線和f線（即后輪沒(méi)有抱死，前輪剛剛抱死時(shí)的前、后地面制動(dòng)力關(guān)系曲線），制動(dòng)力分配曲線分別向上和向左偏移。趙玲等[6]根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度和電池荷電狀態(tài)提出了一種基于模糊邏輯的制動(dòng)力分配控制策略。

目前關(guān)于再生制動(dòng)的研究大多集中于新能源乘用車領(lǐng)域，關(guān)于總制動(dòng)能量更大的新能源商用車的再生制動(dòng)控制策略仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證[7]較少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以某后輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)商用車為研究對(duì)象，提出一種基于電控制動(dòng)系統(tǒng)兼顧制動(dòng)能量回收及制動(dòng)感覺(jué)的控制策略，對(duì)前后軸制動(dòng)力分配、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力分配及協(xié)調(diào)控制進(jìn)行研究，使用AMESim 建立再生制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。經(jīng)模型仿真及實(shí)車驗(yàn)證，采用本文控制策略的車輛能夠較大幅度減少能量消耗，且制動(dòng)過(guò)程平順舒適。

2 再生制動(dòng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及要求

2.1 節(jié)能貢獻(xiàn)度

本文采用節(jié)能貢獻(xiàn)度來(lái)評(píng)價(jià)再生制動(dòng)系統(tǒng)在循環(huán)工況下的節(jié)能效果。在某循環(huán)工況下，給定行駛距離S0，設(shè)無(wú)制動(dòng)能量回收時(shí)電池端消耗的能量為Er_off、有制動(dòng)能量回收時(shí)電池消耗的能量為Er_on，節(jié)能貢獻(xiàn)度δE表達(dá)為[8]：

2.2 沖擊度

新能源汽車制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)共同參與，兩者之間如果不能做到協(xié)調(diào)控制，將會(huì)影響制動(dòng)過(guò)程的平順性。為了評(píng)價(jià)再生制動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程的平順性，本文引入沖擊度這一概念，即減速度變化率。沖擊度越小，平順性越好。研究認(rèn)為[9]，人體在感覺(jué)舒適的范圍內(nèi)所能承受的最大沖擊度為10 m/s3。

2.3 再生制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

博世公司對(duì)協(xié)同式再生制動(dòng)系統(tǒng)提出了如下要求[10]：

a.確定駕駛員的減速度需求；

b.保持與傳統(tǒng)車輛一致的制動(dòng)效能和操作；

c.在考慮穩(wěn)定性、舒適性和制動(dòng)效能的前提下，適當(dāng)?shù)胤峙淠Σ林苿?dòng)力矩與再生制動(dòng)力矩；

d.確定合適的車輛前、后軸制動(dòng)力矩；

e.摩擦制動(dòng)力矩可調(diào)節(jié)。

3 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

為了滿足上述要求，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括制動(dòng)閥、橋控模塊、制動(dòng)器、儲(chǔ)氣筒、制動(dòng)控制器（Brake Control Unit，BCU）、電機(jī)控制器（Motor Control Unit，MCU）、電機(jī)、電池、驅(qū)動(dòng)橋、制動(dòng)器及互相連接的管線路。為了簡(jiǎn)化，省略了供氣系統(tǒng)、防抱死電磁閥、輪速傳感器等結(jié)構(gòu)。

圖1 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

再生制動(dòng)系統(tǒng)的控制原理為：制動(dòng)控制器根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池荷電狀態(tài)、電池當(dāng)前最大允許充電功率等計(jì)算電機(jī)當(dāng)前可提供的最大制動(dòng)力矩；制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)踏板位置及車輛載荷狀態(tài)計(jì)算駕駛員需求總制動(dòng)力，同時(shí)進(jìn)行前、后輪制動(dòng)力分配，之后將后輪制動(dòng)力分為電機(jī)制動(dòng)力和后輪摩擦制動(dòng)力；制動(dòng)控制器通過(guò)氣壓調(diào)節(jié)控制前、后輪摩擦制動(dòng)力，同時(shí)通過(guò)電機(jī)控制器控制電機(jī)制動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)和對(duì)電池的充電。

