某插电式混合动力客车再生制动控制策略研究

杨 昭，张 荣，李天闯

某插电式混合动力客车再生制动控制策略研究

杨 昭，张 荣，李天闯

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

插电式混合动力汽车既可用电网充电，又可使用发动机动力，是目前解决能源短缺和环境污染的重要车型，而再生制动能量控制策略作为插电式混合动力汽车的关键技术之一，决定着车辆制动能量的回收能力。文章通过介绍某混合动力客车的传统气压制动和再生制动系统，对再生制动结构及工作原理进行研究，并针对某款混合动力客车，进行再生制动计算分析，提出了一种通过前、后轮均装有比例继动阀的合理分配机械及再生制动的制动力分配方案，既可满足汽车空、满载ECE制动法规，又能实现最大限度的制动能量回收控制策略。

插电式混合动力汽车；再生制动；控制策略

近几年，在“双碳”目标的引导下，新能源汽车的发展很受重视[1]，2022年我国新能源汽车爆发式增长，产销分别为705万辆和688万辆。一方面受路况及气温影响，纯电动汽车的续驶里程始终无法满足驾驶员预期[2]；另一方面，由于当前电池技术仍未取得重大突破，这也制约了纯电动汽车的快速发展[3]。在此背景下，混合动力成为一种具有明显优势的技术路线。在混合动力汽车制动设计时，常考虑再生制动技术的应用，把本应转化为热能消耗的机械能转化成电能，加以储存供车辆驱动使用[4]。但不是所有能量都可回收，如制动需求过大，再生制动将无法满足制动需求，需机械制动介入时会有一部分能量损失[5]。因此，在选取再生制动控制策略时，应在制动系统安全、稳定的前提下，尽可能多地回收制动能量[6]。

针对再生制动能量回收控制策略，专家学者从不同的角度对其进行了研究。徐海彤等[7]针对某款前驱纯电汽车，设计了一种查表式再生制动控制策略，仿真结果显示制动能量回收可达18%。徐向明[8]提出根据控制单元收集的各方面信息，综合考虑驱动电机的最大制动力矩、电池的最大充电功率、当前电池的充电状态等因素，通过再生与机械制动系统实现机电复合制动的一种控制策略。薛金红等[9]针对车辆设计了双模糊逻辑控制策略，分别对前后轴之间的制动力及前轴再生制动与机械制动的制动力进行了合理分配，同时兼顾了车辆的制动稳定性及再生制动能量的回收效率。

上述研究主要集中在乘用车，但公交客车与乘用车的使用工况差别较大，因此，需设定一种更符合公交客车的再生制动能量回收控制策略。本文提出一种在满足空、满载ECE R13制动法规分配界限的前提下，前、后轮装有比例继动阀的再生制动系统的混合动力再生制动控制策略，在确保制动稳定性的前提下，合理进行再生制动与机械制动之间的制动力分配，以使尽可能多地回收再生制动能量。

1 带比例继动阀的制动力分配策略

混合动力车型开发过程中的重点就是对再生制动系统的研究，而再生制动控制策略的核心则是制动力分配。前、后轮制动力分配会影响着车辆制动稳定性，而再生制动力则决定着可回收再生制动能量有多少[10-11]。

在设计的混合动力车辆制动系统管理策略时，有两个原则：1）在再生和机械之间分配制动力时，要尽可能多地进行制动能量回收；2）在前、后轮上分配制动力时，要符合理想制动力分配曲线，保证汽车制动稳定性良好[12]。

车辆制动时，要在满足制动安全性和制动法规的前提下尽可能多地回收制动能量，来给动力电池充电，降低车辆的燃油消耗，提高其续驶里程，并减少尾气排放。混合动力汽车再生制动控制过程如图1所示。

注：SOC：荷电状态（State of Charge）；ABS：防抱死制动系统（Antilock Brake System）。

制动时，通过采集踏板位移信号，把驾驶员的制动需求传输到控制器电子控制单元（Electr- onic Control Unit, ECU），再由轮速传感器和电池荷电状态信号来计算出此时电机能回收的扭矩和功率的大小，从而匹配出实际再生制动力矩的数值。同时根据制动踏板信号由控制器ECU算出当前所需的制动力，再将实际的再生制动力矩和所需制动力矩进行比较。如再生制动力矩大于驾驶员制动需求，可采用减小输出电流的方法来降低再生制动的扭矩；如果小于制动需求，再由控制器发指令来控制机械制动来参与制动，并对驾驶员制动需求与实际制动力矩大小实时监控。保证在制动过程不产生较大减速度，使输出的制动力矩与驾驶员的制动需求相符合，提高车辆的操纵性和舒适性，同时满足安全和燃油的经济性。

