电储能车辆再生制动系统制动力分配系数设计

付先成，张保成，颜 波

（中北大学 机械工程与自动化学院，山西 太原 030051）

0 引言

随着资源和空气污染问题的不断加剧，使得电力驱动的应用越来越广泛，不仅在家里，而且在汽车业也越来越流行，比如现在的混合动力汽车。混合动力汽车不仅能有效利用电力，提高燃料利用率，还可以减少废气排放，因此电能存储车辆将是未来发展的一个趋势［1］。

1 电储能再生制动系统原理

电储能再生制动系统的结构如图1所示。

图1 电储能再生制动系统结构示意图

其工作原理为：当车辆减速或制动时，主控制单元分析系统的运行速度、制动强度、电池能量值的信号，控制电子控制离合器快速顺利结合，并将控制命令传到电机控制器，使电机工作在发电模式，从而制动，并将转化的电能存储到储能电池组，完全回收制动能量实现电能转换。当车辆启动时，主控制单元对电池的能量值信号进行判断，若其能量大于驱动器的阈值，则控制电控离合器快速结合，将控制指令传递给电机控制器，使电动机工作在驱动模式下。当蓄电池组的能量转化为动能，驱动车辆开始行驶时的速度达到一定值时，由原始的车辆动力系统驱动车辆［2］。

2 利用附着系数

为了定量地说明车辆制动时路面附着条件的利用率，引入利用附着系数z。由于前、后轮的附着系数不同，表示为：

其中：φi为第i轮的利用附着系数；Fxbi为车辆第i轮的地面制动力，N；Fzi为地面对第i轮的法向反力，N。

2.1 前轮的利用附着系数计算

前轮或前后轮同时出现抱死趋势时，车辆产生的制动减速度为：

其中：z为制动强度；g为重力加速度；v为车辆的速度。

前轮地面制动力为：

其中：G为车辆重力，N；β为制动力分配系数。

前轮地面法向反力为：

其中：L为轴距，m；b为质心到后轴的距离，m；hg为车辆质心高度，m。

将式（3）、式（4）代入式（1），得前轮利用附着系数为：

2.2 后轮利用附着系数计算

同理求得后轮利用附着系数为：

其中：a为质心到前轴的距离，m；Fxbr为后轮地面制动力。

由式（5）和式（6）绘制出电储能XQ6103客车［3］空载、满载时机械制动系统的利用附着系数φ与制动强度z的关系曲线，如图2所示，其中利用附着系数与制动强度都是相对量，单位为1。

图2 利用附着系数与制动强度的关系曲线

当车辆的利用附着系数与制动强度越接近，地面附着条件利用越充分，车辆的制动力分配越合理；当值相等时，称为同步附着系数，表示为：

城市的路面附着系数通常都在0.6～0.8之间，代入相关参数，由公式（7）计算得满载同步附着系数为0.875，空载同步附着系数为0.832。

3 ECE法规对车辆的规定

ECE第13号法规［4］对车辆各轴之间制动力分配的明确要求如下：

（1）对于φ＝0.2～0.8之间的双轴车辆，要求制动强度z≥0.1＋0.85（φ－0.2）。即前后轮利用附着系数φ≤（z＋0.07）/0.85。

（2）对于M3客车，当制动强度z在0.15～0.3之间时，要求前轮的利用附着系数曲线位于后轮的利用附着系数曲线上方，同时前轮的利用附着系数曲线位于曲线φ＝z±0.08之间，后轮利用附着系数φr≤z＋0.08；当制动强度z≥0.3时，应保证前、后轮的利用附着系数曲线满足关系式φi≤（z－0.02）/0.74。结合图2，可以看出电储能XQ6103客车在满载、空载情况，前、后轮利用附着系数都能够满足ECE法规的要求，如图3所示。图3中，下限φ＝z－0.08不适用于后轴的附着系数。

根据ECE法规对M3客车的制动力分配要求，可以确定：

将式（5）、式（6）与式（8）联立整理得到制动力分配系数β与制动强度z的关系为：

图3 前、后轮利用附着系数与制动强度的关系

由式（9）得到制动力分配系数的控制曲线如图4所示，其中制动力分配系数为比值量，单位为1。由图4可看出满足ECE法规的制动力分配系数β范围在前轮严格上控制线和抱死顺序控制线之间，为保证车辆具有良好的制动性能，其制动力分配系数β应位于该区间内。变换求得满足ECE制动法规要求的车辆前、后轮制动力变化范围，如图5所示，即图5中虚线所围成的区域。

图4 制动力分配系数与制动强度关系曲线

电储能XQ6103客车由于再生制动系统参与制动，整车制动力分配系数β发生变化，前后轮制动力不再按传统机械制动系统的固定比例0.5分配。为了保证车辆具有较好的制动性能，制动力分配系数β应在合理范围内的变化。

图5 满足ECE法规要求的前、后轮制动力范围

将电储能XQ6103客车结构参数代入式（8），根据ECE法规确定制动力分配系数β的上、下限值。空载时，制动力分配系数β值的变化范围为0.395≤β≤0.5；满载时β值的变化范围为0.386≤β≤0.489。综合空载与满载两种状态，电储能XQ6103客车满足ECE法规的制动力分配系数β的变化范围为0.395≤β≤0.489。

然而，上述制动力分配系数β变化范围的界定方法过于严格，从图4可以看出，只有制动强度为0.3时，制动力分配系数β上限才减至0.489，其他制动强度下，制动力分配系数β上限较高。对于后轮驱动车辆的再生制动系统，制动过程中由于再生制动的参与，其制动力分配系数β上限为0.5。因此，在保证制动的稳定性及安全性的前提下，考虑到便于车辆机械制动与再生制动的协调控制，最终确定整车制动力分配系数β的变化范围为0.4≤β≤0.5。［5－7］

4 小结

本文对电储能车辆机械制动系统的制动特性进行研究，通过车辆制动过程受力分析，确定了电储能XQ6103客车空载、满载同步附着系数分别为0.832和0.875，通过分析表明，前后轮利用附着系数都能够满足ECE法规要求，制动力分配较为合理。根据ECE制动法规要求，在满足车辆制动性能和制动稳定性、安全性的前提下，结合再生制动系统的制动特性，确定了车辆制动力分配系数的变化范围，为再生制动力分配和再生制动控制策略的设计提供了理论依据。

［1］陈清泉.混合动力车辆基础［M］.北京：北京理工大学，2001.

［2］胡骅，宋惠.电动汽车［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［3］金明新.国内外客车制动标准对比分析［J］.交通标准化，1998（3）：26-27.

［4］欧洲经济委员会（ECE）有关M，N和O类车辆制动认证的统 一 规 定 ［R］.［s.l.］：Economic Commission of Europe，2001：79-96.

［5］Yimin Gao，Liping Chen，Mehrdad Ehsani.Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV［J］.SAE Paper，1999-01-2910.

［6］赵国柱.电动汽车再生制动稳定性研究［D］.南京：南京航空航天大学能源与动力学院，2006：42-63.

［7］张立军，朱博，贾云雷.依ECE法规进行汽车制动力分配新方法［J］.辽宁工程技术大学学报，2005（2）：47-49.