4 再生制動(dòng)控制策略

本文根據(jù)新能源商用車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)制定了兼顧制動(dòng)能量回收及制動(dòng)感覺(jué)的控制策略，該策略分為2 個(gè)部分，分別是前、后輪制動(dòng)力分配和后輪機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力分配，前者影響車輛在制動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性及制動(dòng)能量回收的效率，后者則影響制動(dòng)能量回收的效率及制動(dòng)過(guò)程的沖擊度。

4.1 前、后輪制動(dòng)力分配

前、后輪制動(dòng)力主要根據(jù)理想制動(dòng)力分配曲線、GB 12676標(biāo)準(zhǔn)以及常用循環(huán)工況減速度分布情況進(jìn)行分配，在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，將制動(dòng)力盡可能多地分配到后輪。

4.1.1 理想制動(dòng)力分配

根據(jù)汽車?yán)碚摚苿?dòng)時(shí)前、后車輪同時(shí)抱死，對(duì)路面附著條件的利用、制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性均較為有利。此時(shí)，前、后輪地面制動(dòng)力滿足理想制動(dòng)力分配曲線，即I曲線：

式中，F(xiàn)bf、Fbr分別為汽車前、后輪制動(dòng)力；G為車輛重力；hg為車輛質(zhì)心高度；b為車輛質(zhì)心至后軸的距離；L為車輛軸距。

4.1.2 最大制動(dòng)能量回收策略的制動(dòng)力分配

為了實(shí)現(xiàn)最大化制動(dòng)能量回收，并且兼顧制動(dòng)穩(wěn)定性，考慮到常用工況下制動(dòng)強(qiáng)度大多在0.15以下，故本文控制策略在制動(dòng)強(qiáng)度0.15 以下時(shí)將制動(dòng)力全部分配到后輪，制動(dòng)強(qiáng)度大于0.15時(shí)前輪制動(dòng)力逐漸介入。本文前、后制動(dòng)力分配具體策略如圖2所示。

圖2 前、后制動(dòng)力分配曲線

將制動(dòng)過(guò)程按制動(dòng)強(qiáng)度大小分為3種類型，分別為OA段、AB段和B點(diǎn)之后。其中AB段為A點(diǎn)與I 曲線之間的水平線段，B點(diǎn)為AB段與I曲線的交點(diǎn)。

對(duì)于OA段，其制動(dòng)控制器制動(dòng)強(qiáng)度較低，將制動(dòng)力全部分配于后輪，其分配公式如下：

式中，z為制動(dòng)強(qiáng)度。

對(duì)于AB段，其制動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較高，需前、后輪共同提供制動(dòng)力，其分配公式如下：

對(duì)于B點(diǎn)之后，按照理想制動(dòng)力分配曲線進(jìn)行分配，其分配公式如下：

式中，a為質(zhì)心到前軸距離。

4.2 后輪機(jī)電制動(dòng)協(xié)調(diào)分配控制策略

后輪總制動(dòng)力分為后輪摩擦制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力。為了充分利用電機(jī)制動(dòng)力，優(yōu)先將總制動(dòng)力分配為電機(jī)制動(dòng)力，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不滿足需求時(shí)，由摩擦制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償。具體可分為如下工作模式：

a.電機(jī)制動(dòng)。后橋所分配制動(dòng)力較小時(shí)，電機(jī)可以獨(dú)立提供后橋所分配制動(dòng)力，此時(shí)電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行制動(dòng)，表達(dá)式如下：

式中，F(xiàn)T為電機(jī)制動(dòng)力；FM為后輪摩擦制動(dòng)力。

b.混合制動(dòng)。后橋所分配制動(dòng)力較大時(shí)，電機(jī)不足以提供后橋所分配制動(dòng)力，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)與摩擦制動(dòng)同時(shí)發(fā)生，表達(dá)式如下：

