楊 昭，張 榮，李天闖

某插電式混合動力客車再生制動控制策略研究

楊 昭，張 榮，李天闖

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

插電式混合動力汽車既可用電網(wǎng)充電，又可使用發(fā)動機動力，是目前解決能源短缺和環(huán)境污染的重要車型，而再生制動能量控制策略作為插電式混合動力汽車的關鍵技術之一，決定著車輛制動能量的回收能力。文章通過介紹某混合動力客車的傳統(tǒng)氣壓制動和再生制動系統(tǒng)，對再生制動結構及工作原理進行研究，并針對某款混合動力客車，進行再生制動計算分析，提出了一種通過前、后輪均裝有比例繼動閥的合理分配機械及再生制動的制動力分配方案，既可滿足汽車空、滿載ECE制動法規(guī)，又能實現(xiàn)最大限度的制動能量回收控制策略。

插電式混合動力汽車；再生制動；控制策略

近幾年，在“雙碳”目標的引導下，新能源汽車的發(fā)展很受重視[1]，2022年我國新能源汽車爆發(fā)式增長，產(chǎn)銷分別為705萬輛和688萬輛。一方面受路況及氣溫影響，純電動汽車的續(xù)駛里程始終無法滿足駕駛員預期[2]；另一方面，由于當前電池技術仍未取得重大突破，這也制約了純電動汽車的快速發(fā)展[3]。在此背景下，混合動力成為一種具有明顯優(yōu)勢的技術路線。在混合動力汽車制動設計時，?？紤]再生制動技術的應用，把本應轉化為熱能消耗的機械能轉化成電能，加以儲存供車輛驅(qū)動使用[4]。但不是所有能量都可回收，如制動需求過大，再生制動將無法滿足制動需求，需機械制動介入時會有一部分能量損失[5]。因此，在選取再生制動控制策略時，應在制動系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的前提下，盡可能多地回收制動能量[6]。

針對再生制動能量回收控制策略，專家學者從不同的角度對其進行了研究。徐海彤等[7]針對某款前驅(qū)純電汽車，設計了一種查表式再生制動控制策略，仿真結果顯示制動能量回收可達18%。徐向明[8]提出根據(jù)控制單元收集的各方面信息，綜合考慮驅(qū)動電機的最大制動力矩、電池的最大充電功率、當前電池的充電狀態(tài)等因素，通過再生與機械制動系統(tǒng)實現(xiàn)機電復合制動的一種控制策略。薛金紅等[9]針對車輛設計了雙模糊邏輯控制策略，分別對前后軸之間的制動力及前軸再生制動與機械制動的制動力進行了合理分配，同時兼顧了車輛的制動穩(wěn)定性及再生制動能量的回收效率。

上述研究主要集中在乘用車，但公交客車與乘用車的使用工況差別較大，因此，需設定一種更符合公交客車的再生制動能量回收控制策略。本文提出一種在滿足空、滿載ECE R13制動法規(guī)分配界限的前提下，前、后輪裝有比例繼動閥的再生制動系統(tǒng)的混合動力再生制動控制策略，在確保制動穩(wěn)定性的前提下，合理進行再生制動與機械制動之間的制動力分配，以使盡可能多地回收再生制動能量。

1 帶比例繼動閥的制動力分配策略

混合動力車型開發(fā)過程中的重點就是對再生制動系統(tǒng)的研究，而再生制動控制策略的核心則是制動力分配。前、后輪制動力分配會影響著車輛制動穩(wěn)定性，而再生制動力則決定著可回收再生制動能量有多少[10-11]。

在設計的混合動力車輛制動系統(tǒng)管理策略時，有兩個原則：1）在再生和機械之間分配制動力時，要盡可能多地進行制動能量回收；2）在前、后輪上分配制動力時，要符合理想制動力分配曲線，保證汽車制動穩(wěn)定性良好[12]。

車輛制動時，要在滿足制動安全性和制動法規(guī)的前提下盡可能多地回收制動能量，來給動力電池充電，降低車輛的燃油消耗，提高其續(xù)駛里程，并減少尾氣排放?；旌蟿恿ζ囋偕苿涌刂七^程如圖1所示。

注：SOC：荷電狀態(tài)（State of Charge）；ABS：防抱死制動系統(tǒng)（Antilock Brake System）。

制動時，通過采集踏板位移信號，把駕駛員的制動需求傳輸?shù)娇刂破麟娮涌刂茊卧‥lectr- onic Control Unit, ECU），再由輪速傳感器和電池荷電狀態(tài)信號來計算出此時電機能回收的扭矩和功率的大小，從而匹配出實際再生制動力矩的數(shù)值。同時根據(jù)制動踏板信號由控制器ECU算出當前所需的制動力，再將實際的再生制動力矩和所需制動力矩進行比較。如再生制動力矩大于駕駛員制動需求，可采用減小輸出電流的方法來降低再生制動的扭矩；如果小于制動需求，再由控制器發(fā)指令來控制機械制動來參與制動，并對駕駛員制動需求與實際制動力矩大小實時監(jiān)控。保證在制動過程不產(chǎn)生較大減速度，使輸出的制動力矩與駕駛員的制動需求相符合，提高車輛的操縱性和舒適性，同時滿足安全和燃油的經(jīng)濟性。

