一款纯电动城市渣土车制动系统控制方法的研究

麻新兵，李萌，史强，连秦剑，魏特特

摘 要：目前国内各整车厂开发销售的纯电动商用车续航里程均很难达到客户的期望里程值，主要限制因素是新能源汽车的动力电池能量密度不高、充电耗时较长以及充电设施网点便利性较差，严重影响到电动汽车，特别是纯电动汽车的大范围推广普及。文章通过对传统汽车制动力学分析，结合电动汽车制动能量回馈控制策略分析计算，制定了一种基于制动能量回馈最大化的电液复合制动力协调式的控制策略。

关键词：制动回馈;控制策略;电液复合

中图分类号：U469.7  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2019）23-33-04

Research on the control method of braking system of the electric city muck truck

Ma Xinbing， Li Meng， Shi Qiang， Lian Qinjian， Wei Tete

（ Shaanxi Automobile Holding Group Co.， Ltd Technology Center， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： At present， the endurance mileage of pure electric commercial vehicles developed and sold by domestic vehicle manufacturers is difficult to reach the expected mileage of customers. The main limiting factors are the low energy density of the power battery of new energy vehicles， the long charging time and the poor convenience of the charging facilities， which seriously affect the promotion and popularization of electric vehicles， especially pure electric vehicles. Based on the analysis and calculation of the traditional brake mechanics and the brake energy feedback control strategy of the electric vehicle， a coordinated control strategy of the electro-hydraulic composite brake force based on the maximization of the brake energy feedback is developed.

Keywords： Brake feedback; Control strategy; Electrohydraulic composite

CLC NO.： U469.7  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2019）23-33-04

前言

電动汽车正在快速迈向电气化、智能化、共享化。而制动回馈控制技术是电动汽车制动控制领域最核心的研究方向，本文介绍了一种基于一款纯电动城市渣土车上依靠电子制动控制系统（EBS）与整车控制系统（VCU）相结合的制动回馈最优化的制动回馈控制方法。

1 电动汽车回馈制动研究现状

1.1 国外研究现状

目前，市场上存在多种新能源汽车制动能量回馈的控制方法，分析其各自技术，比较可靠的控制方法的包括美国福特公司推出的SUV混动车型Escape Hybird制动回馈控制系统、日本本田公司推出的搭载采埃孚新一代插电式混合动力变速器的EVplus车型、日本丰田普锐斯PHEV车型。

其中最为典型的是自1997 年日本丰田公司首次推出混合动力汽车普锐斯车型，其在仅利用车载动力电机驱动工况下，其对运行环境没有任何的排放污染，而且在车辆减速、制动和下坡制动时还能回收机械能量。特别是当车辆等待红灯停止行驶时，发动机会自动停止工作，进一步减少尾气排放和燃油消耗，因此该款车型的油耗和尾气排放都得到了极大的改善。

1.2 国内研究现状

新能源汽车的技术研究及推广应用在中国起步较晚，但经过近十年来的技术研究与示范运营，具备从供应核心部件原材料、动力电池研发生产、整车电控系统等车辆核心零部件的研发和生产，再延伸到整车的设计制造、售后服务，以及充电设施的研发配套、网点布局等，都已具备系统级的技术基础。

目前国内主要的整车厂均在已布局新能源汽车领域，其中有代表性车型的包括北汽新能源EU5、蔚来纯电动ES6、ES8、比亚迪E6等多款电动汽车。其中比亚迪纯电动E6是其自主研发的一款纯电动CrossOver车型，它的单次充电续航能力超过300Km，在城市综合工况下，制动能量回馈对续驶里程的贡献率达到10%以上。

2 制动能量回馈控制的工作原理

动力电机制动能量回馈技术也被称为动力电机的能量再生制动控制技术。当车辆在某一具体的行驶工况中进行滑行制动或制动踏板制动时，车辆底盘的传动系统将车辆制动时的惯性能量传递到动力电机，以维持电机的运转，利用车辆传动机械系统带动电机内部转子旋转，电机转子能够通过转动时切割磁力线的方式将动能转换为电能，同时利用逆变器的反向二极管导通，将制动回馈过程中产生的转换电流回馈到高压供电直流一侧以回馈充电动力蓄电池，进而实现制动能量回馈。

目前，电动汽车的整车总制动力包含回馈制动力与液压制动力，两者根据不同的车辆实时制动减速度结合车辆运行实时状态，制动能量回馈控制技术可分为直接叠加式和分配协调式两种。

其中大多数电动汽车采用的是叠加式的制动能量回馈控制系统，其直接将动力电机的回馈制动力叠加在机械摩擦制动力上，对摩擦制动系统改动小，但控制策略比较简单直接，能量回收效率较低，制动感受较差，容易发生车辆制动“侧滑”、“甩尾”的危险情况。而分配协调式的车辆制动力分配控制策略，将优先使用动力电机回馈制动力，车载制动系统实时调节机械液压制动力，优点是车辆能量回收效率高，驾驶员及乘员对制动感受较好，但该方法实时控制技术复杂，难度高。

