卞永明，李生博，朱利靜，蔣 佳，蘭 皓，何 勇

（1.同濟大學 機械工程學院，上海 201804；2.中國交通建設第二航務工程有限公司，湖北 武漢 430040）

車輛制動性能無疑是影響車輛安全性的重要因素之一.在對裝載機電力驅(qū)動行走技術的研究中，雙電動輪裝載機的制動系統(tǒng)必須始終滿足2個要求.首先，在緊急制動狀態(tài)下，必須使車輛在最短可能的距離中停止；其次，必須保持對車輛方向的控制.前者要求在所用的車輪制動系統(tǒng)能供給足夠的制動轉(zhuǎn)矩.后者要求所有的車輪上平均分配制動力.國內(nèi)外對如何充分利用車輛的制動能量進行了大量的工作，提出了多種回饋制動與液壓制動匹配控制的策略和方法，如并行分配策略、最佳制動力分配比策略、最佳能量回收策略等［1］.本文所研究的車型是ZLM15B輪式電力驅(qū)動裝載機.該裝載機行走系統(tǒng)采用雙電動輪作為驅(qū)動系統(tǒng).整車為前橋驅(qū)動，電動機通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動前輪.

1 永磁同步電動輪

永磁同步電動輪前驅(qū)裝載機（見圖1）行走系統(tǒng)取消了分動箱、液力變矩器和變速箱等機械部件，改由2個永磁同步電動輪前用3相380V交流電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油發(fā)動機.永磁同步電動輪（見圖2）由永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）和行走減速器組成，車輪直接與行走減速器連接，集行走和制動于一體.這是國內(nèi)首次將PMSM應用在工程機械輪邊驅(qū)動系統(tǒng)中.

圖1 永磁同步電動輪驅(qū)動裝載機Fig.1 Loader driven by PMSM

圖2 永磁同步電動輪Fig.2 PMSM electric wheel

圖3 永磁同步電動輪裝載機控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Control system structure schematic drawing of PMSM loader

永磁同步電機能量回饋制動原理介紹整機控制系統(tǒng)結構如圖3所示.電機控制器接收轉(zhuǎn)矩控制指令，采用弱磁控制算法控制電機運行，起步階段低速恒力矩輸出，運行階段高速恒功率運行.整機控制器根據(jù)加速或制動踏板的信號，向2個電機控制器發(fā)出相同電機轉(zhuǎn)矩控制指令，整機速度則由電機轉(zhuǎn)矩與外負載的平衡點決定［2］.

2 永磁同步電機能量回饋制動

對于永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)來說，常用的制動方式有能耗制動、反接制動和再生制動3種方式.其中能耗制動和反接制動是依靠在主回路中串接能耗電阻，實現(xiàn)制動的.再生制動是通過改變逆變器開關順序來實現(xiàn)的［3］.能耗制動和反接制動均需在電樞回路中串接耗能電阻，且制動的能量也是以熱的形式散失掉，得不到回收利用.從電機電磁制動機械特性來看，反接制動效果最好，但易產(chǎn)生較大的制動電流，且電路硬件實現(xiàn)相對復雜.再生制動可以延長電動車在單電池條件下的續(xù)駛歷程，因此采用了再生制動的制動方式.

通常意義上的同步永磁電機多傳動包括整流橋、直流母線供電回路、若干個逆變器，其中電機需要的能量是以直流方式通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）逆變器輸出.在多傳動方式下，制動時感生能量就反饋到直流回路.通過直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動狀態(tài)的電機上，制動要求特別高時，只需要在共用母線上并上1個共用制動單元即可.以此參照到眾多的制動小系統(tǒng)應用，也不失為效率好、節(jié)能高的制動方式.

共用直流母線方式的再生能量回饋系統(tǒng)（見圖4），是用1種最簡單的辦法來實現(xiàn)回饋制動方法.通過這種方式，它可以將制動產(chǎn)生的再生能量進行充分利用，從而起到既節(jié)約電能又處理再生電能的功效.

圖4中，VF1和VF2為變頻器，接線是典型的共用直流母線的制動方式，Ud為直流母線電壓，3-M1為三相永磁同步電機1，3-M2為三相永磁同步電機2，Te為電機輸出轉(zhuǎn)矩，ω為電機輸出轉(zhuǎn)速.M1，M2制動時處于發(fā)電狀態(tài)，三相交流電源接到處于電動狀態(tài)的電機M1上的變頻器VF1端，而VF2則通過共用直流母線方式與VF1的母線相連.在此種方式下，VF2僅做為逆變器在使用，電機處于電動時，所需能量由交流電網(wǎng)通過VF1的整流橋獲得；電機處于發(fā)電時，反饋能量通過直流母線流入超級電容.

圖4 共用直流母線回饋制動方式Fig.4 Feedback braking of common DC bus

3 串聯(lián)制動控制策略

雙電動輪裝載機制動控制系統(tǒng)的再生制動主要需要解決兩個基本問題：一是如何在再生制動和機械摩擦制動之間分配所需的總制動力，以回收盡可能多的車輛動能；二是如何分配總制動力，以實現(xiàn)穩(wěn)定的制動狀態(tài)［4］.通常，再生制動只對驅(qū)動軸有效.為回收盡可能多的動能，必須控制牽引電機產(chǎn)生特定量的制動力，而同時，應控制機械制動系統(tǒng)，滿足駕駛員給出的制動力指令.基本上，有3種不同的制動控制策略：具有最佳制動感覺的串聯(lián)制動、最佳能量回收率的串聯(lián)制動及并聯(lián)制動［5］.

