周威力 封萬程 巨建輝

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：純電動商用車 能量回收 再生制動 控制策略 制動力分配

1 前言

近年來，國內(nèi)、外學(xué)者對新能源汽車再生制動控制策略進行了大量研究并取得了顯著成果。Gao等[1]提出3種典型的再生制動力分配方法，并針對不同制動強度進行了仿真試驗。劉威等[2]基于聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（Economic Commission of Europe，ECE）汽車法規(guī)對前輪驅(qū)動汽車制動力分配的限制作用，將制動強度劃分為4個制動區(qū)域，并設(shè)計了不同的制動力分配策略。昌誠程等[3]以路面附著系數(shù)識別為基礎(chǔ)，根據(jù)不同附著系數(shù)設(shè)計不同的控制策略。李爭爭等[4]設(shè)計了以車速、動力電池荷電狀態(tài)、制動強度為輸入變量，以制動力分配系數(shù)為輸出變量的模糊控制器，并考慮電機、電池和制動穩(wěn)定性要求，提出了一種再生制動控制策略。謝文科等[5]在制動力分配時考慮了制動的舒適性，相對于ECE 法規(guī)線和f線（即后輪沒有抱死，前輪剛剛抱死時的前、后地面制動力關(guān)系曲線），制動力分配曲線分別向上和向左偏移。趙玲等[6]根據(jù)制動強度和電池荷電狀態(tài)提出了一種基于模糊邏輯的制動力分配控制策略。

目前關(guān)于再生制動的研究大多集中于新能源乘用車領(lǐng)域，關(guān)于總制動能量更大的新能源商用車的再生制動控制策略仿真及試驗驗證[7]較少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以某后輪驅(qū)動純電動商用車為研究對象，提出一種基于電控制動系統(tǒng)兼顧制動能量回收及制動感覺的控制策略，對前后軸制動力分配、機電復(fù)合制動力分配及協(xié)調(diào)控制進行研究，使用AMESim 建立再生制動系統(tǒng)仿真模型。經(jīng)模型仿真及實車驗證，采用本文控制策略的車輛能夠較大幅度減少能量消耗，且制動過程平順舒適。

2 再生制動系統(tǒng)評價指標(biāo)及要求

2.1 節(jié)能貢獻度

本文采用節(jié)能貢獻度來評價再生制動系統(tǒng)在循環(huán)工況下的節(jié)能效果。在某循環(huán)工況下，給定行駛距離S0，設(shè)無制動能量回收時電池端消耗的能量為Er_off、有制動能量回收時電池消耗的能量為Er_on，節(jié)能貢獻度δE表達(dá)為[8]：

2.2 沖擊度

新能源汽車制動過程中，電機制動與機械制動共同參與，兩者之間如果不能做到協(xié)調(diào)控制，將會影響制動過程的平順性。為了評價再生制動系統(tǒng)工作過程的平順性，本文引入沖擊度這一概念，即減速度變化率。沖擊度越小，平順性越好。研究認(rèn)為[9]，人體在感覺舒適的范圍內(nèi)所能承受的最大沖擊度為10 m/s3。

2.3 再生制動系統(tǒng)設(shè)計要求

博世公司對協(xié)同式再生制動系統(tǒng)提出了如下要求[10]：

a.確定駕駛員的減速度需求；

b.保持與傳統(tǒng)車輛一致的制動效能和操作；

c.在考慮穩(wěn)定性、舒適性和制動效能的前提下，適當(dāng)?shù)胤峙淠Σ林苿恿嘏c再生制動力矩；

d.確定合適的車輛前、后軸制動力矩；

e.摩擦制動力矩可調(diào)節(jié)。

3 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

為了滿足上述要求，本文設(shè)計了如圖1所示的再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括制動閥、橋控模塊、制動器、儲氣筒、制動控制器（Brake Control Unit，BCU）、電機控制器（Motor Control Unit，MCU）、電機、電池、驅(qū)動橋、制動器及互相連接的管線路。為了簡化，省略了供氣系統(tǒng)、防抱死電磁閥、輪速傳感器等結(jié)構(gòu)。

