轮边驱动电动客车制动能量回收控制策略研究

陈晓冰

(厦门金龙汽车新能源科技有限公司， 福建 厦门 361021)

轮边驱动电动客车具有传动链短、传动效率高、结构紧凑等优点，且整车易布置成与一级踏步等高的全平地板，因此日渐成为电动城市客车的重要发展趋势。电动城市客车的制动能量回收效率对其提高续驶里程具有重要意义。本文使用CRUISE与MATLAB/Simulink联合仿真的方法，研究轮边驱动纯电动客车制动能量回收的控制策略和效果。

1 制动能量回收控制策略

1.1 制动系统结构

如图1所示，本车采用传统机械制动与轮边电机再生制动相并联的制动系统，两套制动分系统相互独立，互不影响。踩下制动踏板后，前后轴机械制动力按一定的比例关系进行分配；整车控制器根据制动踏板开度、当前车速以及电池的荷电状态(SOC值)确定轮边电机的再生制动力控制策略。

图1 轮边驱动纯电动客车制动系统的结构

1.2 前后轴制动力分配

首先根据整车相关参数进行前、后轴制动力分配设计。前轴因无驱动电机，所以仅有机械制动力；后轴制动力包括机械制动力与两个轮边电机的再生制动力。前、后轴制动力的分配应首先满足制动安全性的法规及标准要求。

为保证制动时汽车的方向稳定性和足够的制动效果，GB 12676—2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》对前、后轴制动力附着系数、与制动强度间关系作出了明确要求，这些要求经整理可用式(1)表示：

(1)

设前、后轴机械制动力分别为、，根据汽车理论，前后轮即将同时抱死时，重力、制动力和与制动强度之间的关系：

+=

(2)

传动机械制动系统中，制动器制动力与按固定比例(称为机械制动力分配系数)进行分配，公式：

=(+)

(3)

前、后轴利用附着系数公式：

=·/(+)

(4)

=·(1-)(-)

(5)

将式(2)～(5)代入式(1)，可得符合GB 12676—2014标准要求的制动力分配关系：

(6)

根据式(6)中各不等式上、下限可绘制出制动力分配上、下限制曲线。当实际制动力分配曲线位于制动力分配上、下曲线之间时，对应制动力分配系数符合标准要求。本文相关曲线如图2所示。

图2 前后轴制动力分配相关曲线

本文样车实际=0.5。由图2可知，机械制动分配的前、后轴制动器制动力分配曲线在相应范围内，介于制动力分配上、下限曲线之间，符合标准要求。

后轴引入两个轮边电机的再生制动力后，前轴制动力占总制动力比例降低，整车制动力新的分配系数较有所减小。

(7)

=(+)(-) /

(8)

将式(4)、式(5)代入式(1)，得式(9)：

(9)

将相关参数、、、的空、满载值代入式(9)中的各不等式，可分别求出空、满载状态的的上、下限值,其中上限值A、B、C分别对应式(9)中第1、2、5不等式；下限值D、 E、F、G、H分别对应式(9)中第 1～4和第6不等式。分别绘出的上控线组A、B、C和下控线组D、E、F、G、H，其中满载状态如图3所示。=0.3时，由相应图可知，C线上为上控线组最小值，空、满载状态下其值分别为0.539 2和 0.549 8；D线上为下控线组最大值，空、满载状态下其值分别为0.425 5和0.433 9。

图3 满载状态βn的上、下控线与制动强度z的关系

结合实际车况，为符合标准要求，应满足式(10)：

>≥≥

(10)

取空载状态下==0.425 5，此时再生制动力占整车制动力比例最大，由式(8)计算可得，最大再生制动力与机械制动力之间关系：

=0.175 1(+)

(11)

1.3 轮边电机制动能量回收控制策略

根据1.2节计算所得的轮边电机最大制动力，计算满足标准要求的空载状态下后轴轮边电机最大制动扭矩：

=·/()

(12)

式中：为轮胎滚动半径，取0.472 m；为轮边减速比，取13.91；为传动效率，取0.9。

机械制动力矩与机械制动力之间关系：

=· (+)

(13)