式中，F(xiàn)Tmax為電機(jī)所能提供的最大制動(dòng)力。

c.摩擦制動(dòng)。當(dāng)電機(jī)由于各種原因無(wú)法提供制動(dòng)力時(shí)，由摩擦制動(dòng)滿足后橋制動(dòng)力需求：

其中，電機(jī)所能提供的最大制動(dòng)力FTmax主要受電機(jī)及電池特性影響。再生制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)產(chǎn)生的電能由電池儲(chǔ)存起來(lái)，所以電機(jī)的發(fā)電功率不能超過(guò)電池最大充電功率，同時(shí)電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）過(guò)高時(shí)也不能使用電機(jī)制動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，電機(jī)不能提供穩(wěn)定的制動(dòng)力矩，同時(shí)電機(jī)此時(shí)的效率也較低，故在電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，也不能使用電機(jī)制動(dòng)。為了避免電機(jī)制動(dòng)力突然退出導(dǎo)致較大的沖擊度，保證制動(dòng)過(guò)程平順舒適，本文引入了電池SOC 影響系數(shù)f(s) 和電機(jī)轉(zhuǎn)速影響系數(shù)f(n)，以控制電機(jī)制動(dòng)緩慢退出：

式中，Tm_max為MCU 發(fā)送的電機(jī)當(dāng)前最大制動(dòng)力矩；TP_max為根據(jù)電池當(dāng)前最大充電功率計(jì)算得出的電機(jī)制動(dòng)力矩；i為傳動(dòng)系速比；R為車輪滾動(dòng)半徑；ηt為傳動(dòng)系效率。

電池SOC影響系數(shù)f(s) 可表示為：

式中，s為SOC當(dāng)前數(shù)值。

電池當(dāng)前最大充電功率PB_max對(duì)應(yīng)的當(dāng)前狀態(tài)下電機(jī)最大制動(dòng)力矩TP_max表達(dá)式為：

式中，ηm為電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下的效率。

電機(jī)轉(zhuǎn)速影響系數(shù)f(n)可表達(dá)為：

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

綜上所述，再生制動(dòng)控制策略主要步驟為：制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制器根據(jù)駕駛員踩踏制動(dòng)踏板行程計(jì)算駕駛員需求的總制動(dòng)力；在滿足整車設(shè)計(jì)要求的前提下，初次分配前、后輪制動(dòng)力；之后將后輪制動(dòng)力分為電機(jī)制動(dòng)力和后輪摩擦制動(dòng)力；當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不滿足要求時(shí)，控制電機(jī)制動(dòng)力緩慢退出，并由摩擦制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，保證車輛平穩(wěn)減速。如果防抱死系統(tǒng)激活，則應(yīng)使電機(jī)制動(dòng)退出，由防抱死系統(tǒng)進(jìn)行控制。

5 再生制動(dòng)控制策略仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的再生制動(dòng)控制策略，根據(jù)所研究車輛的特點(diǎn)建立了基于AMESim 的仿真模型并進(jìn)行了仿真分析。

5.1 仿真模型搭建

基于AMESim 建立再生制動(dòng)仿真模型，如圖3 所示，包含整車模型、駕駛員模型、電機(jī)模型、減速器模型、后橋模型、動(dòng)力電池模型、整車控制器模型、再生制動(dòng)控制模型。其中，整車模型、減速器模型及后橋模型相關(guān)參數(shù)根據(jù)所研究車輛的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，行駛阻力根據(jù)滑行試驗(yàn)確定并通過(guò)查表導(dǎo)入；駕駛員模型主要利用比例積分（Proportional Integral，PI）控制器，以需求車速與仿真車速之差作為輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)油門或制動(dòng)踏板開(kāi)度產(chǎn)生修正力矩，對(duì)需求車速進(jìn)行跟蹤，以消除車速偏差；電機(jī)和動(dòng)力電池模型的相關(guān)性能參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)確定并通過(guò)查表導(dǎo)入；再生制動(dòng)控制模型包含前后制動(dòng)力分配模塊、機(jī)電協(xié)調(diào)分配模塊、電機(jī)最大制動(dòng)力矩計(jì)算模塊，分別與控制策略對(duì)應(yīng)。