2 某款混合动力客车再生制动控制策略

本文研究的某款插电式混合动力公交客车的主要参数如表1、表2所示。

表1 汽车原始数据

参数名称数值 整车最大总质量/kg16 000 空气阻力系数0.62 迎风面积/m22.4×3.0 滚动阻力系数0.01 交流电机及控制器的平均效率0.8（估算值） 传动效率0.9 轮胎半径/m0.47 主减速比5.13 各挡传动比6.43, 4.18, 2.53, 1.54, 1.00

表2 车辆整车参数

载荷情况总质量/kg轴距/mm质心高度/m质心距前轴距离/m质心距后轴距离/m 满载16 0005 5001.13.332.17 空载13 5005 5000.92.52.5

基于理论分析，可以提出混合动力公交客车在满足ECE R13制动法规的范围内，最大限度回收制动过程中的惯性能量的再生制动控制策略。根据表1、表2数据在空、满载情况下做出前、后轴制动力分配界限，如图2所示。

下面以某款混合动力客车为例，再生制动控制策略具体讨论如下：

1）当需求制动力r≤1.35×104N（即图2中的点）时，由于此时的制动强度比较小，需求制动力就可以全部由后轴制动力提供，前轴地面制动力就为零。

图2 ECE法规要求的前、后轴制动力分配界限

此时电机再生制动和气压摩擦制动分配策略分两种情况讨论：

①当rego≤r时，此时电机的最优再生制动力小于等于驾驶员需求制动力。由于此时制动强度很小，应首先选择由再生制动提供制动力，完成制动过程，剩下的制动力由后轮的摩擦制动力提供。

其中

此时再生制动力：reg=rego；后轮摩擦制动力为：u2=r-rego；前轮摩擦制动力为：u1=1。

式中，rego为当前转速下电机的最优再生制动力；r为驾驶员需求制动力；u1、u2分别为前、后轮上的摩擦制动力；mo为当前转速下电机的最优转矩。

②当rego＞r时，此时电机的最优再生制动力大于驾驶员需求制动力。为提高能量的回收效率，车辆制动力就全部由电机提供，让再生制动力使车辆达到减速制动的目的，而前、后轮的摩擦制动力均为零。

2）当1.35×104N＜r≤1.98×104N（即图2中的点）时，为了制动时不给前轴造成冲击，制动力的分配应该为（1.98×104N为制动强度为0.15时空载所需制动力）：

式中，X1、X2分别为前、后轮地面制动力。

此时电机再生制动和气压摩擦制动的分配策略分两种情况讨论：

①当rego≤r时，此时电机的最优再生制动力小于驾驶员需求制动力。由于制动强度很小，仍然首先采用由再生制动提供制动力，剩下的制动力由后轮的摩擦制动力提供。

②当rego＞r时，此时电机的最优再生制动力大于驾驶员需求制动力。为提高能量回收率，后轴制动力全部发电机提供再生制动力来完成，剩下的制动力由前轴的气压摩擦制动力提供。

3）当1.98×104N＜r≤3.97×104N（即图2中的点）时，需求制动力r=X2+X1为斜45°的直线，该直线与ECE法规分配制动力的交点的纵坐标的上、下限分别为b1、b2，为了能最大限度的回收能量且满足在ECE制动法规范围之内，前后制动力分配为（3.97×104N为制动强度为0.3时空载所需制动力）：

其中

b2=-2(+0.08)(+×g)/

式中，2为车辆空载时重力；为空载时的制动强度；、为空载时质心到前后轴距离；g为空载时的质心高度；为轴距。

此时电机再生制动和气压摩擦制动分配策略分三种情况讨论：

①当rego≤b2时，由于最优再生制动力超出ECE法规范围，故将后轮的再生制动力降为rego，剩下的后轴制动力由气压制动提供，前轮制动力不变。

②当b2＜rego≤b1时，优化的再生制动力在ECE制动法规范围内，故再生制动力由优化再生制动力提供，剩余后轴制动力由气压制动力提供。

③当rego＞b2时，优化再生制动力较超出ECE制动法规，故后轴制动力完全由再生制动力提供。

4）当3.97×104N＜r≤5.29×104N（即图2中的点）时，此时的控制策略与前一种类似，与ECE法规可行域的交点上下限的纵坐标为b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后轴制动力分配应按后轴制动力最大的实施分配。（5.29×104N 为制动强度为0.3时满载所需制动力）

