増程式电动商用车并联制动控制策略研究

许世维，王栋梁，鹿　静

（长安大学汽车学院，陕西西安　710064）

摘　要：针对电动汽车再生制动问题，结合制动约束条件在Cruise与Matlab联合仿真环境下建立整车并联制动控制策略模型，并通过UDC循环工况验证并联制动控制策略的性能。通过仿真验证可知，増程式电动商用车并联制动控制策略能够优化制动力分配，在保证最佳制动性能的前提下最大程度地提高了制动能量回收率，在提高制动性能的同时大大提升了整车经济性。

关键词：汽车工程；増程式电动商用车；并联制动控制策略；制动能量回收

Abstract：For the problems of electric vehicle regenerative braking，aparallel braking control strategy model at Cruise and Matlab co－simulation environment was established under the braking constraints.Then using UDC driving cycle to verify the performance of brake control strategy.The simulation results show that the parallel braking control strategy can optimize the brake force distribution，and maximize the braking energy recovery under ensuring the best braking performance，so the braking performance is improved and meanwhile the vehicle economy is largely enhanced.

Key words：automotive engineering，extended－range electric commercial vehicle，parallel braking control strategy，braking energy recovery

1　引言

由于传统汽车需要消耗大量的化石能源，造成了严重的环境危机和能源危机［1］，因此，电动汽车技术在节能减排、保护环境方面有着明显优势，也得到了各国政府、企业和研究机构的关注与重视。电动汽车再生制动技术是一种利用车辆制动时反拖电机回馈发电从而将制动能量回收到储能装置的技术，在增加电动汽车续驶里程、提高能量利用率方面有着明显的效果。但是现阶段再生制动的研究大多集中在电动乘用车领域，在电动商用车领域的研究还较少［2］。如龚贤武等基于制动稳定性要求和ECE制动法规对某电动轿车制动力分配进行研究，在保证制动稳定性的同时，大大提升了制动能量回收效率［3］。

本文研究的増程式电动商用车在制动时，能够像普通纯电动汽车一样通过电机制动回收制动能量，因此能够明显地提高能量利用率、节能减排［4］，本文研究的増程式电动商用车采用并联制动控制策略，通过建模与联合仿真的方法研究再生制动控制策略的性能。

2　増程式电动商用车并联制动约束条件

2.1　ECE法规制动力分配要求

汽车制动时，前、后轴制动力的分配将影响汽车制动时的方向稳定性和附着条件的利用程度，可能出现前轮先抱死拖滑、后轮先抱死拖滑和前后轮同时抱死拖滑3种情况，其中前后轮同时抱死拖滑是一种理想工况，其对应的前后轮制动器制动力分配曲线称为I曲线，如公式（1）所示。制动力按照I曲线分配时不仅能够保证制动时方向的稳定性，还能提高地面附着系数的利用率［5］。

式中：z为制动强度；La汽车质心至前轴的距离（m）；Lb汽车质心至后轴的距离（m）；hg质心高度（m）。

为满足对制动效能的要求，制动力的分配还必须满足相应的法规。欧洲经济委员会制定的ECE R13法规和我国的国家标准GB　12676－1999都对双轴汽车前、后轮制动系统制动力的分配提出了明确规定：对于φ＝0.2～0.8之间的各种车辆，要求制动强度必须满足z≥0.1＋0.85（φ－0.2）［6］。按照ECE法规要求，得到的本文所研究的后轮驱动増程式电动商用车的制动约束条件为：

作者简介：许世维（1987－），男，长安大学，工学博士研究生，车辆工程专业。

　　　　　王栋梁（1989－），男，长安大学，工学硕士研究生，车辆工程专业。

　　　　　鹿　静（1989－），女，长安大学，工学硕士研究生，车辆工程专业。

2.2　电机再生制动约束

一定转速下，电机再生制动力矩与其发电功率和效率有关，受发电能力限制，再生制动能够产生的最大制动力矩不能超过某一转速和功率下的电机发电能力［7］。再生制动时电机的转矩输出特性与电动状态下的输出特性基本相同，即基速以下恒转矩输出，基速以上恒功率输出：

式中：Pm＿reg为电机再生制动功率（kW）；为基速下电机恒定转矩（N·m）；PN为电机额定功率（kW）；nb为电机基速（r/min），n为电机转速。由于当车辆在较低车速下制动时，电机转速降低，回馈制动的反电动势减小，再生制动能力也随之减小，为了保证制动安全，将500r/min设置为电机回馈制动转速阈值，当电机转速低于该值时，停止再生制动［8］。

