林巨廣， 顧 杰， 余向東

（1.合肥工業(yè)大學 新能源汽車工程研究院，安徽 合肥 230009；2.東風電動車輛股份有限公司 技術開發(fā)部，湖北 武漢 430056）

電動汽車由電機直接驅動車輛行駛，可以在車輛制動時讓電機提供一部分制動力，從而實現制動能量回收的功能。為了盡可能提高電制動力在制動力中所占的比例，大部分研究都對傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)進行了改造，并采取串聯式的制動能量回收策略［1－6］。在實際整車企業(yè)中，為了車輛制動時的安全穩(wěn)定和盡量不增加成本，一般不改動傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，而采用并聯式的制動能量回收策略。因為無法識別路面狀況，為了安全，在電制動力的分配上只有放低閾值，所以制動能量回收的效率不高，在某些極端路況下，可能會出現抱死等不安全情況。

文獻［7］詳盡描述了當前路面附著系數估算技術的發(fā)展現狀。本文根據電動汽車驅動時的特性估算當前的路面狀況，提出了并聯式的電制動力分配策略。

1 路面狀況識別

本文的研究車輛是由電機直接驅動前輪，車輛驅動時前輪受到驅動力矩和摩擦力的作用，會有一定的滑轉，而后輪只在地面摩擦力的作用下做純滾動，此時利用后輪轉速可以計算出車輛速度，從而能得出準確的車輛滑移率。由滑移率與附著系數的關系式與車輪當前的受力情況，計算出幾種典型路面下前輪的角速度變化率，將此角速度變化率與實際檢測到的角速度變化率進行比較，即能估算出當前處于哪種路面狀況。

車輛驅動時，前輪受力如圖1所示［8］。

圖1 驅動時單個前輪受力圖

1.1 驅動輪受力分析

通過受力分析，路面與車輪之間的摩擦力為：

其中，Fd為路面與車輪之間的摩擦力；μ為路面附著系數；Fz為路面對輪胎的支撐力；J為車輪的轉動慣量；ω為車輪的轉動角速度；Tm為車輪受到的驅動力；r為車輪半徑。

1.2 車輛滑移率

其中，λ為車輛前輪滑移率［9］；ω0為后輪角速度。

1.3 路面附著系數

路面附著系數μ為：

其中，C1、C2、C3為某一路面狀況下的對應參數［10］。

1.4 典型路面參數值

本文研究的電動汽車運行范圍為城市及郊區(qū)，包含了車輛不同季節(jié)、不同天氣所遇到的實際路況，即不下雨時的干瀝青路況、下雨時的濕瀝青路況、路面覆蓋積雪路況及路面覆蓋冰的路況。4種路況對應的參數見表1所列［10］。

表1 典型路況參數值

1.5 路面狀況識別模型

由（1）～（5）式，可以求出各種典型路況下前輪的角速度變化率為：

通過前輪實際角速度變化率˙ω與各種典型路況估算出的前輪角速度變化率˙ωn比較，差值最小路況即認為是當前路面的實際情況。

2 電制動力分配

2.1 制動踏板開度設置

并聯式制動力分配策略不改變原有的液壓制動系統(tǒng)，但電制動力的分配需要知道踏板的開度信息，所以在原來的制動踏板中安裝了位移傳感器，用來表明踏板踩下后的開度信息。制動踏板開度為0～100%，制動踏板位移量與開度的對應關系如圖2所示。

圖2 制動踏板開度與位移的對應關系

2.2 電制動力分配約束條件

在附著系數為μ的路面上，車輛的制動力分配應包含在ABCD所包圍的區(qū)域內［9］，如圖3所示。

圖3 電制動力分配約束區(qū)域

（1）圖3中線段1為車輛在當前路面的r線，制動力為：

（2）圖3中線段2為車輛在當前路面的f線，制動力為：

其中，b為車輛質心到后軸的距離。

（3）圖3中線段3為簡化的ECE法規(guī)線，制動力為：

（4）圖3中線段4為傳統(tǒng)車輛上的前、后輪制動力分配線，其制動力之比為：

其中，β為制動器制動力分配系數。

2.3 高附著路面電制動力分配策略

本文提出的電制動力分配策略是在車輛滿足制動回收的條件下，整車控制器根據駕駛員對制動踏板開度的操作，判斷出車輛當前的電制動減速度需求，從而獲得當前應施加的電制動力的大小。高附著路面上車輛制動強度與制動踏板的對應關系如圖4所示。

