辛亞飛 張鐵柱 張洪信 趙清海 侯典平

摘要： 為提高電動(dòng)客車的能量利用率并增加續(xù)駛里程，本文對(duì)負(fù)載隔離式電動(dòng)客車串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)策略進(jìn)行研究。在Matlab/Simulink軟件中搭建控制策略模型，嵌入AVL_CRUISE軟件搭建的電動(dòng)客車仿真模型進(jìn)行聯(lián)合仿真研究，對(duì)串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的制動(dòng)能量回收效果進(jìn)行分析，對(duì)控制策略的合理性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，帶串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)策略的車輛續(xù)駛里程增加了51.51 km，百公里電耗減少了28.02 kWh，制動(dòng)能量回收率達(dá)到25.58%，驗(yàn)證了串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的有效性。該研究為負(fù)載隔離式電動(dòng)客車的研究和開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 負(fù)載隔離; 電動(dòng)客車; 控制策略; 制動(dòng)能量回收; 串聯(lián); 制動(dòng)法規(guī)

中圖分類號(hào)： U461.3; TP273+.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

電動(dòng)汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為緩解全球環(huán)境與能源危機(jī)的重要途徑[1]。青島大學(xué)提出了負(fù)載隔離式電動(dòng)汽車的概念，利用儲(chǔ)能電池存儲(chǔ)和供給主要電能，動(dòng)力電池輔助滿足大功率及大電流的負(fù)載需求，采用自主產(chǎn)權(quán)的拓?fù)潆娐泛涂刂撇呗裕拱l(fā)動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能電池免受車輛負(fù)載變化造成的沖擊，保障發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)工作區(qū)域工作，增大制動(dòng)能回收率，增加汽車?yán)m(xù)航里程[23]。為解決負(fù)載隔離式電動(dòng)客車?yán)m(xù)駛里程短的問(wèn)題，本文主要研究電動(dòng)客車復(fù)合制動(dòng)控制策略。在復(fù)合制動(dòng)控制策略的研究中，張抗抗等人[4]提出串聯(lián)制動(dòng)控制策略，該策略較適用于后輪驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車;張俊智等人[5]針對(duì)混合動(dòng)力城市客車提出了一種串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的控制策略;趙治國(guó)等人[6]提出了一種基于制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（antilock brake system， ABS）液壓制動(dòng)與再生制動(dòng)協(xié)調(diào)控制的電液復(fù)合制動(dòng)控制策略，該策略有效提高了制動(dòng)能量的回收效率;李國(guó)斐等人[7]提出了一種前后輪制動(dòng)力分配的控制策略，充分利用電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大幅提高了制動(dòng)能量的回收;舒紅等人[8]在歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（Economic commission of Europe， EEC）制動(dòng)法規(guī)的基礎(chǔ)上，提出了一種能量管理策略。針對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)駛里程短的問(wèn)題，再生制動(dòng)及控制策略在新能源汽車的研究中非常重要，但目前對(duì)負(fù)載隔離式電動(dòng)客車再生制動(dòng)方面的研究較少?；诖耍疚闹饕獙?duì)負(fù)載隔離式電動(dòng)客車串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)策略進(jìn)行研究，采用Matlab/Simulink軟件和AVL_CRUISE軟件進(jìn)行仿真分析。該研究為負(fù)載隔離式電動(dòng)客車?yán)m(xù)駛里程的增加提供理論依據(jù)。

1 ECE制動(dòng)法規(guī)要求

2 串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

根據(jù)ECE法規(guī)的要求，結(jié)合制動(dòng)力分配系數(shù)、車速、附著系數(shù)及電機(jī)性能等影響因素，本文提出一種針對(duì)負(fù)載隔離式電動(dòng)客車的制動(dòng)力分配控制策略，稱為串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略，該策略由電機(jī)組成的再生制動(dòng)系統(tǒng)和前后輪制動(dòng)器組成的機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的控制。因?yàn)橹挥序?qū)動(dòng)輪才可進(jìn)行制動(dòng)能量回收，也就是在負(fù)載隔離式電動(dòng)客車中，只有后輪才可進(jìn)行制動(dòng)能量回收。在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的前提

本文所提出的串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略基于制動(dòng)力分配方法，即在強(qiáng)度制動(dòng)小時(shí)，將制動(dòng)力分配到后輪，且只有后輪的再生制動(dòng)系統(tǒng)起作用，進(jìn)行制動(dòng)能量回收，制動(dòng)力分配曲線如圖3所示。雖然存在后輪比前輪提前抱死的可能，但在低附著系數(shù)路面φ<0.2上，配備ABS系統(tǒng)的整車允許后輪的利用附著系數(shù)大于前輪[4]，且很多學(xué)者在進(jìn)行后驅(qū)電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收策略設(shè)計(jì)時(shí)均采用該假設(shè);當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度繼續(xù)加大，超出后輪再生制動(dòng)系統(tǒng)作用范圍時(shí)，前后輪制動(dòng)力分配按照r曲線進(jìn)行，如圖3線段AB所示;當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度持續(xù)加大，直到r曲線與I曲線相交時(shí)，此時(shí)前后輪制動(dòng)力分配按照I曲線進(jìn)行，也就是進(jìn)行理想的制動(dòng)力分配，如圖3中線段BC所示。