2.3　蓄电池约束

蓄电池作为再生制动系统的储能元件，其最大充电电流、最大充电功率、电池荷电状态（State of Charge，SOC）是制约再生制动及能量回收的主要因素。实际应用中，由于再生制动的充电时间较短，其充电电流和充电功率都不能超过蓄电池所允许的最大充电电流和最大允许充电功率［9］。另外，由于过充和过放都会对蓄电池造成不利影响，因此需要对蓄电池SOC运行范围加以限制。本研究所用锂离子电池的SOC运行范围为30%～90%，SOC大于90%时，停止再生制动。对于蓄电池，其充电功率Pbat为：

其中，UOC为开路电压，是电池SOC的函数（V）；R为电池内阻（Ω）；I为充电电流（A）。

3　并联制动控制策略模型构建

3.1　并联制动控制策略原理

图1为并联制动原理图。并联制动系统是按照一个固定比例分配再生制动力和机械摩擦制动力，所以并联制动对传统机械制动系统的改动少，结构简单，只需增加一些控制功能，成本较低，适合于现阶段电动汽车大规模采用。

图1　并联制动系统制动力分配原理

图2　并联制动系统控制原理

并联制动系统的控制过程如图2所示。根据驾驶员的制动命令，电动机控制器确定需要在机械制动之外的电机制动转矩，其大小由液压主缸压力确定。因为电动机制动转矩是电动机转速的函数，所以电动机制动力要根据汽车制动力分配关系、电动机转矩特性、驾驶员的感觉和轮胎与路面附着极限综合确定。

3.2　并联制动制动力分配策略

对于并联式复合制动，目前主要依据制动强度对其制动力进行分配，以使其能在保证车辆稳定性的前提下尽可能多地回收制动能量，具体分配方法如下：

在轻度制动（z≤0.1）和中度制动（0.1＜z≤0.7）时，再生制动力和气压制动力并行实施，其中优先保证电机再生制动力的实施，使得其在保证整车制动性能的基础上尽可能多地回收制动能量。其中在轻度制动或缓速制动的初期阶段，可以通过调节制动器液压作用比例，使得产生的摩擦制动力相对小一些，从而提高电机制动的比例；而轻度制动时一般车速较高，电机的效率也较高，是能量回收的主要阶段。在中度制动强度时，使电机按照其能量最大回馈效率工作，剩余部分由摩擦制动提供。在重度制动（z＞0.7）和紧急制动时可以适当减小电机再生制动力的大小或者终止电机制动，防止车轮过早抱死，保证制动稳定性。

本文所研究的增程式重型商用车是以后轮作为驱动轮，因此需要在安全制动力分配范围内，建立基于后轮驱动的制动力分配策略，该策略能够最大程度地回收制动能量，其具体流程如图3所示。

第一步：根据ECE法规和其他制动稳定性要求，确定安全制动力分配范围，初次分配制动力从而得到车辆的前、后轮制动力分配比例。

本文所研究的增程式重型商用车采用变比例阀气压分配线来代替理想制动力分配曲线，即在理想制动力分配曲线I上选取合适的折点（如图4中A点），使该变比例阀分配线最大程度地趋近于理想的制动力分配曲线。同时，用M曲线的切线GH代替M曲线。再结合ECE法规后轴制动力的上限曲线SQP，最终得到改进的安全制动力分配范围，即图4中右侧未封闭的多边形PQSOGH所包围的部分，该制动力分配范围中的各点均满足制动稳定性要求。

第二步：根据制动强度的大小，判断当前是否处于紧急制动状态，若是，则终止电机制动，开启ABS；若不是，则进入下一步。

第三步：根据蓄电池SOC的当前值和设定的电池主动充电区域范围确定是否可以进行再生制动。当电池SOC超出主动充电区域时，不再进行再生制动，保证充电安全。

第四步：考虑电机和蓄电池对再生制动及能量回收的制约，得到电功率限制下电机能够提供的最大再生制动力。(www.zuozong.com)

第五步：根据第四步计算出的电功率限制下电机能提供的最大制动力（图4中蓝色曲线），再结合第一步中求得的I曲线的近似线OAB，最终得到并联复合制动的制动力分配曲线OCDEBF（图4中红色曲线）。在复合制动过程中，考虑到制动的安全性，当制动强度z＞0.7时，终止电机制动，此时ABS开始工作，其后的制动力分配曲线按照I曲线进行。

