張慶永，朱志亮

(福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

城市工況下，車輛制動頻繁，制動消耗的能量占總驅(qū)動能量的一半以上。車輛再生制動可有效防止這部分能量的浪費。再生制動技術(shù)在提升車輛能量利用率、增加車輛續(xù)航里程的同時，可施加電機制動力于主動軸，改善車輛制動性能。該技術(shù)的研究對電動汽車的推廣具有重要意義[1-2]，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了諸多研究。Gurunath K[3]等利用V/F、標(biāo)量控制方法和磁場定向控制等手段實現(xiàn)感應(yīng)電機的再生制動，并提出了同步速度和轉(zhuǎn)子速度之間的理論關(guān)系，實現(xiàn)了驅(qū)動到制動間的模式變化。Xu Z[4]等人研究了電動汽車的制動能量回收控制技術(shù)，緩解了車輛制動時的能量流失，延長了電動汽車的行駛里程。Li Q C[5]等利用AVL Cruise構(gòu)建純電動汽車模型，利用Matlab/Simulink建立制動能量回收控制策略，并在NEDC工況完成聯(lián)合仿真，與無能量回收的車輛相比續(xù)航里程提升了100 km。Biao J[6]等采用優(yōu)化分布算法的再生制動控制策略，利用最佳制動力分布及相關(guān)約束條件，設(shè)計了滿足制動穩(wěn)定性和最大能量回收效率的控制策略，制動能量效率提高了51.9%以上。Kumar M[7]等提出了純電動汽車再生制動系統(tǒng)實施的有效途徑，還提出了優(yōu)化再生制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率方法。Han J[8]等在改善車輛橫向穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，定義了具有約束的成本函數(shù)，以確定電機制動轉(zhuǎn)矩的最佳分布，有效保證再生制動過程車輛的橫向穩(wěn)定性。

目前，大部分學(xué)術(shù)研究還停留在仿真層面，并未考慮實際制動時制動踏板的工作狀態(tài)。本研究以前置前驅(qū)電動車為研究對象，通過分析制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，綜合考慮多種影響因素，測量計算制動力踏板與制動強度的關(guān)系，提出一種基于制動踏板的并聯(lián)制動能量回收控制策略，并對制動踏板無動作的滑行制動能量回收策略進行優(yōu)化，通過實車測試，分別驗證策略的能量回收效果及制動效果。

1 制動能量回收系統(tǒng)分析

1.1 制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

車輛制動慣性帶動電機持續(xù)運轉(zhuǎn)電機反向扭矩產(chǎn)生制動力，提升制動強度的同時，收集制動能量并將其存儲在動力電池中，可實現(xiàn)能量的再次利用[9]。

本研究在傳統(tǒng)交叉式液壓制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于制動踏板開度，在原來機械制動的基礎(chǔ)上增加電機制動。制動控制中心ECU通過采集車輪轉(zhuǎn)速、制動踏板等信號，根據(jù)制動控制策略實現(xiàn)電機反向扭矩的輸出，不僅避免了對傳統(tǒng)液壓制動的改動，還實現(xiàn)了復(fù)合制動增強了車輛制動響應(yīng)速度和能量回收效果[10]。

1.2 整車制動策略分析

車輛常規(guī)制動再生制動策略有兩種：一種是優(yōu)先考慮電機制動的串聯(lián)再生制動，其制動系統(tǒng)較為復(fù)雜；另一種是結(jié)構(gòu)簡單的并聯(lián)再生制動，為電動機制動和傳統(tǒng)液壓制動的疊加，成本較低，易于實現(xiàn)，在半解耦式制動系統(tǒng)中較為常見。

基于并聯(lián)制動分配策略，結(jié)合電動汽車的理想制動力分配曲線，建立能量回收率較高的新型并聯(lián)制動分配策略。本研究的純電動車機械制動力為半解耦式，取前、后軸機械制動力分配系數(shù)β=0.71，通過改變電機制動力大小，使得制動力分配系數(shù)在合理取值范圍內(nèi)變化，在保證制動穩(wěn)定性和安全性的前提下，提出整車制動策略。

2 制動能量回收控制策略

在能量回收過程中，電機制動力受到行駛車速、電池SOC、控制策略等諸多因素的影響，在制定能量回收策略時考慮其運行條件滿足v>10 km·h-1、SOC<90%，并結(jié)合駕駛員制動需求制定出合理的控制策略。

2.1 復(fù)合制動能量回收控制策略

對車輛液壓制動系統(tǒng)進行測量及標(biāo)定，得到制動踏板開度與制動強度關(guān)系如圖1所示。其中，制動踏板開度為0～19%時為機械制動踏板空行程，行駛過程中空行程能夠有效防止制動拖滯和誤觸。之后，為提升制動響應(yīng)速度，在制動踏板開度達到10%時增加電機制動力，增加再生制動后制動踏板空行程為10%。

