新能源商用車再生制動控制策略設計研究

摘 要：文章針對新能源商用車再生制動系統，研究了其控制策略的設計方法。先分析了再生制動系統節能貢獻度、沖擊度等評價指標及要求，介紹了再生制動系統的結構及控制原理，重點研究了前、后輪制動力分配策略、后輪機電制動協調分配控制策略等，最后通過仿真和試驗驗證了所提控制策略的有效性。

關鍵詞：新能源商用車 再生制動 控制策略 節能 制動穩定性

0 引言

隨著人們環保意識的提高和對能源消耗的關注，新能源汽車技術的快速發展，新能源商用車也得到了廣泛應用。再生制動作為新能源汽車的重要技術之一，可以有效回收制動能量，提高車輛的續航里程，對再生制動系統的控制策略進行研究和優化，對于提高新能源商用車的性能和競爭力具有重要意義。

1 再生制動系統評價指標及要求

某款新能源廂式貨車具有以下參數，車型尺寸為5995mm（長）×2145mm（寬）×2760mm（高），軸距為3300mm，整備質量2300kg，額定載質量1500kg，前/后軸荷分配為55%/45%，質心位置H=1600mm。懸架采用麥弗遜式獨立懸架（前）和鋼板彈簧非獨立懸架（后），懸架剛度分別為前18000N/m，后12000N/m，懸架阻尼為前1500Ns/m，后1000Ns/m。輪胎規格為215/75R16。配備永磁同步電機，額定功率120kW，最大扭矩320Nm，效率95%。電池采用三元鋰電池，容量60kWh，電壓350V，能量密度160Wh/kg。其他參數包括風阻系數為0.35，滾動阻力系數為0.015，最大爬坡度為20%。

1.1 節能貢獻度

再生制動系統的節能貢獻度是指通過再生制動回收的能量占總制動能量的比例，其表達式為：

上式中，ηr再生制動系統的節能貢獻度，Er再生制動回收的能量，Eb總制動能量。

再生制動系統的節能貢獻度受多種因素影響，不同類型車輛的制動能量回收潛力不同，例如，城市公交車由于頻繁起步和制動，具有較高的再生制動能量回收潛力。駕駛員的駕駛習慣會影響車輛的制動能量回收效率，急加速和急制動會導致更多的制動能量以熱能形式消散。道路狀況也會影響車輛的制動能量回收效率，在擁堵路況下，車輛的制動機會增加，從而提高再生制動能量回收效率。

1.2 沖擊度

再生制動系統在工作時，會產生制動力矩突變，車輛出現沖擊感。沖擊度是指再生制動引起的車輛縱向加速度變化率。其表達式為：

上式中，j為沖擊度，Δa為車輛縱向加速度變化量，Δt為車輛縱向加速度變化時間。再生制動系統的沖擊度受多種因素影響，再生制動控制策略直接影響再生制動系統的制動力矩變化速率，進而影響沖擊度，同時，車輛速度越高，再生制動引起的沖擊度越大。道路狀況也會影響車輛的沖擊度，在光滑路面上，車輛更容易發生制動滑移，會使沖擊度增加。

1.3 再生制動系統設計要求

再生制動系統的設計應滿足車輛制動性能要求，同時整合線控制動技術，最大限度地回收制動能量，降低再生制動系統的沖擊度，提高車輛乘坐舒適性，并確保系統具有良好的可靠性和耐久性，保證系統的正常運行。再生制動系統應能夠滿足制動距離、制動時間、制動穩定性等性能要求，同時能量回收效率應盡可能高，不低于20%，而沖擊度則應盡可能低，不大于3m/s3。此外，再生制動系統還應具有良好的可靠性，故障率應低，并具備良好的耐久性，以滿足車輛的使用壽命要求。在設計過程中，必須確保車輛的安全行駛，同時兼顧節能高效、提高車輛乘坐舒適性、降低故障率和系統成本，以提高系統的性價比。