3 一款纯电动城市渣土车制动能量回馈控制方案

针对一款纯电动城市渣土车，研究基于EBS系统开发制动回馈效能最优的制动回馈控制技术。

表1  纯电动城市渣土车整车关键参数

该控制方案满足ECE制动法规要求并尽量提高整车行驶安全性和驾驶感受的前提下，提出一种最优化的制动回馈控制策略。

图1  整车制动系统组成

如上图所示，该型纯电动城市渣土车的整车制动系统包含液压制动系统、制动能量回馈控制系统等，制动系统控制策略集成在电子制动控制系统（EBC）中，车辆运行过程中EBC实时监测制动踏板位置信号，用于识别驾驶员的制动意图，再通过CAN总线实时与整车控制器、电机控制器、电池管理系统进行信息交互，获取电机、电池、车辆及驾驶操控信息，ABS实时采集前后车轮的运行转速，并将车轮转速信号通过总线播报的方式发送给EBS和VCU，用于计算车辆滑移率，结合制动回馈控制策略用于整车总制动力与回馈制动力，保证整车制动力尽可能全部由VCU计算出的电机制动回馈扭矩产生。

4 一款纯电动城市渣土车制动能量回馈控制策略设计

本文所应用的制动系统控制策略为并联制动控制方法，是一种基于EBS与VCU协调管理整车总制动力需求的策略，其在传统汽车制动力学固定前后轴制动比例控制方法的基础上进一步延伸而来。

图2  车辆制动控制系统

车辆在某一具体工况下进行行车制动，整车总制动力的能量转换流动图如图3所示，整车动能的一部分被消耗在克服空气阻力和滚动阻力，但其中更多的整车动能由制动系统吸收。

车辆在运行过程中的回馈制动能量流动简图如下：

图3  车辆回馈制动过程能量流图

由上图可以得出，车辆的制动机械能传递由底盘的机械传动装置，再拖动动力电机（电动机转变为发电机）回馈发电，最后回馈发电产生的电能被传送到动力电池，其中可利用的制动能量Ebrk可表示为：

（1）

如上的能源传递公式中：m为回馈制动时整车质量;μ为底盘传动效率系数值;K1为动力电机的回馈发电效率系数值;K2为动力电池的回馈充电吸收效率系数值;V0和V1分别为回馈制动时的开始车速和回馈制动结束时的实时车速;v为回馈制动过程中的车辆实时车速;s为回馈制动过程中整车时的减速制动距离;Fw为车辆运行工况的空气阻力;Fu则为驾驶员施加的制动踏板液压制动力;Fi为车辆运行工况的实时坡道阻力;Ff为车辆运行工况的实时滚动阻力。

由公式（1）可以看出，影响车辆制动能量回馈的因素有?、K1、K2、m、v和制动过程中的实时速度微分即实时制动强度Z。

制动能量回馈的效率参数的公式为：

（2）

式中：Ereg为制动过程中回收到电池的能量;Ebrk为制动过程中车辆总制动力对应的机械动能总能量。

当出现以下综合工况时，整车控制器才能允许动力电机制动回馈参与整车总制动力分配，即：

（1）电池管理系统上报的SOC状态值，必须小于等于95%;

（2）车辆制动强度z门限值必须小于等于-0.6g时，认为整车制动力需求激增，车辆进入紧急制动模式，为保证整车制动的安全性，采用常规液压制动;

（3）整车控制器監测到的有效操控档位在前进档;

（4）整车控制器采集到的电机实时转速不小于800rpm。

以上条件都满足时，整车控制器允许动力电机电制动扭矩回馈。

在对整车总制动力进行电液复合制动分配时，为避免车辆“甩尾”、“打滑”，通过在后轴引入驱动电机制动回馈的制动力，并且产生驱动电机制动回馈力矩分配系数。其定义如下：

（3）

（4）

其中：fb为整车总fbr制动力;fbf_hyBk为前轴制动力;fbr为后轴制动力;β为前后轴制动力分配系数。

本文介绍的纯电动城市渣土车为前置后驱车型，即电机回馈制动力施加于后轴，利用动力电机制动力分配系数βallo定义如下：

（5）

（6）

其中：fbr_eleBk为动力电机回馈制动力;fbr_hyBk为后轴实时液压制动力。

根据公式（3）、（4）、（5）、（6）可确定该型纯电动城市渣土车的整车总制动力为：

（7）

基于整车制动力分配的控制策略，在确保运行过程的制动安全性和驾驶员制动踏板行程控制感的前提下，该型车的制动力分配控制策略如下：

-0.1g ≤ z ≤ 0：整车制动力由动力电机输出，从而回收尽可能多的制动能量。

（8）

-0.6g ≤ z<-0.1g：整车总制动力控制策略由动力电机和液压制动的并行制动，即后轴动力电机制动加后轴液压制定再加前轴液压制动。

（9）

z <-0.6g：车辆处于紧急制动状态，为保证制动的安全性，驱动电机回馈制动力退出，车辆制动力由液压制动控制输出。

（10）

5 结论

（1）本文分析了一款纯电动城市渣土车制动回馈过程的工作原理及力学分析，确定了影响制动能量回馈的整车状态及电气特性约束条件。

（2）基于回馈制动最优先考虑，整车总制动力分配控制策略结合动力电池荷电状态SOC值、整车在具体工况下的实时制动强度、实时的整车车速、驾驶员踩制动踏板开度等底盘动力系统关键部件状态为设计输入，回馈制动比例分配为输出的电液复合协调式的整车制动力分配控制策略。

（3）本文中提出的电液协调式制动控制策略已成功应用于某型纯电动城市渣土车，保证行车制动安全的前提下，最大程度提升制动能量回馈利率，从而提升整车续驶里程。

参考文献

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