圖4 高附著路面制動踏板開度與制動強度關系

圖4 中，OEF、OGH分別表示傳統(tǒng)車輛在濕瀝青路面和干瀝青路面下制動踏板開度與制動強度的關系。ABCDEF和ABCDGH 分別描述本文所提出的制動能量回收策略下制動踏板開度與制動強度之間的關系。

（1）制動踏板空行程的利用。在傳統(tǒng)車輛上，駕駛員踩下制動踏板后，由于傳統(tǒng)液壓機械結構的特性，制動踏板達到一定位移后，液壓制動系統(tǒng)才能建立油壓使車輛受到制動力。當制動踏板裝上位移傳感器后，制動踏板有位移變化，且在制動油壓建立前，此時電機施加一定的制動力。考慮到此時的制動踏板開度較小，制動效果不應該過大，此時制動踏板開度與制動強度的關系如圖4中AB段所示。

（2）正常制動時的電制動力分配。據統(tǒng)計，95%的駕駛員在干燥路面上達到的減速度不超過3.5m／s2［11］。由此將制動強度小于0.35的制動定義為正常制動，制動回收效果的好壞取決于在正常制動時電制動力施加的多少。在車輛滿足制動回收條件，制動減速度小于3.5m／s2時，制動踏板開度與制動強度的關系如圖4中BC段所示。

（3）一般緊急制動時的電制動力分配。據統(tǒng)計，在干燥路面上的制動減速度超過6m／s2的情況很少［11］，由此將制動強度大于0.35小于0.6的制動定義為一般緊急制動。當制動踏板開度大于一定值后，表明此時駕駛員需要更大的制動強度，此時車輛若滿足制動回收條件，則加大施加電制動力，制動踏板開度與制動強度的關系如圖4中CD段所示。

（4）嚴重緊急制動時的電制動力分配。若制動強度大于0.6后，駕駛員繼續(xù)增加制動踏板開度，則為嚴重緊急制動。在傳統(tǒng)車輛上，制動強度隨著制動踏板開度的增加，沿著圖4中的線段1上升。以濕瀝青路面為例，在濕瀝青路面上，制動強度到達E點時，前后輪制動力分配線與當前路面的r線相交，前輪將抱死。

隨著制動踏板開度的繼續(xù)增加，制動強度則會沿著EF線增加，達到F點后，前后輪同時抱死。在裝有ABS的車輛上，當出現車輪抱死的情況時，ABS則會啟動。

在嚴重緊急制動時，出于安全性考慮，此時應以液壓制動為主，電制動為輔［4］。此時逐漸減小電制動力的施加，濕瀝青路面上制動踏板開度與制動強度的關系如圖4中DE段所示，干瀝青路面上制動踏板開度與制動強度的關系如圖4中DG段所示，在E點和G點處完全取消電制動力，不再進行制動能量回收。

2.4 低附著路面的電制動力分配策略

在積雪路面和冰面為低附著路面上制動時，無法達到很高的制動強度，為了保證安全，只能輔助進行制動能量回收，具體車輛制動強度與制動踏板的對應關系，如圖5所示。

圖5中，在積雪路面上，傳統(tǒng)車輛的制動強度跟隨制動踏板開度的增加沿著線段1增加，在到達J點時，前后輪制動力分配線與當前路面的f線相交，后輪將抱死，繼續(xù)增加制動踏板開度，制動強度沿JM線增加，到達M點后，前后車輪同時抱死。在積雪路面上，車輛制動強度跟隨制動踏板開度沿著HI、IJ線上升，到達J點后，不再施加電制動力。