2 再生制動系統結構及控制原理

新能源商用車再生制動系統主要由以下部件組成，制動閥控制制動液的流向和壓力，實現車輛制動，橋控模塊接收來自制動控制器的信號，控制制動閥的開閉，制動器產生制動力，使車輛減速或停止。儲氣筒儲存壓縮空氣，為制動系統提供壓力源，制動控制器根據駕駛員的制動指令和車輛行駛狀況，計算并輸出制動力分配指令，電機控制器控制電機的運行，實現電機制動。電機將電能轉化為機械能，在車輛制動時作為發電機使用，回收制動能量，電池用于儲存再生制動回收的電能，驅動橋將電機的扭矩傳遞給車輪，驅動車輛行駛，制動器產生制動力，使車輛減速或停止，管路連接各部件，傳遞制動液和壓縮空氣，系統結構見圖1所示。

當駕駛員踩下制動踏板時，制動控制器根據駕駛員的制動指令和車輛行駛狀況，計算并輸出制動力分配指令。制動控制器將指令發送給橋控模塊，橋控模塊控制制動閥的開閉，進而控制制動液的流向和壓力，制動液推動制動器產生制動力，使車輛減速或停止。同時，電機控制器根據制動控制器的指令，控制電機的運行，電機在車輛制動時作為發電機使用，將制動能量轉化為電能，并儲存到電池中。再生制動系統根據制動能量回收的來源，可以分為以下兩種工作模式，若采用純機械制動，當制動能量較小或電機無法工作時，系統采用純機械制動模式，由制動器產生全部制動力。機電混合制動時，當制動能量較大且電機能夠工作時，系統采用機電混合制動模式，由電機和制動器共同產生制動力。根據車輛行駛狀況和制動要求，分配前后輪的制動力，保證車輛制動穩定性，按照制動能量回收需求，控制電機的轉速和扭矩，提高能量回收效率，協調電機制動和機械制動，保證車輛制動安全性和舒適性。

3 再生制動控制策略

3.1 前、后輪制動力分配

理想制動力分配是指在保證車輛制動穩定性的前提下，最大限度地提高再生制動能量回收效率的制動力分配方案。車輛制動時，前后輪的制動力分配應保持在合理的范圍內，防止車輛出現側滑或甩尾等現象，在滿足制動穩定性的前提下，盡可能多地利用再生制動進行能量回收。理想制動力分配可以根據車輛的質心位置、輪胎參數等參數，計算出理想的前后輪制動力分配比例，采用基于滑移率控制的分配方法，通過控制前后輪的制動滑移率，實現理想的制動力分配。最大制動能量回收策略的制動力分配目標是最大限度地回收制動能量，前輪制動力分配系數為1，即前輪采用最大制動力分配，后輪制動力分配系數根據車輛制動穩定性要求進行調整，可采用簡單控制策略，前輪采用最大制動力分配，后輪制動力分配系數固定為一個值，采用自適應控制策略，根據車輛行駛狀況和制動要求，自適應調整后輪制動力分配系數。最大制動能量回收策略的制動力分配具能量回收效率高，控制策略簡單的優點，但可能導致車輛制動穩定性下降。

3.2 后輪機電制動協調分配控制策略

電機制動是利用電機在車輛制動時作為發電機使用，將制動能量轉化為電能并儲存到電池中的過程。可采用轉矩控制策略，根據制動能量回收需求，控制電機的轉矩，也可通過滑移率控制策略，通過控制電機的轉速，使后輪的制動滑移率保持在合理的范圍內。電機制動方式能量回收效率高，制動過程平穩，乘坐舒適性好，但電機成本較高，需要配備電池等儲能裝置，適用于對能量回收效率要求較高的車輛，例如混合動力汽車、純電動汽車。混合制動具有能量回收效率高，制動距離短，制動安全性高，但控制策略復雜，系統成本較高。采用協調分配控制策略，后輪機電制動協調分配控制策略是根據車輛行駛狀況和制動要求，協調分配后輪的機械制動和電機制動，以提高車輛制動安全性和能量回收效率。

4 再生制動控制策略仿真驗證

4.1 仿真模型搭建

為了研究新能源商用車再生制動系統的控制策略，本文基于AMESim軟件建立了整車仿真模型，整車模型用于描述車輛的縱向和橫向運動特性，駕駛員模型來模擬駕駛員的制動操作。電機模型用于對電機的電磁特性和轉矩特性進行描述，減速器模型來描述減速器的傳動比和效率，后橋模型體現后橋的傳動特性，動力電池模型展現動力電池的充放電特性，整車控制器模型負責整車的控制和協調，再生制動控制模型用于再生制動系統的控制。整車模型采用AMESim提供的預定義模型，描述車身的質量、質心和轉動慣量等參數，表示懸架的剛度和阻尼等參數，反映輪胎的縱向和橫向力特性，采用比例積分控制器模擬駕駛員的制動操作，控制目標為車輛的減速度，采用永磁同步電機模型，描述電機的電磁特性和轉矩特性，減速器模型反映減速器的傳動比和效率，后橋模型反映后橋的傳動特性。