式中：为制动器摩擦力等效半径，0.385 m；为样车实际最大机械制动力矩，17 500 N·m。

根据式(11)、式(12)与式(13)计算可得：

=0.175 1·/()=300 N·m

(14)

图4为机械制动力矩与制动踏板开度关系的曲线。根据此关系曲线，综合考虑制动的安全性及平顺性，将轮边电机电制动分为3个区间，制定制动能量回收控制策略的算法如下：

1) Ⅰ区间，制动踏板的开度为0～22%。整车无机械制动力，仅有轮边电机的再生制动力。为防止出现后轴抱死侧滑，再生制动力所产生的制动强度应小于路面附着系数。

2) Ⅱ区间，制动踏板开度为22%～54%。制动力包括机械制动与轮边电机再生制动两部分，其中机械制动力曲线的斜率较为平缓，车速越高电机的再生制动力越大。

3) Ⅲ区间与Ⅳ区间，制动踏板开度为54%～100%。制动力也包括机械制动与再生制动，其中Ⅲ区间机械制动力曲线的斜率较陡，随着制动踏板开度的增大，机械制动力增大，轮边电机的再生制动力也增大；Ⅳ区间随着制动踏板开度增大，机械制动力与轮边电机再生制动力均保持不变。

图4 机械制动力矩T与制动踏板开度α关系曲线

引入车速与电机效率MAP图，当轮边电机转速较低时，电机整体工作效率低，此时不进行制动能量回收。本车设定车速大于10 km/h时，才进行制动能量回收。随车速提升，制动需求扭矩逐渐增大；当车速大于45 km/h时,保持不变。根据驾驶员所踩刹车踏板开度、当前车速与电机效率，确定的关键点及其对应值，见表1。根据表1进行分段插值，得到不同下的与的关系制动曲线，如图5所示。

表1 需求扭矩Treq的关键点及其对应值

图5 轮边电机制动能量回收控制策略MAP图

轮边电机再生制动扭矩的大小还受到电池的充电能力、电池SOC条件的影响：为了防止电池过充，当电池SOC达到95%时，不再进行制动能量回收；制动能量回收时，轮边电机的制动扭矩不能超过电池发出的最大充电功率限制扭矩值；且制动的最大扭矩不应超过轮边电机的外特性。即轮边电机再生制动的控制扭矩值如式(15)所示：

=min(,,,)

(15)

通过该控制策略，使轮边电机在能量回收过程中尽量工作于高效区，以提高整车经济性。

2 联合仿真及结果分析

2.1 整车仿真模型建立

使用MATLAB/Simulink搭建轮边电机制动能量回收控制策略模型，基于CRUISE搭建整车仿真模型，将制动能量回收控制策略的模型编译成DLL文件，并导入CRUISE的MATLAB DLL接口模块中，创建相应的数据接口，完成数据连接。根据图6所示架构，搭建整车仿真模型，并进行CRUISE与MATLAB/Simulink的联合仿真。

(a) 制动控制算法 (b) 驾驶控制系统 (c) 整车仿真架构

2.2 仿真结果分析

建立中国典型城市循环工况循环任务，进行有无制动能量回收控制策略的仿真对比。初始设定SOC为50%，电耗仿真对比分析见表2。图7为轮边驱动仿真结果，表明：加入制动能量回收控制策略后，初始SOC为50%时，电耗降低了16.31%，降耗效果明显。

表2 仿真电耗统计结果

轮边驱动与中央直驱相比，可不考虑后桥主减速器对制动扭矩的限制，从而可以最大限度回收制动能量，图8为两者的仿真结果对比，表明：轮边驱动相比中央直驱，在加入制动能量回收控制策略后电耗明显降低。

图7 轮边驱动下有无电机制动能量回收电耗仿真对比

图8 直驱与轮边驱动形式电耗仿真对比

3 结束语

本文综合国家标准、电池SOC、车速与电机效率等因素，制定了轮边驱动纯电动客车的制动能量回收控制策略。通过AVL CRUISE与MATLAB/Simulink联合仿真，分析了该策略的应用效果。基于中国典型城市循环工况的电耗仿真结果显示，引入制动能量回收控制策略后电耗最大降低了16.31%。