则

其中，

此时电机再生制动和气压摩擦制动分配策略分三种情况讨论：

①当rego≤b2时，由于优化再生制动力超出ECE制动法规范围，故将再生制动力降为rego，剩下的后轴制动力由气压制动提供，前轮制动力不变。

②当b2＜rego≤b1时，优化再生制动力在ECE制动法规范围内，故后轴制动力优先由再生制动力提供，后轴剩余制动力由气压制动提供。

③当rego＞b2时，优化再生制动力较超出ECE制动法规，故后轴制动力完全由再生制动力提供。

5）当5.29×104N＜r≤7.06×104N（即图2中的点）时，此时的控制策略与前类似，与ECE法规可行域的交点上下限的纵坐标为b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后轴制动力分配应按后轴制动力最大的实施分配。式中7.06×104N为制动强度0.8时空载所需制动力。

此时的电机再生制动和气压摩擦制动分配策略分三种情况讨论：

①当rego≤b2时，由于优化再生制动力超出ECE制动法规范围，故将再生制动力降为rego，剩下的后轴制动力由气压制动提供，前轮制动力不变。

②当b2＜rego≤b1时，优化再生制动力在ECE制动法规范围内，故后轴制动力优先由再生制动力提供，后轴剩余制动力由气压制动提供。

③当rego＞b2时，优化再生制动力较超出ECE制动法规，故后轴制动力完全由再生制动力提供。

6）当7.06×104N＜r≤14.11×104N时，此时控制策略与前类似，与ECE法规可行域的交点上下限的纵坐标为为b1、b2。由于需要最大限度地回收能量，前后轴制动力分配应按后轴制动力最大的实施分配。（14.11×104N为制动强度为0.8时满载所需制动力）

则

其中，b1=0.355×r+1.27。

此时为了更方便地求解可行域的上限，可以用直线：

代替可行域的上限，可推导出以下结果：

此时电机再生制动和气压摩擦制动分配策略分三种情况讨论：

①当rego≤b2时，由于优化再生制动力超出ECE制动法规范围，故将再生b1-rego制动力降为rego，剩下的后轴制动力由气压制动提供，前轮制动力不变。

②当b2＜rego≤b1时，优化再生制动力在ECE制动法规范围内，故后轴制动力优先由再生制动力提供，后轴剩余制动力由气压制动提供。

③ 当rego＞b2时，优化再生制动力较超出ECE制动法规，故后轴制动力完全由再生制动力提供。

7）当r≥14.11×104N时，此时系统会判断出车辆需要紧急制动工况，再生制动就会停止工作，启动防抱死制动系统工作保证制动的安全性。

3 结论

本文以某款插电式混合动力客车为研究对象，分析了气压机械制动与再生制动相配合并结合ABS技术的制动系统，研究得出该车型电机再生制动力矩的大小与前、后轴气压摩擦制动力矩的大小。提出了在满足空、满载制动ECE法规安全制动的前提下，进行最大制动能量回收的控制策略。该策略可进行制动能量最大程度的回收，实现了混合动力汽车低油耗，低排放以及获得平稳驾驶性能和舒适性的目标。

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Research on Regenerative Braking Control Strategy ofa Plug-in Hybrid Electric Bus

YANG Zhao, ZHANG Rong, LI Tianchuang

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

Plug-in hybrid electric vehicle can use both power grid and engine power. At present, it is an important vehicle to solve energy shortage and environmental pollution. Regenerative braking energy control strategy, as one of the key technologies of plug-in hybrid vehicle, determines the ability of vehicle to recover ability.This paper mainly describes the traditional pneumatic braking and regenerative braking system of a hybrid electric bus. The structure and working principle of regenerative braking are studied, and the calculation and analysis of regenerative braking are carried out for a hybrid electric bus. A braking power distribution scheme of rational distribution of mechanical and regenerative braking with proportional relay valves installed in front and rear wheels is put forward, which not only meets the ECE braking regulations of vehicle at empty and full load, but also achieves the maximum braking energy recovery control strategy.

Plug-in hybrid electric vehicle; Regenerative braking; Control strategy

U469.7

A

1671-7988(2023)18-15-05

杨昭（1989－），男，工程师，研究方向为新能源汽车，E-mail:yangzhao@sxqc.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.004