4.2 循環工況仿真

采用AMESim軟件按上節建立的仿真模型，對商用車瞬態循環工況進行仿真，評價能量回收效率、制動距離和制動穩定性。并聯控制策略是一種簡單的再生制動控制策略，車輛對原有制動系統改動較小，前、后制動力按固定比例分配，電機制動力與后輪制動力疊加。仿真結果表明，本文控制策略的能量回收效率比并聯控制策略高約10%。這是因為本文控制策略能夠根據車輛行駛狀況和制動要求，優化制動力分配，提高電機制動的利用率。仿真結果表明，本文控制策略的制動距離與并聯控制策略相近，這是因為兩種控制策略都能夠滿足車輛的制動安全要求，制動穩定性比并聯控制策略好，能夠協調機械制動和電機制動，防止車輛出現側滑或甩尾等現象，后輪機電制動協調分配控制策略能夠有效提高新能源商用車的能量回收效率，同時保持良好的制動距離和制動穩定性。

4.3 不同制動強度工況仿真

為了進一步驗證本文提出的后輪機電制動協調分配控制策略的有效性對該控制策略在不同制動強度工況下的表現進行了仿真研究。采用AMESim，根據所建立的仿真模型進行仿真，初速度為60 km/h，制動強度分別為0.1、0.3、0.5，采用能量回收效率、制動距離、

制動穩定性等指標進行評價，具體數據見表1所示。

仿真結果表明，本文提出的后輪機電制動協調分配控制策略在不同制動強度工況下都能夠有效提高新能源商用車的能量回收效率，車輛速度越高，制動沖擊度越大。同時保持良好的制動距離和制動穩定性。

5 再生制動控制策略試驗驗證

5.1 轉鼓試驗驗證

采用底盤測功機，匹配有本文控制策略的純電動商務車，C-WTVC循環工況，試驗指標為能量回收效率、制動距離、制動穩定性。試驗結果表明能量回收效率比并聯控制策略高約10%，控制策略能夠根據車輛行駛狀況和制動要求，優化制動力分配，提高電機制動的利用率。制動距離與并聯控制策略相近，控制策略都能夠滿足車輛的制動安全要求。制動穩定性比并聯控制策略好，能夠協調機械制動和電機制動，防止車輛出現側滑或甩尾等現象。轉鼓試驗結果表明，本文提出的后輪機電制動協調分配控制策略能夠有效提高純電動物流車的能量回收效率，同時保持良好的制動距離和制動穩定性。

5.2 道路試驗驗證

匹配具有此控制策略的純電動商務車，采用封閉測試場地，初速度為60km/h，制動強度分別為0.1、0.3、0.5左右，測試能量回收效率、制動距離和制動穩定性。試驗結果表明，本文控制策略的能量回收效率比并聯控制策略高約10，能夠根據車輛行駛狀況和制動要求，優化制動力分配，提高電機制動的利用率。控制策略的制動距離與并聯控制策略相近，兩種控制策略都能夠滿足車輛的制動安全要求。采用的控制策略的制動穩定性比并聯控制策略好，能夠協調機械制動和電機制動，防止車輛出現側滑或甩尾等現象。

6 結語

本文針對新能源商用車再生制動系統的控制策略進行了研究，提出了一種后輪機電制動協調分配控制策略，能夠根據車輛行駛狀況和制動要求，優化制動力分配，提高電機制動的利用率，進而提高車輛的能量回收效率。控制策略的能量回收效率比并聯控制策略高約10%，制動距離和制動穩定性與并聯控制策略相近，能夠有效提高車輛的能量回收效率，在不同制動強度下，能量回收效率比并聯控制策略高約10%，能夠保持良好的制動距離和制動穩定性，在制動過程中，車輛能夠保持穩定，沒有出現側滑或甩尾等現象。因此，本文提出的后輪機電制動協調分配控制策略是一種有效提高新能源商用車能量回收效率的控制策略，具有一定的應用價值。

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