圖1 機械制動踏板關(guān)系Fig.1 Mechanical brake pedal relationship

在液壓制動基礎(chǔ)上增加電機制動后，隨著制動踏板的踩下，復(fù)合制動能量回收控制策略開始運行。為最大限度回收制動能量，同時保證制動安全，在不同制動強度z下采用不同的制動策略。當(dāng)00.8時，再生制動退出，僅由機械制動進行作用。

根據(jù)ECE制動曲線及前、后輪利用附著系數(shù)[11]，對制動力分配系數(shù)β的范圍進行確定，可求得0.68≤β≤0.86。如圖2所示，在制動強度滿足0.2

圖2 復(fù)合制動前、后軸制動力分配范圍Fig.2 Compound braking front and rear axle braking force distribution range

(1)純電機制動：O-A段，0

(1)

其中，19%為車輛機械制動踏板自由行程；10%為增加電機制動后制動踏板自由行程；α為制動踏板開度；m為車輛整備質(zhì)量；g為重力加速度。

(2)中低復(fù)合制動：A-B段，0.1

Fd=0.1·g·m,(19%<α≤αz=0.2)

(2)

其中，αz=0.2為復(fù)合制動強度為0.2時所對應(yīng)的制動踏板開度。

Fd=

g·m,(αz=0.2<α≤αz=0.6)

(3)

其中，β0為機械制動前、后軸制動力分配系數(shù)，為0.71；z0為原制動踏板開度對應(yīng)機械制動強度。

(4)中高復(fù)合制動：C-D段，0.6

(αz=0.6

(4)

(5)純機械制動：在D點之后的制動過程，z>0.8，屬于緊急制動，通常是汽車發(fā)生危險狀況時的急劇、大強度制動工況，考慮到安全因素，應(yīng)關(guān)閉再生制動系統(tǒng)，完全依靠機械制動，即：

Fd=0，z>0.8

(5)

綜上，將整車參數(shù)帶入式(1)～式(5)中，由制動強度關(guān)系式z=F/mg，可求得總制動強度與制動踏板開度對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。在制動過程中，若電機制動失效，則仍按照虛線中機械制動踏板工作方式進行制動，此時制動力分配仍在安全范圍內(nèi)，故本研究提出的策略具有一定的容錯性。

圖3 復(fù)合制動踏板關(guān)系Fig.3 Compound brake pedal relationship

2.2 滑行制動能量回收控制策略

車輛滑行多發(fā)生在高速行駛工況或城市擁堵路段的低速行駛工況，車輛制動強度較低，屬于中低強度制動(z<0.15)[12]。為減少駕駛員的操作，并增大制動能量回收效率，在車輛滑行過程中進行電機制動，滑行制動減速度小于2 m·s-2，不受 ECE 法規(guī)限制。

(1)選擇優(yōu)化變量

滑行制動時，電機能夠輸出最大制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、電機外特性曲線及SOC影響的電池充電功率有關(guān)[13]，電機提供制動力同踩下制動踏板的電機制動條件相似，即車速v>10 km·h-1，電池SOC<90%。故選取v、SOC、以及回收能量Ereg為優(yōu)化變量，即：

Tc=f(v,SOC,Ereg)

(6)

(2)建立目標(biāo)函數(shù)

為使滑行能量回收效率ηgen最大，設(shè)立目標(biāo)函數(shù)為：

(7)

其中，

(8)

為保護電池，發(fā)電功率不僅受到電機最大發(fā)電功率PEm影響，受電池最大充電功率Pbat影響，如圖4所示。綜合考慮，制動時電機發(fā)電功率P0=min{PEm,Pbat}。則回收最大能量可表示為：

圖4 制動功率限制條件Fig.4 Braking power limitation

(9)

滑行期間消耗的總能量為：

(10)

由于車輛滑行過程中阻力由兩部分組成，分別為行駛阻力Fu和電機制動力Fd，即：

(11)

式中，ηt為傳動效率，φ為滑行坡度，r為傳動半徑，f為滾動阻力系數(shù)，CD為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積。

(12)

(3)建立約束條件

在車輛滑行過程中需對滑行工況的最大減速度a進行限制，由文獻[11]可知滑行制動強度z一般小于0.15，則

(13)

由式(13)(14)可得到制動力矩限制條件：

(14)

(4)優(yōu)化求解

根據(jù)所建立優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件，調(diào)用Matlab中Sheffield遺傳算法工具箱，編寫M文件，設(shè)置各項參數(shù)：種群大小為30，最大進化代數(shù)為50，交叉概率為0.9，變異概率為0.01，個體長度為20，代溝為0.95.