由串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的制動(dòng)力分配曲線，設(shè)計(jì)控制策略的邏輯圖，控制策略邏輯圖如圖4所示。只有當(dāng)制動(dòng)壓力Brake_pressure>0時(shí)，電動(dòng)客車處于制動(dòng)工況;如果制動(dòng)壓力Brake_pressure=0，說(shuō)明駕駛員沒(méi)有采取制動(dòng)措施，此時(shí)為驅(qū)動(dòng)工況。圖4中，以制動(dòng)踏板開度為輸入信號(hào)，判斷制動(dòng)強(qiáng)度的大小，從而決定選用哪種制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)。

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1時(shí)，由再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)和能量回收，即由電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行制動(dòng);當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z處于0.1～0.61之間時(shí)，計(jì)算電動(dòng)客車的總需求制動(dòng)力Fz，然后按照?qǐng)D3所示的制動(dòng)力分配曲線進(jìn)行前、后輪的制動(dòng)力分配，前輪需求制動(dòng)力全部由前輪的機(jī)械摩擦制動(dòng)力提供，后輪需求制動(dòng)力需要分情況討論。當(dāng)后輪需求制動(dòng)力小于或等于電機(jī)提供的再生制動(dòng)力時(shí)，后輪需求制動(dòng)力全部由電機(jī)的再生制動(dòng)力提供，此時(shí)后輪不提供機(jī)械摩擦制動(dòng)力;當(dāng)后輪需求制動(dòng)力大于電機(jī)提供的再生制動(dòng)力時(shí)，后輪需求制動(dòng)力由電機(jī)的最大再生制動(dòng)力和后輪補(bǔ)充的機(jī)械摩擦制動(dòng)力提供;當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z>0.61時(shí)，屬于大強(qiáng)度緊急制動(dòng)工況，為保證制動(dòng)安全，不采用再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，前后輪制動(dòng)力均由機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)提供。

在控制策略邏輯中，采用哪種制動(dòng)系統(tǒng)還需考慮儲(chǔ)能電池SOC、動(dòng)力電池SOC、車速V及電機(jī)實(shí)際最大再生制動(dòng)力Fm-act。當(dāng)儲(chǔ)能電池SOC和動(dòng)力電池SOC都大于0.8時(shí)，為避免電池過(guò)充，此時(shí)不采用再生制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)力全部由機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)提供;當(dāng)電動(dòng)客車當(dāng)前車速V再生制動(dòng)的最低車速Vmin時(shí)，即車速太低時(shí)，為了降低對(duì)電機(jī)的損耗，不采用再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)力均由機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)提供;當(dāng)儲(chǔ)能電池SOC和動(dòng)力電池SOC至少有一個(gè)小于0.8，且電動(dòng)客車當(dāng)前車速V大于最低車速Vmin時(shí)，計(jì)算電機(jī)實(shí)際的最大再生制動(dòng)力Fm-act，然后根據(jù)后輪需求制動(dòng)力Fbr和電機(jī)實(shí)際最大再生制動(dòng)力Fm-act的大小，分情況討論制動(dòng)力由哪種制動(dòng)系統(tǒng)提供，0.1? ? ?該串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略中，需要特別說(shuō)明：

1） 當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不能滿足客車制動(dòng)需求時(shí)，使用后軸機(jī)械摩擦制動(dòng)力對(duì)客車制動(dòng)需求進(jìn)行補(bǔ)充。

2） 當(dāng)儲(chǔ)能電池SOC<10%，且動(dòng)力電池SOC<20%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，使動(dòng)力電池的SOC維持在20%左右，從而驅(qū)動(dòng)汽車行駛，直至燃油消耗空，汽車停止。

3） 發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率通過(guò)PID模塊控制。PID控制模塊的輸入信號(hào)是需求轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)運(yùn)算和判斷，輸出信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率。

3 負(fù)載隔離式電動(dòng)客車模型搭建和控制策略模型搭建

本文使用AVL_CRUISE軟件對(duì)負(fù)載隔離式電動(dòng)客車建模。AVL_CRUISE軟件是一款具有模塊化建模能力的車輛仿真軟件，集成化的車輛模塊使建模更方便。負(fù)載隔離式電動(dòng)客車模型包括儲(chǔ)能電池模塊、動(dòng)力電池模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、發(fā)電機(jī)模塊、主減速器?？?、差速器模塊及車身電器等模塊，達(dá)到將負(fù)載和發(fā)動(dòng)機(jī)

儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了負(fù)載隔離式電動(dòng)客車的能量提供系統(tǒng)。儲(chǔ)能電池負(fù)責(zé)主要能量的提供，當(dāng)儲(chǔ)能電池放電使SOC降到最低限值時(shí)，由動(dòng)力電池放電提供給電動(dòng)客車需求的能量。負(fù)載隔離式電動(dòng)客車既有儲(chǔ)能電池，又有動(dòng)力電池，其動(dòng)力源分布如圖5所示。