2 某款混合動力客車再生制動控制策略

本文研究的某款插電式混合動力公交客車的主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 汽車原始數(shù)據(jù)

參數(shù)名稱數(shù)值 整車最大總質(zhì)量/kg16 000 空氣阻力系數(shù)0.62 迎風面積/m22.4×3.0 滾動阻力系數(shù)0.01 交流電機及控制器的平均效率0.8（估算值） 傳動效率0.9 輪胎半徑/m0.47 主減速比5.13 各擋傳動比6.43, 4.18, 2.53, 1.54, 1.00

表2 車輛整車參數(shù)

載荷情況總質(zhì)量/kg軸距/mm質(zhì)心高度/m質(zhì)心距前軸距離/m質(zhì)心距后軸距離/m 滿載16 0005 5001.13.332.17 空載13 5005 5000.92.52.5

基于理論分析，可以提出混合動力公交客車在滿足ECE R13制動法規(guī)的范圍內(nèi)，最大限度回收制動過程中的慣性能量的再生制動控制策略。根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)在空、滿載情況下做出前、后軸制動力分配界限，如圖2所示。

下面以某款混合動力客車為例，再生制動控制策略具體討論如下：

1）當需求制動力r≤1.35×104N（即圖2中的點）時，由于此時的制動強度比較小，需求制動力就可以全部由后軸制動力提供，前軸地面制動力就為零。

圖2 ECE法規(guī)要求的前、后軸制動力分配界限

此時電機再生制動和氣壓摩擦制動分配策略分兩種情況討論：

①當rego≤r時，此時電機的最優(yōu)再生制動力小于等于駕駛員需求制動力。由于此時制動強度很小，應首先選擇由再生制動提供制動力，完成制動過程，剩下的制動力由后輪的摩擦制動力提供。

其中

此時再生制動力：reg=rego；后輪摩擦制動力為：u2=r-rego；前輪摩擦制動力為：u1=1。

式中，rego為當前轉速下電機的最優(yōu)再生制動力；r為駕駛員需求制動力；u1、u2分別為前、后輪上的摩擦制動力；mo為當前轉速下電機的最優(yōu)轉矩。

②當rego＞r時，此時電機的最優(yōu)再生制動力大于駕駛員需求制動力。為提高能量的回收效率，車輛制動力就全部由電機提供，讓再生制動力使車輛達到減速制動的目的，而前、后輪的摩擦制動力均為零。

2）當1.35×104N＜r≤1.98×104N（即圖2中的點）時，為了制動時不給前軸造成沖擊，制動力的分配應該為（1.98×104N為制動強度為0.15時空載所需制動力）：

式中，X1、X2分別為前、后輪地面制動力。

此時電機再生制動和氣壓摩擦制動的分配策略分兩種情況討論：

①當rego≤r時，此時電機的最優(yōu)再生制動力小于駕駛員需求制動力。由于制動強度很小，仍然首先采用由再生制動提供制動力，剩下的制動力由后輪的摩擦制動力提供。

②當rego＞r時，此時電機的最優(yōu)再生制動力大于駕駛員需求制動力。為提高能量回收率，后軸制動力全部發(fā)電機提供再生制動力來完成，剩下的制動力由前軸的氣壓摩擦制動力提供。

3）當1.98×104N＜r≤3.97×104N（即圖2中的點）時，需求制動力r=X2+X1為斜45°的直線，該直線與ECE法規(guī)分配制動力的交點的縱坐標的上、下限分別為b1、b2，為了能最大限度的回收能量且滿足在ECE制動法規(guī)范圍之內(nèi)，前后制動力分配為（3.97×104N為制動強度為0.3時空載所需制動力）：

其中

b2=-2(+0.08)(+×g)/

式中，2為車輛空載時重力；為空載時的制動強度；、為空載時質(zhì)心到前后軸距離；g為空載時的質(zhì)心高度；為軸距。

此時電機再生制動和氣壓摩擦制動分配策略分三種情況討論：

①當rego≤b2時，由于最優(yōu)再生制動力超出ECE法規(guī)范圍，故將后輪的再生制動力降為rego，剩下的后軸制動力由氣壓制動提供，前輪制動力不變。

②當b2＜rego≤b1時，優(yōu)化的再生制動力在ECE制動法規(guī)范圍內(nèi)，故再生制動力由優(yōu)化再生制動力提供，剩余后軸制動力由氣壓制動力提供。