本文系統(tǒng)采用同時具有最佳制動感覺和最佳制動能量回收率的串聯(lián)制動系統(tǒng).具有最佳的能量回收的特點：施加于前輪（驅(qū)動軸）上的制動力可分為2部分：再生制動力和機械摩擦制動力，當所需要的制動力小于電動機所能產(chǎn)生的最大制動力時，將只應用電再生制動.當給出的制動力指令大于可應用的再生制動力時，電動機將運行以產(chǎn)生其最大的制動轉(zhuǎn)矩，同時，剩余的制動力將由機械制動系統(tǒng)予以滿足；同時，又具有最佳能量回收率的串聯(lián)制動系統(tǒng)的特點：在滿足對應于給定負加速度指令的總制動力情況下，盡可能多地回收制動能量.

4 雙電動輪裝載機制動控制系統(tǒng)仿真

根據(jù)雙電動輪裝載機的平地空載、平地重載、下坡空載、上坡重載等工況，選擇基于弱磁控制的PWSM作為電動輪的驅(qū)動電機，建立了仿真模型，仿真分析了分別采用電力制動和機械制動在以上各工況下的制動性能及能量回收情況.

仿真參數(shù)主要包括整車參數(shù)和各種傳動部件的主要參數(shù)：整機質(zhì)量m＝5.5t，裝載石頭質(zhì)量m2＝1.4 t，滾動阻力系數(shù)為0.05，最大爬坡角度為25°，輪胎直徑為1.075m減速箱，行走減速器減速比為86，采用直流無刷電機，功率為5kW，電壓為273V，制動器為鉗盤式制動器.

按照表1的參數(shù)，對雙電動輪驅(qū)動裝載機平地、上坡等情況的空載和滿載下電力制動的制動距離、電容、電壓、電機轉(zhuǎn)矩、電機速度進行仿真，其結果如圖5—圖9所示.從仿真結果來看路況與車載都可以影響制動能量的回收，電容電壓和制動效果.

圖5 電制動各種工況下的制動距離Fig.5 Braking distance of electric braking

圖6 各工況下制動時的母線電壓Fig.6 Busbar voltage while braking

由仿真結果可知：

（1）改造后的雙電動輪驅(qū)動裝載機單獨采用再生制動平地上輕載的制動距離為0.69m，時間為0.70 s；重載時的制動距離為0.68m，制動時間為0.75s.而實驗表明采用鉗盤式制動器時，平路輕載的制動距離為2.08m，制動時間為2.6s；重載14kN時的制動距離為2.68m，制動時間為3.2s.可以看出在平地上采用再生制動的比采用鉗盤制動的制動距離和時間都短.

（2）制動時電機的制動轉(zhuǎn)矩變?yōu)?75N·m，加快了制動速度.制動過程中，電機通過直流母線給超級電容充電，超級電容的最大電壓達到了294.7V，減少了制動時的能量損失.

圖7 各工況下制動時的電機轉(zhuǎn)矩Fig.7 Motor torque while braking

圖8 各種工況下制動時的電機轉(zhuǎn)速Fig.8 Motor speed while braking

（3）上坡時制動的轉(zhuǎn)矩、速度、電機輸出的機械功率及制動時電容的電壓、制動距離均小于平地工況.

圖9 各種工況下制動時的輸出功率Fig.9 Output power while braking

5 結論

雙電動輪驅(qū)動裝載機運行中的1個主要特點就是頻繁的起動和制動，雙電動輪驅(qū)動裝載機對于其驅(qū)動電機來說同時是1個大的慣量，因此研究電動汽車制動時的能量回饋控制技術具有非常重要的理論價值和現(xiàn)實意義.本文以雙電動輪驅(qū)動裝載機為研究對象，對其再生制動系統(tǒng)與機械制動系統(tǒng)進行了研究，取得了以下成果：

（1）基于永磁同步電機能量回饋制動原理提出了雙電動輪驅(qū)動裝載機的串聯(lián)制動控制策略，在保證制動安全的前提下回收最大的制動能量，實現(xiàn)整車制動能量高效回收.

（2）在MATLAB／Simulink環(huán)境下對整車和制定的再生控制策略進行了在平地、上坡分別重載和輕載下仿真，仿真出電機的轉(zhuǎn)矩、速度、電機輸出的機械功率及制動時電容的電壓，制動距離.

（3）仿真結果表明，采用再生制動是符合實際要求的，效果優(yōu)于單采用鉗盤式制動器.

［1］SOGA M，SHIMADA M，SAKAMOTO J I，et al.Development of vehicle dynamics management system for hybrid vehicles：ECB system for improved environmental and vehicle dynamic performance［J］.JSAE Sakai，2002，23：459-464.

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［5］EHSANI M，GAO Y M，EMADI A.Modern electric，hybrid electric，and fuel cell vehicles fundamentals，theory，and design［M］.Beijing：China Machine Press，2008.