混合动力客车再生制动控制策略的研究

余 捷

混合动力客车再生制动控制策略的研究

余 捷

福建工程学院机电及自动化工程系

根据已在我国多个城市运营的某混合动力客车车型现有的制动系统及其工作模式的介绍，展开再生制动能量管理和控制策略的研究。以理论分析和仿真研究为手段，揭示目标车型再生制动控制策略下的制动安全性能及制动能量回收率的表现，从而为进一步提高混合动力客车再生制动系统性能提供了参考依据。

混合动力客车；再生制动；控制策略；制动力分配

再生制动是油—电混合动力汽车（本文所提到的混合动力汽车均指这类汽车）的重要工作模式，它能在车辆减速或下坡时，在保证车辆制动性能的条件下，将储存于汽车上的动能或位能通过电机转化为电能并储存在于电储能装置中[1]。该工作模式下，制动系统不仅产生车辆所需全部或部分制动力，实现了车辆的减速和制动，同时可回收一定的制动能量，有效地实现车辆的节能减排，并减少了制动器摩擦片的磨损。因此，在环保节能安全的汽车技术设计理念的引导下，再生制动的研发已成为新一代节能汽车技术的热点之一。

可见，开展再生制动的理论和应用研究不但有重要的理论意义，而且还有较高的实用价值。而国内目前对混合动力汽车的再生制动的研究相对于国外起步较晚，在以下方面还有待深入研究[2]：①再生制动能量管理和控制策略；②再生制动系统建模和车辆制动动力学建模；③基于整车综合制动动力学仿真的综合优化；④再生制动系统的实验模拟、匹配控制和综合评价。

本文根据已在我国多个城市运营的某混合动力客车车型现有的制动系统及其工作模式的介绍，展开再生制动能量管理和控制策略的研究。以理论分析和仿真研究为手段，揭示目标车型再生制动控制策略下的制动安全性能及制动能量回收率的表现，从而为优化混合动力客车制动系统控制策略提供参考。

1 目标车型再生制动系统结构与控制策略简介

目标车型配备的混合动力系统的结构及其制动模式下回馈能量路线如图1所示，动力系统由驱动桥、驱动电机、驱动电机控制器（由AC/DC转换器、DC/DC转换器及电机工作模式控制器等组成）、储能元件（超级电容）、发动机、永磁发电机、混合动力控制器等组成；而制动工况下离合器分离，永磁发电机关闭，回馈能量流动流动路线为：驱动桥→驱动电机→驱动电机控制器→储能元件。客车采用三级微控开关式刹车踏板，实现减速/制动工况下有几种工作模式：

（1）当松开油门踏板而未踩下制动踏板时，客车采用50%的轻载发电；

（2）当微踩制动踏板使踏板行程介于第一级与第二级开关之间时，客车采用100%的全载发电；

（3）当制动踏板行程介于第二级与第三级开关之间时，客车采用再生制动和机械制动的联合制动方式；

（4）当制动踏板被迅速踩到最大行程触动第三级开关时，客车采用纯机械制动方式。

图1 目标车型动力总成系统及制动回馈能量流图

以上的工作模式能否在客车行驶中实现，使客车具有高的制动能量回收率，取决于目标车型制动力分配策略的制定与相应的制动系统的设计。根据工作模式可知，目标车型采用自由行程式控制策略，其特点为定比例式进行摩擦制动力与电机再生制动力之间的制动力分配，同时在踏板自由行程段施加回收制动力的制动控制策略，以满足客车制动安全的需要并实现高的车辆惯性能回收率。如将自由行程式控制策略的客车安全制动性能与能量回收率进行仿真分析，有助于了解混合动力客车在不同的制动强度下，客车的控制策略的制动安全性能及制动能量回收率的变化情况，从而为优化混合动力客车制动系统提供了切入点参考。而仿真研究所需的目标车型及其混合动力系统的参数如表1 所示。

表1 目标车型整车仿真基本参数

2 制动力分配控制策略的理论分析

根据目标车型的工作模式反推出客车的控制策略如图2所示：OE段，制动踏板自由行程，电动机制动力增大，摩擦制动力为0，总制动力达到点A；EF段，电动机制动力增大，摩擦制动力为0，总制动力到达点B时，电动机回收制动力到达极大值；FG段，摩擦制动力从0开始增加，同时保持为电动机制动力不变，使总制动力与需求制动力相同，前后轮制动力之比按原车比例控制，即原车β线位置；GH与HI段，制动踏板开度较大，即将进入紧急制动工况，为了保证制动安全，摩擦制动力迅速恢复并增至最大，电动机制动力随之逐渐减小至完全撤销，该过程仍然保证总制动力与需求制动力相同。