圖1 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

再生制動系統(tǒng)的控制原理為：制動控制器根據(jù)電機轉(zhuǎn)速、電池荷電狀態(tài)、電池當(dāng)前最大允許充電功率等計算電機當(dāng)前可提供的最大制動力矩；制動時，制動控制器根據(jù)制動踏板位置及車輛載荷狀態(tài)計算駕駛員需求總制動力，同時進行前、后輪制動力分配，之后將后輪制動力分為電機制動力和后輪摩擦制動力；制動控制器通過氣壓調(diào)節(jié)控制前、后輪摩擦制動力，同時通過電機控制器控制電機制動力，最終實現(xiàn)車輛的制動和對電池的充電。

4 再生制動控制策略

本文根據(jù)新能源商用車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計制定了兼顧制動能量回收及制動感覺的控制策略，該策略分為2 個部分，分別是前、后輪制動力分配和后輪機電復(fù)合制動力分配，前者影響車輛在制動過程中的穩(wěn)定性及制動能量回收的效率，后者則影響制動能量回收的效率及制動過程的沖擊度。

4.1 前、后輪制動力分配

前、后輪制動力主要根據(jù)理想制動力分配曲線、GB 12676標(biāo)準(zhǔn)以及常用循環(huán)工況減速度分布情況進行分配，在保證制動穩(wěn)定性的前提下，將制動力盡可能多地分配到后輪。

4.1.1 理想制動力分配

根據(jù)汽車?yán)碚摚苿訒r前、后車輪同時抱死，對路面附著條件的利用、制動時汽車的方向穩(wěn)定性均較為有利。此時，前、后輪地面制動力滿足理想制動力分配曲線，即I曲線：

式中，F(xiàn)bf、Fbr分別為汽車前、后輪制動力；G為車輛重力；hg為車輛質(zhì)心高度；b為車輛質(zhì)心至后軸的距離；L為車輛軸距。

4.1.2 最大制動能量回收策略的制動力分配

為了實現(xiàn)最大化制動能量回收，并且兼顧制動穩(wěn)定性，考慮到常用工況下制動強度大多在0.15以下，故本文控制策略在制動強度0.15 以下時將制動力全部分配到后輪，制動強度大于0.15時前輪制動力逐漸介入。本文前、后制動力分配具體策略如圖2所示。

圖2 前、后制動力分配曲線

將制動過程按制動強度大小分為3種類型，分別為OA段、AB段和B點之后。其中AB段為A點與I 曲線之間的水平線段，B點為AB段與I曲線的交點。

對于OA段，其制動控制器制動強度較低，將制動力全部分配于后輪，其分配公式如下：

式中，z為制動強度。

對于AB段，其制動強度相對較高，需前、后輪共同提供制動力，其分配公式如下：

對于B點之后，按照理想制動力分配曲線進行分配，其分配公式如下：

式中，a為質(zhì)心到前軸距離。

4.2 后輪機電制動協(xié)調(diào)分配控制策略

后輪總制動力分為后輪摩擦制動力和電機制動力。為了充分利用電機制動力，優(yōu)先將總制動力分配為電機制動力，當(dāng)電機制動力不滿足需求時，由摩擦制動力進行補償。具體可分為如下工作模式：

a.電機制動。后橋所分配制動力較小時，電機可以獨立提供后橋所分配制動力，此時電機單獨進行制動，表達(dá)式如下：

式中，F(xiàn)T為電機制動力；FM為后輪摩擦制動力。

b.混合制動。后橋所分配制動力較大時，電機不足以提供后橋所分配制動力，此時電機制動與摩擦制動同時發(fā)生，表達(dá)式如下：

式中，F(xiàn)Tmax為電機所能提供的最大制動力。

c.摩擦制動。當(dāng)電機由于各種原因無法提供制動力時，由摩擦制動滿足后橋制動力需求：

其中，電機所能提供的最大制動力FTmax主要受電機及電池特性影響。再生制動過程中，電機產(chǎn)生的電能由電池儲存起來，所以電機的發(fā)電功率不能超過電池最大充電功率，同時電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）過高時也不能使用電機制動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速過低時，電機不能提供穩(wěn)定的制動力矩，同時電機此時的效率也較低，故在電機轉(zhuǎn)速過低時，也不能使用電機制動。為了避免電機制動力突然退出導(dǎo)致較大的沖擊度，保證制動過程平順舒適，本文引入了電池SOC 影響系數(shù)f(s) 和電機轉(zhuǎn)速影響系數(shù)f(n)，以控制電機制動緩慢退出：