滑行狀態(tài)下不同電機轉(zhuǎn)速對應(yīng)最佳電機制動力矩不同。在不同電機轉(zhuǎn)速下分別取點，計算其對應(yīng)最佳轉(zhuǎn)矩。同時，為確保車輛滑行過程中平緩制動，在轉(zhuǎn)速為3 500 r·min-1時逐漸減小電機制動轉(zhuǎn)矩直至車速為10 km·h-1時制動扭矩為0。最終求得不同轉(zhuǎn)速下的電機制動轉(zhuǎn)矩如圖5所示。

圖5 滑行狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)電機制動力矩Fig.5 Corresponding motor braking torque at different speeds in coasting state

3 再生制動系統(tǒng)試驗與分析

為驗證策略的有效性，對搭載本研究控制策略的車輛分別進行循環(huán)工況試驗和制動工況試驗。數(shù)據(jù)采集過程中，采用USB-CAN設(shè)備接入車輛CAN總線，采集車速、電機制動轉(zhuǎn)矩、踏板行程、電機端輸出電流、電壓等信號，通過CANtest分析采集到的數(shù)據(jù)，對分析結(jié)果進行可視化處理。

3.1 循環(huán)工況測試

在循環(huán)工況試驗中，根據(jù)國標(biāo)GB/T 38146.1-2019《中國汽車行駛工況第1部分：輕型汽車》[14]搭建NEDC和CLTC-P兩種工況的試驗環(huán)境及平臺。其中，試驗質(zhì)量為電動汽車整車整備質(zhì)量與試驗所需附加質(zhì)量的和，其中附加質(zhì)量為100 kg，車輛初始SOC為90%。通過輪鼓試驗，最終所得結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可以看出在制動過程中，SOC有明顯上升；電機反向充電，電流為負(fù)；電機出現(xiàn)負(fù)扭矩，為車輛提供制動。

圖6 CLTC-P循環(huán)工況測試結(jié)果Fig.6 CLTC-P cycle test results

根據(jù)循環(huán)工況下，回收能量對車輛消耗總能量的貢獻程度對該策略進行評價，即：

(15)

其中，δE為車輛節(jié)能貢獻度；Ereg為電機回收能量；Ereg_off為關(guān)掉能量回收所消耗的能量。

經(jīng)計算，NEDC循環(huán)工況下的節(jié)能貢獻度為：

(16)

該工況下，節(jié)能貢獻度均在20%以上，充分說明了控制策略在能量回收方面的有效性。

3.2 制動工況測驗

制動試驗選擇在試驗場分別進行90 km/h時速下的滑行和制動測試。通過控制制動踏板開度模擬滑行、輕度制動、中度制動和重度制動工況，測量不同工況下電機端輸出電流I及電壓U，計算出車輛制動能量回收效率ηgen，即

(17)

其中

(18)

(19)

式中，Ebra為車輛制動過程,車速從v0(t0時刻)到ve(te時刻)除去滾動阻力和空氣阻力消耗的能量。

為驗證基于制動踏板的并聯(lián)制動能量回收控制策略的有效性，將其與車上原來控制策略對比。分別測試在90～10 km·h-1的滑行工況、制動踏板開度為37%的輕度制動工況、制動踏板開度為55%的中度制動工況、制動踏板開度為74%的重度制動工況，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 本文策略制動工況測試結(jié)果Fig.7 Test results of this strategy under braking conditions

對比實驗結(jié)果，由滑行制動測試結(jié)果可以看出，相較于電機制動轉(zhuǎn)矩集中在50 km·h-1以下的原車策略，優(yōu)化后的滑行制動車速變化更為平緩，大大提升了車輛滑行過程的制動舒適性；對比踏板制動的測試結(jié)果，本策略測試中制動踏板盡量與原車策略中制動踏板開度保持一致，優(yōu)化后車輛的制動距離縮短，制動效果顯著提升。由式(17)～(19)計算出制動能量回收效率ηgen，與原來車上的電機制動策略進行對比如表1所示。

表1 不同策略制動效果對比

對比兩種策略發(fā)現(xiàn)，本策略在滑行制動工況制動能量回收效率提升64.07%，輕度制動工況提升36.74%，中度制動工況提升40.71%，重度制動工況提升1.11%。本策略能量回收率遠(yuǎn)高于原來的電機制動策略,從制動距離可以看出本策略對車輛的制動效果也有明顯提高。

分析不同制動踏板開度的工況實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑行時制動能量回收效率提升最明顯；之后隨著整車需求制動轉(zhuǎn)矩變大，機械制動力參與制動、電機制動力所占比例越來越小，導(dǎo)致滑行制動到中度制動時能量回收效率降低；重度制動時，由于制動強度大，制動時間短、制動能量回收效率最低，提升效果也不明顯。

4 結(jié)論

在對某前置前驅(qū)純電動汽車進行制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，充分考慮影響能量回收的制約因素，對車輛進行制動控制策略設(shè)計：在常規(guī)制動工況，當(dāng)制動需求較小時，由前軸再生制動系統(tǒng)提供制動；當(dāng)制動需求較大時前軸液壓制動提供固定制動力，再生制動力輔助滿足總制動力需求；當(dāng)緊急制動時，僅由機械制動提供制動力；在滑行制動工況，以制動能量回收效率為評價指標(biāo)設(shè)立相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)，以加速度和制動力矩為限制條件，計算出電機在不同轉(zhuǎn)速下的最佳制動扭矩。最后，在循環(huán)工況及制動工況下，對所設(shè)計能量回收策略進行試驗分析，結(jié)果表明：該控制策略不僅能提升整車能量利用率，且有助于車輛制動。