圖3 再生制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

5.2 循環(huán)工況仿真

在循環(huán)工況下，車輛頻繁地起步和制動(dòng)，在滿足約束的條件下，再生制動(dòng)系統(tǒng)回收的能量也較大。本文選擇中國(guó)重型商用車瞬態(tài)循環(huán)工況（China World Transient Vehicle Cycle，C-WTVC），與并聯(lián)控制策略進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文控制策略的有效性，仿真結(jié)果如圖4～圖8 所示。其中并聯(lián)控制策略的車輛對(duì)原有制動(dòng)系統(tǒng)改動(dòng)較小，前、后制動(dòng)力按固定比例分配，電機(jī)制動(dòng)力與后輪制動(dòng)力疊加，目前在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。

圖4 循環(huán)工況與模型實(shí)際車速對(duì)比

由圖4可知，實(shí)際車速能較好地跟隨標(biāo)準(zhǔn)車速，兩者變化趨勢(shì)一致且穩(wěn)定，最大誤差為0.42 m/s，說(shuō)明本文建立的仿真模型能根據(jù)再生制動(dòng)系統(tǒng)變化調(diào)整電機(jī)制動(dòng)力與氣壓制動(dòng)力，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，能夠滿足仿真要求。

由圖5 可知，在C-WTVC 循環(huán)工況下，采用本文控制策略，制動(dòng)時(shí)主要采用電機(jī)制動(dòng)，只有在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，氣壓制動(dòng)才會(huì)介入。

圖5 循環(huán)工況下電機(jī)/氣壓制動(dòng)力矩仿真結(jié)果

圖6 中，電機(jī)力矩大于零的部分為驅(qū)動(dòng)過(guò)程，電機(jī)力矩小于零的部分為制動(dòng)過(guò)程。由圖6可知，電機(jī)的制動(dòng)能力得到了較好發(fā)揮，證明本文控制策略能夠充分利用電機(jī)制動(dòng)，較少使用氣壓制動(dòng)。

圖6 循環(huán)工況下電機(jī)工作點(diǎn)仿真結(jié)果

由圖7 可知，與并聯(lián)制動(dòng)控制策略相比，完成相同的循環(huán)工況，本文再生制動(dòng)控制策略下電池SOC較高。

圖7 循環(huán)工況下電池SOC仿真結(jié)果

根據(jù)圖8 電池功率曲線，將電池功率大于0 的部分進(jìn)行積分，得到循環(huán)工況下驅(qū)動(dòng)所消耗的能量，即無(wú)制動(dòng)能量回收時(shí)電池端消耗的能量Er_off，然后將電池功率小于0的部分進(jìn)行積分并取絕對(duì)值，得到循環(huán)工況下再生制動(dòng)系統(tǒng)所回收的能量，即Er_off-Er_on，由此可計(jì)算2種控制策略下的節(jié)能貢獻(xiàn)度，結(jié)果如表1所示。本文控制策略節(jié)能貢獻(xiàn)度達(dá)16.0%，優(yōu)于并聯(lián)控制策略。

表1 節(jié)能貢獻(xiàn)度

圖8 電池功率

5.3 不同制動(dòng)強(qiáng)度工況仿真

選取初速度為60 km/h，制動(dòng)強(qiáng)度分別為0.1、0.3、0.5的工況，對(duì)控制策略進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 不同制動(dòng)強(qiáng)度下車速仿真結(jié)果