3.3　基于Cruise与Matlab/Simulink联合仿真的并联制动模型的建立

图5为基于Cruise与Matlab/Simulink联合仿真的并联制动策略仿真模型。其中，首先需要将利用Simulink建立的并联制动控制策略模型转换成格式为.DLL的文件，再通过Cruise Interfaces中的Matlab DLL组件，将生成的.DLL格式的并联制动控制策略文件动态链接到Cruise整车模型中，并连接其中的各个接口总线，保证输入输出量准确对接［14］。

图3　制动力分配策略控制流程

图4　并联制动制动力分配策略

4　结果及分析

为了验证复合制动控制策略的效果，设定80%为蓄电池初始SOC，采用UDC循环工况验证并联制动控制策略的作用效果，并将采用并联制动控制策略的仿真结果与无能量回收策略的仿真结果进行对比。

由图6可知，不同车速下，除了加速阶段结束时会出现短暂的小幅度超速，其余阶段实际车速均能快速准确地跟随希望车速，从而说明所研究的并联制动控制策略能够较好地满足车辆在行驶时的要求。

图5　基于Cruise与Matlab联合仿真的并联制动模型

图6　UDC工况期望车速与实际车速

由图7和图8可知，随着车速的变化，当车辆处于加速或匀速行驶时，前后制动器均不工作，当车辆处于减速行驶时，前后制动器开始工作，并且其制动压力、制动力矩和制动功率随着车辆制动减速度的不同会发生相应的变化，从而验证了该制动策略的有效性；另外，通过比较前后制动器制动压力、制动力矩和制动功率的数值可知，由于后轴制动器加入了电机制动，后制动器的一部分制动力分配给电机制动，因此后制动器的制动压力、制动力矩和制动功率都比前制动器小。

图7　UDC工况前制动器制动压力、制动力矩和制动功率

图8　UDC工况后制动器的制动压力、制动力矩和制动功率

由图9可知，当车辆处于减速状态时，电机转矩为负，电机处于发电状态，进行制动能量回收，产生负的机械功率；当电机匀速运转时，电机转矩为一较小的正值，用来克服车辆行驶过程中的滚动阻力和空气阻力；整个循环工况电机转矩和机械功率的变化证明了电机回馈制动的有效性。

图9　UDC工况并联制动电机转矩、转速和机械功率

图10　并联制动能量回收与无制动能量回收时电流和SOC消耗比较

由图10可知，采用并联制动策略后，电流在某些时间点时出现正值，即蓄电池处于充电状态，也证明了在减速阶段电机产生了回馈电流，由此验证了并联制动控制策略在制动能量回收方面的有效性，而无能量回收的控制策略中所有的电流曲线都处于负值区域，无回馈电流；在UDC循环结束时刻，采用并联制动策略的蓄电池的SOC降为78.94%，而无能量回收控制策略的SOC则降到78.76%，整个循环工况采用并联制动控制策略时蓄电池的SOC降低程度比无能量回收时少0.18%。

图11　UDC工况并联制动能量回收与无制动能量回收时消耗能量和产生能量比较

图11为UDC工况并联制动能量回收与无制动能量回收时蓄电池释放能量和回收能量的比较，从图中可知，采用并联制动控制策略和无能量回收控制策略时，整车消耗的能量均为5847.59kJ，无能量回收策略回收到蓄电池的能量为0，而采用并联制动控制策略回收到蓄电池的能量为582.56kJ，占总消耗能量的9.96%，从而证明了采用并联制动控制策略能够有效地回收制动能量。

由表1知，在同样的UDC工况下行驶同样距离时，采用并联制动控制策略的增程式重型商用车由于制动能量回收的作用，百公里耗电量减少了14.2723kW·h/100km，下降率为17.93%。因此，采用并联制动控制策略后，由于制动时一部分能量得以回收，增程式重型商用车在UDC工况下行驶的性能得到了大幅度的提升，整车的性能也得到了较大的提升。

表1　UDC工况并联制动策略与无能量回收策略对比

5　结论

本文以増程式电动商用车为研究对象，以保证车辆最佳制动性能和最大限度回收制动能量为目标构建并联制动控制策略，采用Cruise与Matlab联合仿真技术建立整车制动控制策略模型，通过UDC工况验证控制策略的性能。通过仿真验证可知，本文提出的増程式电动商用车并联制动控制策略能够优化制动力分配，在保证最佳制动性能的前提下最大程度地提高制动能量回收率，进而在提高车辆制动性能的同时大大提升整车经济性。由于并联制动时电机制动产生制动力的特性与摩擦制动不同，因此如何通过电子控制装置有效地控制电机制动力将是未来进一步研究的方向。

参考文献

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