在控制策略模型搭建過(guò)程中，本文使用了Matlab/Simulink軟件對(duì)串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略進(jìn)行模型搭建。Simulink作為集成化軟件，具有強(qiáng)大的建模能力。本文搭建的控制策略模型，包括制動(dòng)力分配模塊、復(fù)合電源管理模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊。該模型共有車速信號(hào)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、駕駛員負(fù)荷率信號(hào)、駕駛員制動(dòng)壓力信號(hào)、動(dòng)力電池SOC信號(hào)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、儲(chǔ)能電池SOC信號(hào)、電機(jī)功率信號(hào)、儲(chǔ)能電池與動(dòng)力電池功率信號(hào)、儲(chǔ)能電池與動(dòng)力電池最大充電功率信號(hào)等12個(gè)輸入信號(hào)，同時(shí)也包括電機(jī)負(fù)荷率信號(hào)、后軸機(jī)械摩擦制動(dòng)信號(hào)、前軸機(jī)械摩擦制動(dòng)信號(hào)3個(gè)輸出信號(hào)，其中又分為發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)、發(fā)電機(jī)開關(guān)信號(hào)、發(fā)電機(jī)負(fù)荷信號(hào)、儲(chǔ)能電池開關(guān)信號(hào)、動(dòng)力電池開關(guān)信號(hào)等。

采用DLL方式對(duì)串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的有效性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證，即建立動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式，實(shí)現(xiàn)AVL_CRUISE軟件和Matlab/Simulink軟件的聯(lián)合仿真，從而對(duì)串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的制動(dòng)能量回收效果進(jìn)行分析[1420]。在傳感器從車輛模型中采集到控制策略模型所需的輸入信號(hào)后，通過(guò)控制策略模型的計(jì)算和邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略所設(shè)計(jì)的要求，輸出信號(hào)即為該策略達(dá)到的控制效果。

4 CITY_CYCLE循環(huán)行駛工況仿真分析

本文所研究的負(fù)載隔離式電動(dòng)客車為后驅(qū)式電動(dòng)汽車，負(fù)載隔離式電動(dòng)客車主要參數(shù)如表1所示。采用中國(guó)城市公交車行駛工況CITY_CYCLE工況作為仿真工況，分別進(jìn)行不帶串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的循環(huán)工況仿真分析和帶串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的循環(huán)工況仿真分析。設(shè)置電池初始SOC值為100%，CITY_CYCLE循環(huán)工況基本參數(shù)如表2所示。假設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的情況下進(jìn)行仿真。

對(duì)續(xù)駛里程進(jìn)行仿真，不考慮串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略時(shí)，續(xù)駛里程為186.00 km;考慮串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略時(shí)，續(xù)駛里程為237.50 km，提高了27.69%。兩種策略的循環(huán)工況電耗對(duì)比圖如圖6所示。由圖6可以看出，不考慮串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略時(shí)，百公里電耗為79.30 kWh;嵌入串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略時(shí)，百公里電耗為51.28 kWh，減少了28.02 kWh。電機(jī)輸出電流對(duì)比如圖7所示。考慮串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)策略的電動(dòng)客車，仿真運(yùn)行時(shí)有回饋電流，不帶串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)策略的電動(dòng)客車，仿真運(yùn)行時(shí)沒(méi)有回饋電流。

此外，進(jìn)行CITY_CYCLE循環(huán)工況仿真分析，對(duì)車輛模型設(shè)置行駛里程，直到電池達(dá)到設(shè)定的最低界限，車輛停止運(yùn)行，仿真制動(dòng)能量回收率。帶策略的車輛模型的動(dòng)力電池，總回收能量為24.77 kWh，總消耗能量為96.85 kWh，制動(dòng)能量回收率為25.58%。

5 結(jié)束語(yǔ)

為提高負(fù)載隔離式電動(dòng)客車的能量利用率且增加續(xù)駛里程，本文基于ECE制動(dòng)法規(guī)對(duì)負(fù)載隔離式電動(dòng)客車的制動(dòng)力分配進(jìn)行分析，提出了一種串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略。在Matlab/Simulink軟件中搭建控制策略模型，嵌入AVL_CRUISE軟件搭建的負(fù)載隔離式電動(dòng)客車模型中聯(lián)合仿真，對(duì)控制策略的合理性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，與不考慮串聯(lián)復(fù)合制動(dòng)控制策略的電動(dòng)客車相比，該策略電動(dòng)客車的制動(dòng)能量回收率達(dá)到25.58%，續(xù)駛里程增加了51.51 km，百公里電耗減少了28.02 kWh，從而驗(yàn)證了該策略的合理性和有效性，解決了負(fù)載隔離式電動(dòng)客車?yán)m(xù)駛里程短的問(wèn)題。該研究為負(fù)載隔離式電動(dòng)客車的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為進(jìn)一步研究負(fù)載隔離式電動(dòng)客車和再生制動(dòng)、復(fù)合制動(dòng)及其控制策略方面的工作奠定了基礎(chǔ)。

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