图2 目标车型控制策略方案

根据再生制动系统的特点，可以从汽车制动性能的评价、再生制动性能的评价和再生制动系统对于整车性能影响的评价三个方面对再生制动系统的可行性与各项性能指数进行分析评价[3]。

（1）目标车型引入自由行程轻载发电模式以及整个制动过程保证制动力与需求制动力相同的控制策略，显然，其制动距离和制动效能比传统车型有一定的改善。然而，由于整车取消了滑行模式，在某些情况下，并不一定有利于节能行驶。因为在一定的车速范围内，适当的应用滑行模式，能充分利用整车的惯性滑行，增加行驶里程从而减少燃油消耗，而如果将惯性能回收再驱动，其效率必然降低。

（2）目标车型增加了再生制动模式的工作时段（OE段），显然目标车型可以拥有较高地制动能回收率。

（3）目标车型当进入摩擦制动力工作时段（FI段），其前后轮的制动力分配必需保证前轮比后轮先达到车轮抱死临界状态，否则后轮先抱死势必对客车行驶稳定性不利。目标车型采用了前后轮制动力按原车比例控制，从理论上可以消除该隐患。

3 制动力分配控制策略仿真分析

根据目标车型的控制策略，利用Matlab/Simulink和ADVISOR软件中建立制动工况下整车工作模式选择模型，如图3所示。并建立整车控制策略模型，如图4所示。

图3 制动工况下工作模式选择模型

图4 整车控制策略顶层模型

由于目标车型为城市客车，所以选择我国2005年实行的中国典型城市公交循环工况作为仿真测试循环，如图5所示。

图5 中国典型城市公交循环工况

仿真采用一个循环工况，输入目标车型参数进行仿真，总的仿真时间1320s，设定初始SOC（超级电容剩余电量与总电量之比）为0.9。得到仿真实际车速与SOC变化情况，分别如图6与7所示。

图6 目标车型车速仿真结果

图7 目标车型超级电容仿真结果

从图6中可以看出当初始SOC为0.9时，工况要求车速和仿真实现车速曲线完全重叠，说明目标车型的动力性满足中国典型城市公交工况的要求。从图7可以看出，在整个工况结束时，其存电量还是保持为0.9。在客车运行中，SOC下降的主要是由在起步和低速工况下采用纯电机驱动模式引起；而SOC上升的主要是由制动工况下再生制动模式引起的。为了保护超级电容，SOC在0.9处中止回收充电。从图中看到SOC曲线多次被切峰，说明目标型车有较高的能量回收率，但也表明客车尚未充分吸收制动能量，控制策略与储能系统有待进一步综合优化。比如，显然目标车型在取消自由行程段的再生制动，SOC势必减少被切峰次数，有利于制动能量的有效回收和提高整车节能潜力。

4 结论

本文对一款混合动力客车的再生制动系统进行分析，利用理论分析和仿真手段，揭示自由行程式再生制动控制策略下客车制动性能与能量回收的变化情况，得到如下结论：

（1）在自由行程下引入再生制动，可显著增加客车惯性能的回收。但并不一定利于整车的节能，比如为保护储能元件不能充分吸收客车惯性能以及取消滑行模式降低客车惯性能的利用率。

（2）目标车型所采用的自由行程式控制策略，可以具有较好的汽车制动性能、再生制动性能和整车稳定性，满足车辆行驶要求。

（3）目标车型从仿真来看，SOC多次被切峰，车辆未能充分吸收客车惯性能，可以从控制策略和硬件系统的综合设计方面着手研究，进一步提高再生制动下能量回收率。

[1] 陈全世,仇斌,谢起成.燃料电池电动汽车[M].北京：清华大学出版社,2005.

[2] 颜静.CVT混合动力再生制动控制策略与仿真研究[D].重庆：重庆大学, 2006.

[3] 赵岩.并联液压混合动力汽车制动系统建模和仿真研究[D].吉林：吉林大学, 2009.

Regenerative Braking Strategy Research for Hybrid Electric Bus

Yu Jie

(Electromechanical and Automation Engineering Department, Fujian University of Technology, Fuzhou 350108, China)

The regenerative braking energy management and control strategies were researched through analysis of the braking system and working modes of a hybrid electric bus (HEB) available in some cities of China. Theoretical analysis and simulation were conducted to determine the braking safety performance and brake-energy recovery of target HEB under the regenerative braking control strategy. It is indicated that the results can aid to the improvement of the hybrid bus performance of regenerative braking system.

hybrid electric bus; regenerative braking; control strategy; braking force distribution.

福建省科技平台建设项目（2008J1002），福建工程学院青年科研基金（GY-Z09069）。