电动客车制动能量回收分析研究

李司光，祁星鑫

（陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710043）



电动客车制动能量回收分析研究

李司光，祁星鑫

（陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710043）

摘 要：通过对电动大客车复合制动系统特点的分析、制动控制策略原则的制定及对制动能量回收影响因素的讨论，对一款电动大客车在中国典型城市工况下的制动能量回收过程进行了仿真，结果表明，车辆每百公里可回收约8.38度电，回收的制动能量能够有效增加其续驶里程。

关键词：电动大客车；制动；能量回收；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.036

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-106-03

前言

传统的大客车通常以气压作为主要的制动力的动力源，而对于纯电动大客车，除原有气压制动系统还叠加了电机制动系统，形成气电复合制动系统[1]。该系统不仅能够对驱动轮施加制动力矩，起到制动的作用，而且还能够将制动过程中车辆的部分动能转化为电能存储于电池组中，从而延长续驶里程，实现制动能量回收也被认为是电动汽车的显著特点之一。

对于电动大客车复合制动系统的设计，首先要在满足驾驶员制动需求的前提下，尽可能多地对制动能量进行回收。然而，由于气压制动系统和电机制动两种系统在机械机构、制动机理方面完全不同，在作用的持久性和可靠性、响应速度、制动力矩大小等方面存在显著差异，为了科学设计电动大客车的制动系统，需要对两种制动系统进行全面分析，在此基础上制定合理的制动控制策略。

1、制动系统设计原则

1.1 制动过程中传动系统的特点

对于纯电动大客车而言，由于驱动电机直接通过传动轴和主减速器连接驱动车轮，当驾驶员踩下制动踏板时，驱动电机可以工作在发电机状态，发电机的扭矩通过传动轴传递到车轮，给车轮施加对应的阻力力矩，即电机制动仅可以施加于驱动轮。

而气压制动存在于驱动轮和从动轮，当驾驶员踩下制动踏板时，气压制动力矩通过制定系统的管路产生作用并形成制动力矩作用于车轮上；而对于电机制动来说，要通过传动系统形成制动力矩作用在驱动轴上。

1.2 复合制动的设计要求

当气压制动系统叠加了电机制动后，为使两种制动系统能够协调工作，在满足驾驶员制动需求基础上，使制动过程稳定、安全、高效，还需满足如下设计要求：

（1）复合制动系统的设计应尽可能少地改变驾驶员的制动习惯，不出现误动作；

（2）复合制动系统的设计应尽可能避免对乘客在制动过程中的舒适性造成影响；

（3）电机制动与其它制动系统不发生影响和干涉，如与防抱死制动系统（ABS）的干涉；

（4）复合制动不应对电池寿命造成影响；

（5）复合制动尽可能多地回收能量，延长车辆的续驶里程。

2、气压制动与电机制动特点分析

2.1 作用持久性

本文研究的纯电动大客车气压制动是一套独立的制动系统，能够为行车制动、驻车制动提供持续、可靠的制动力矩，在行车制动过程中，保证气压制动系统状态良好，工作正常；而由驱动电机产生的电机制动力矩是一个动态的变化量，依赖于诸多因素，如车辆行驶速度、电池组的荷电状态（SOC）、ABS的状态等，因此，电机制动不是一个能够提供持续性的制动力矩的制动器。另外，气压制动力能够作用于所有车轮，而电机制动力仅能作用于驱动轮。

2.2 响应速度

由于气压和电机系统本身结构和工作机理不同，致使它们对制动的响应速度也不同。气压制动系统从驾驶员踩下制动踏板开始至制动钳与制动盘挤压形成制动力矩，气压的建立过程需要克服管路、弹簧、活塞、阀体等的惯性，不可避免地形成较长时间的机械滞后；相对而言，电机制动力矩的建立要远远快于气压制动力矩的建立。然而，从制动力矩大小来看，电机制动力要远小于气压制动力。