③當rego＞b2時，優(yōu)化再生制動力較超出ECE制動法規(guī)，故后軸制動力完全由再生制動力提供。

4）當3.97×104N＜r≤5.29×104N（即圖2中的點）時，此時的控制策略與前一種類似，與ECE法規(guī)可行域的交點上下限的縱坐標為b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后軸制動力分配應按后軸制動力最大的實施分配。（5.29×104N 為制動強度為0.3時滿載所需制動力）

則

其中，

此時電機再生制動和氣壓摩擦制動分配策略分三種情況討論：

①當rego≤b2時，由于優(yōu)化再生制動力超出ECE制動法規(guī)范圍，故將再生制動力降為rego，剩下的后軸制動力由氣壓制動提供，前輪制動力不變。

②當b2＜rego≤b1時，優(yōu)化再生制動力在ECE制動法規(guī)范圍內(nèi)，故后軸制動力優(yōu)先由再生制動力提供，后軸剩余制動力由氣壓制動提供。

③當rego＞b2時，優(yōu)化再生制動力較超出ECE制動法規(guī)，故后軸制動力完全由再生制動力提供。

5）當5.29×104N＜r≤7.06×104N（即圖2中的點）時，此時的控制策略與前類似，與ECE法規(guī)可行域的交點上下限的縱坐標為b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后軸制動力分配應按后軸制動力最大的實施分配。式中7.06×104N為制動強度0.8時空載所需制動力。

此時的電機再生制動和氣壓摩擦制動分配策略分三種情況討論：

①當rego≤b2時，由于優(yōu)化再生制動力超出ECE制動法規(guī)范圍，故將再生制動力降為rego，剩下的后軸制動力由氣壓制動提供，前輪制動力不變。

②當b2＜rego≤b1時，優(yōu)化再生制動力在ECE制動法規(guī)范圍內(nèi)，故后軸制動力優(yōu)先由再生制動力提供，后軸剩余制動力由氣壓制動提供。

③當rego＞b2時，優(yōu)化再生制動力較超出ECE制動法規(guī)，故后軸制動力完全由再生制動力提供。

6）當7.06×104N＜r≤14.11×104N時，此時控制策略與前類似，與ECE法規(guī)可行域的交點上下限的縱坐標為為b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后軸制動力分配應按后軸制動力最大的實施分配。（14.11×104N為制動強度為0.8時滿載所需制動力）

則

其中，b1=0.355×r+1.27。

此時為了更方便地求解可行域的上限，可以用直線：

代替可行域的上限，可推導出以下結果：

此時電機再生制動和氣壓摩擦制動分配策略分三種情況討論：

①當rego≤b2時，由于優(yōu)化再生制動力超出ECE制動法規(guī)范圍，故將再生b1-rego制動力降為rego，剩下的后軸制動力由氣壓制動提供，前輪制動力不變。

②當b2＜rego≤b1時，優(yōu)化再生制動力在ECE制動法規(guī)范圍內(nèi)，故后軸制動力優(yōu)先由再生制動力提供，后軸剩余制動力由氣壓制動提供。

③ 當rego＞b2時，優(yōu)化再生制動力較超出ECE制動法規(guī)，故后軸制動力完全由再生制動力提供。

7）當r≥14.11×104N時，此時系統(tǒng)會判斷出車輛需要緊急制動工況，再生制動就會停止工作，啟動防抱死制動系統(tǒng)工作保證制動的安全性。

3 結論

本文以某款插電式混合動力客車為研究對象，分析了氣壓機械制動與再生制動相配合并結合ABS技術的制動系統(tǒng)，研究得出該車型電機再生制動力矩的大小與前、后軸氣壓摩擦制動力矩的大小。提出了在滿足空、滿載制動ECE法規(guī)安全制動的前提下，進行最大制動能量回收的控制策略。該策略可進行制動能量最大程度的回收，實現(xiàn)了混合動力汽車低油耗，低排放以及獲得平穩(wěn)駕駛性能和舒適性的目標。

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Research on Regenerative Braking Control Strategy ofa Plug-in Hybrid Electric Bus

YANG Zhao, ZHANG Rong, LI Tianchuang

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

Plug-in hybrid electric vehicle can use both power grid and engine power. At present, it is an important vehicle to solve energy shortage and environmental pollution. Regenerative braking energy control strategy, as one of the key technologies of plug-in hybrid vehicle, determines the ability of vehicle to recover ability.This paper mainly describes the traditional pneumatic braking and regenerative braking system of a hybrid electric bus. The structure and working principle of regenerative braking are studied, and the calculation and analysis of regenerative braking are carried out for a hybrid electric bus. A braking power distribution scheme of rational distribution of mechanical and regenerative braking with proportional relay valves installed in front and rear wheels is put forward, which not only meets the ECE braking regulations of vehicle at empty and full load, but also achieves the maximum braking energy recovery control strategy.

Plug-in hybrid electric vehicle; Regenerative braking; Control strategy

U469.7

A

1671-7988(2023)18-15-05

楊昭（1989－），男，工程師，研究方向為新能源汽車，E-mail:yangzhao@sxqc.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.004