圖5 低附著路面制動踏板開度與制動強度關系

在冰面上制動，只能微弱地回收制動能量，車輛制動強度跟隨制動踏板開度沿著HK線上升，到達K點后，不再施加電制動力。

2.5 電制動力表達式

具體施加的電制動力可用（12）式表示：

根據約束條件，線段1和線段2都會觸發(fā)ABS啟動，一旦檢測到ABS工作，則立即停止施加電制動力，在制動回收時需要注意滿足線段3，實際施加的電制動轉矩如（13）式，其中為傳統(tǒng)車輛制動時前輪制動力；為傳統(tǒng)車輛制動時后輪制動力；為后輪制動力為時ECE法規(guī)線對應的前輪制動力；為本文策略下的需求電制動力為滿足電制動力約束條件下的車輛的電制動強度需求；為最終電制動轉矩需求；m為車輛質量；g為重力加速度；r為車輪半徑；i為減速器減速比；η為機械傳動效率。

由（13）式可以推導出本文提出的制動能量回收策略下的電制動轉矩需求。但真實電機所能發(fā)出的制動轉矩還需要根據電機的性能，如果當前需求制動轉矩大于電機所能發(fā)出的轉矩，則制動轉矩為電機當前的最大轉矩，否則按照需求轉矩進行制動能量回收。

因為電制動力是額外施加在原先的制動系統(tǒng)上，與傳統(tǒng)車駕駛比較時，駕駛員會感覺到有制動回收功能車輛的制動性能更強，即在加速踏板開度一致的情況下，具有制動回收功能的車輛比傳統(tǒng)車輛具有更大的制動強度。但是制動時踏板開度的變化與車輛減速度之間的關系，不應該超出駕駛員的接受范圍。

3 仿真結果與分析

根據本文提出的制動能量回收控制策略，考慮了制動能量回收過程中電機性能和電池回收能力的因素，在Matlab／Simulink中搭建了相應的仿真模型。

選擇NEDC路況作為仿真工況，分別按照瀝青路面和積雪路面的制動回收策略進行仿真，NEDC路況、總制動強度及2種路面仿真結果如圖6～圖9所示。

圖6 NEDC路況

圖7 NEDC路況總制動強度

圖8 瀝青路面仿真結果

由圖7可以看出，整個NEDC制動工況下的制動強度并不大，所以無論在干瀝青路面，還是在濕瀝青路面下的制動回收能力都一致，但在積雪路面下，由于策略不同，制動能量回收能力有所區(qū)別。因為瀝青路面的路面附著系數較大，積雪路面的路面附著系數較小，所以積雪路面下電制動力只能起輔助制動作用。

圖9 積雪路面仿真結果

從圖8、圖9的仿真結果可以看出，根據本文提出的策略，在NEDC制動工況下，瀝青路面比積雪路面擁有較大的制動強度，從而回收功率也更大，從電池SOC的仿真結果可以看出，瀝青路面回收的能量更大。

由圖5可以推斷出在冰路面上，制動能量回收能力將更弱，這是為了在盡量回收制動能量下保證行車安全。仿真車輛的質量為1 600kg，根據仿真結果，瀝青路面和積雪路面的制動能量回收率見表2所列。

表2 制動能量回收率

4 結束語

本文從整車廠的角度出發(fā)，提出了并聯式制動能量回收策略，不需要改變傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)。在進行制動能量回收時，為了保證車輛的安全性，必須了解車輛當前的路面狀況，對不同的路面狀況應該有不同的制動能量回收策略。根據車輛驅動特性和典型路面滑移率與路面附著系數的關系，識別出當前車輛所處的路面狀況，對不同的典型路面狀況提出了不同的制動力分配策略。通過仿真分析，驗證了制動力分配策略的可行性，且在該策略下車輛具有較好的能量回收率。

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