由圖10可知，各工況下電池SOC曲線均有所上升，同時(shí)，回收的能量隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增大而減少，這主要是因?yàn)橹苿?dòng)強(qiáng)度較大時(shí)前輪氣壓制動(dòng)參與較多而電機(jī)制動(dòng)參與較少。該現(xiàn)象可從圖11 中得到證實(shí)，與所設(shè)計(jì)的控制策略一致。

圖10 不同制動(dòng)強(qiáng)度下SOC仿真結(jié)果

圖11 不同制動(dòng)強(qiáng)度下電機(jī)/氣壓制動(dòng)力矩仿真結(jié)果

6 再生制動(dòng)控制策略試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的控制策略的有效性及仿真模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行實(shí)車轉(zhuǎn)鼓及道路試驗(yàn)。

6.1 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)驗(yàn)證

將匹配有本文控制策略的純電動(dòng)物流車在底盤測(cè)功機(jī)上按C-WTVC 循環(huán)工況進(jìn)行能量消耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)車速

由圖12、圖13 可知，在試驗(yàn)過(guò)程中，前輪氣室壓力始終為0，這說(shuō)明在循環(huán)工況下，前輪氣壓制動(dòng)始終沒(méi)有參與。后輪氣室只有在車速較低時(shí)才有氣壓，這是由于車速較低時(shí)，電機(jī)無(wú)法提供準(zhǔn)確的制動(dòng)力矩，故需使電機(jī)制動(dòng)退出，氣壓制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，這與電機(jī)/氣壓制動(dòng)協(xié)調(diào)控制的策略一致。

圖13 制動(dòng)氣室氣壓轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果

將圖14 中電池功率曲線進(jìn)行積分，可得循環(huán)工況中，用于驅(qū)動(dòng)消耗的電池能量為10.78 kW·h，再生制動(dòng)回收的能量為1.71 kW·h，由此可計(jì)算節(jié)能貢獻(xiàn)度為15.9%，與仿真結(jié)果相符，也說(shuō)明了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖14 電池功率轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果

6.2 道路試驗(yàn)驗(yàn)證

選取初速度為60 km/h，制動(dòng)強(qiáng)度分別為0.1、0.3、0.5左右的工況，分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖15～圖17所示。

圖15 不同制動(dòng)強(qiáng)度下電池功率道路試驗(yàn)結(jié)果

由圖15可知，在各工況制動(dòng)過(guò)程中，電池均處于充電狀態(tài)，且電池充電的電量隨制動(dòng)強(qiáng)度的增加而減少，與控制策略及仿真結(jié)果一致。

由圖16 可知，制動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，氣壓制動(dòng)參與較少，制動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，氣壓制動(dòng)參與增多，與控制策略及仿真結(jié)果一致。

圖16 不同制動(dòng)強(qiáng)度下電機(jī)制動(dòng)力矩/制動(dòng)氣室氣壓道路試驗(yàn)結(jié)果

由圖17 可知，在制動(dòng)過(guò)程中，減速度變化平穩(wěn)，減速度變化率絕對(duì)值較小，最大僅為3.19 m/s3，符合汽車行駛平順性的要求。這說(shuō)明本文控制策略能夠通過(guò)協(xié)調(diào)控制電機(jī)制動(dòng)與氣壓制動(dòng)使制動(dòng)過(guò)程中車輛保持平順。

圖17 不同制動(dòng)強(qiáng)度下減速度變化率道路試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于后輪驅(qū)動(dòng)新能源商用車的再生制動(dòng)控制策略，設(shè)計(jì)了以制動(dòng)強(qiáng)度、電池SOC、電機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入的制動(dòng)力分配方法，建立了基于AMESim的再生制動(dòng)仿真模型，并進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，仿真及試驗(yàn)結(jié)果證明了控制策略及仿真模型的有效性，在保證制動(dòng)方向穩(wěn)定性的前提下，能夠很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的協(xié)調(diào)工作，最大程度地回收了制動(dòng)能量，在CWTVC循環(huán)工況下節(jié)能貢獻(xiàn)度可達(dá)15.9%。