3、制动能量回收影响因素分析

车辆在制动过程中，驱动电机能否工作在发电状态并实现能量回收受到车辆状态、动力电池状态、防抱死制动系统（ABS）状态、APU状态等诸多因素的制约。

3.1 车辆状态

当车辆的速度较低，为了避免大的电机制动力矩产生过大的车辆减速度，从而对乘客的舒适性造成影响。因此，当车速过低时，解除电机制动力。

3.2 电机因素

从电机使用的角度来看，电机能够输出的力矩取决于当前的转速，即输出力矩被限制在电机的外特性之内。

3.3 储能系统因素

电机的制动能量回收还受到储能系统的约束。插电/增程式重型商用车由于有车载动力电池，当驱动电机作为发电机运行，给车辆提供一定的制动力矩的同时，可以将制动额外发电过程获取的电能回馈到电池组里存储起来。在此，当电池组在电量充足的情况下，即电池组的荷电状态（SOC）很高时，考虑到电池组的寿命，制动回馈不能向电池组充电；当储能系统的荷电状态（SOC）满足吸收电能的条件、电机工作在发电机状态时，要考虑在瞬间的大电流冲击下，电机和控制器对电机制动力矩大小的限制，以避免大电流对电气系统造成影响甚至引发的事故。

3.4 防抱死制动系统因素

防抱死制动系统（ABS）不同于通常情况下的减速制动，它在驾驶员制动踏板开度很大、车辆进行紧急制动时发挥作用。在防抱死制动系统起作用的过程中，气压管路中会连续地出现增压、保压、降压等高频动作。一方面，为了避免高频信号对车辆的CAN总线产生干扰而导致信息丢失；另一方面，防抱死制动系统大都以车轮加、减角速度和滑移率等经验参数为控制阈值，电机制动力的介入会使防抱死系统的控制品质变差。因此，基于上述两点考虑，当驾驶员进行紧急制动，解除电机制动，仅使用气压制动系统。

4、制动能量回收仿真计算

有了更准确地分析制动能量回馈控制策略的合理性、有效性，以一款纯电动大客车为研究对象[2]，进行了整车仿真模型的搭建，并在中国典型城市工况下[3]进行了仿真运行，如图1所示，得到了整个过程电机转速、制动踏板开度等参量。

图1　中国典型城市工况下的车速

选择的电机为交流异步电机，其效率特性如图2所示。

图2　电机效率特性图

为了跟踪给定的行驶工况，驾驶员不断地通过踩下油门和制动踏板来实现该过程。仿真过程利用理想的驾驶员模型来实现踏板的调整，制动踏板开度如图3所示。

图3　中国典型城市工况行驶时驾驶员的制动踏板开度

制动过程中电机的转速和制动力矩如图4和图5所示。

图4　制动过程中电机的转速

图5　制动过程中电机的制动力矩

制动过程中电池组中回馈的电流如图6所示。

连续的百公里中国典型城市工况仿真回收得到的制动能量如表1所示。

图6　制动过程中电池的回馈电流

通过仿真可以看到，大客车在中国典型城市工况下的百公里能够回收的能量为3.02*104J，折合电度数为8.38°电，这些电量可以显著增加车辆的续驶里程。

表1　电动大客车百公里回收能量

5、结论

电动客车制动能量回收过程受行驶工况、驱动电机性能、电池状态、防抱死制动系统状态等多种因素的制约，同时也与制动控制策略紧密相关。

本文结合了制动系统设计的原则，分析了电动大客车复合制动系统的特点；分析了大客车制动能量控制策略的影响因素；最后，通过仿真实例分析了一款纯电动城市大客车的制动能量回收情况，为该类型车辆制动控制策略设计提供了参考。

参考文献

[1] 陈清泉, 孙逢春, 祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2002.

[2] 林程,王砚生,孟详峰.奥运纯电动大客车技术与应用[M].北京：北京理工大学出版社, 2008.

[3] 中国汽车技术研究中心.QC/T759-2006汽车试验用城市运转循环.中华人民共和国行业标准, 2006.

Analysis of Energy Recovery for the Pure Electric Bus

Li Siguang，Qi Xingxin
( Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710043 )

Abstract:The characteristics ofhybridbraking systemof electric buswere analyzed, principles of brake controlstrategywere established, and relative factors were discussed.A simulation of an electric busbraking systemenergy recovery strategywas carried ona typical urban driving cycleof China.The result shows an effectiveenergy recoveryeffect about 8.38 kWh per 100 kilo meters, and driving rangewill be improvedsignificantly.

Keywords:Electric bus; braking system; energy recovery; simulation

基金项目：长安大学中央高校基本科研业务费转向资金资助2013G1502065。

作者简介：李司光，就职于陕西汽车集团有限责任公司。

中图分类号：U469.7

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-106-03