式中，Tm_max為MCU 發(fā)送的電機當(dāng)前最大制動力矩；TP_max為根據(jù)電池當(dāng)前最大充電功率計算得出的電機制動力矩；i為傳動系速比；R為車輪滾動半徑；ηt為傳動系效率。

電池SOC影響系數(shù)f(s) 可表示為：

式中，s為SOC當(dāng)前數(shù)值。

電池當(dāng)前最大充電功率PB_max對應(yīng)的當(dāng)前狀態(tài)下電機最大制動力矩TP_max表達(dá)式為：

式中，ηm為電機當(dāng)前狀態(tài)下的效率。

電機轉(zhuǎn)速影響系數(shù)f(n)可表達(dá)為：

式中，n為電機轉(zhuǎn)速。

綜上所述，再生制動控制策略主要步驟為：制動時，制動控制器根據(jù)駕駛員踩踏制動踏板行程計算駕駛員需求的總制動力；在滿足整車設(shè)計要求的前提下，初次分配前、后輪制動力；之后將后輪制動力分為電機制動力和后輪摩擦制動力；當(dāng)電機制動力不滿足要求時，控制電機制動力緩慢退出，并由摩擦制動力進行補償，保證車輛平穩(wěn)減速。如果防抱死系統(tǒng)激活，則應(yīng)使電機制動退出，由防抱死系統(tǒng)進行控制。

5 再生制動控制策略仿真驗證

為了驗證本文提出的再生制動控制策略，根據(jù)所研究車輛的特點建立了基于AMESim 的仿真模型并進行了仿真分析。

5.1 仿真模型搭建

基于AMESim 建立再生制動仿真模型，如圖3 所示，包含整車模型、駕駛員模型、電機模型、減速器模型、后橋模型、動力電池模型、整車控制器模型、再生制動控制模型。其中，整車模型、減速器模型及后橋模型相關(guān)參數(shù)根據(jù)所研究車輛的實際參數(shù)進行設(shè)置，行駛阻力根據(jù)滑行試驗確定并通過查表導(dǎo)入；駕駛員模型主要利用比例積分（Proportional Integral，PI）控制器，以需求車速與仿真車速之差作為輸入，通過調(diào)節(jié)油門或制動踏板開度產(chǎn)生修正力矩，對需求車速進行跟蹤，以消除車速偏差；電機和動力電池模型的相關(guān)性能參數(shù)根據(jù)試驗確定并通過查表導(dǎo)入；再生制動控制模型包含前后制動力分配模塊、機電協(xié)調(diào)分配模塊、電機最大制動力矩計算模塊，分別與控制策略對應(yīng)。

圖3 再生制動系統(tǒng)仿真模型

5.2 循環(huán)工況仿真

在循環(huán)工況下，車輛頻繁地起步和制動，在滿足約束的條件下，再生制動系統(tǒng)回收的能量也較大。本文選擇中國重型商用車瞬態(tài)循環(huán)工況（China World Transient Vehicle Cycle，C-WTVC），與并聯(lián)控制策略進行對比，驗證本文控制策略的有效性，仿真結(jié)果如圖4～圖8 所示。其中并聯(lián)控制策略的車輛對原有制動系統(tǒng)改動較小，前、后制動力按固定比例分配，電機制動力與后輪制動力疊加，目前在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。

圖4 循環(huán)工況與模型實際車速對比

由圖4可知，實際車速能較好地跟隨標(biāo)準(zhǔn)車速，兩者變化趨勢一致且穩(wěn)定，最大誤差為0.42 m/s，說明本文建立的仿真模型能根據(jù)再生制動系統(tǒng)變化調(diào)整電機制動力與氣壓制動力，且動態(tài)響應(yīng)較好，能夠滿足仿真要求。

由圖5 可知，在C-WTVC 循環(huán)工況下，采用本文控制策略，制動時主要采用電機制動，只有在電機轉(zhuǎn)速較低時，氣壓制動才會介入。

圖5 循環(huán)工況下電機/氣壓制動力矩仿真結(jié)果

圖6 中，電機力矩大于零的部分為驅(qū)動過程，電機力矩小于零的部分為制動過程。由圖6可知，電機的制動能力得到了較好發(fā)揮，證明本文控制策略能夠充分利用電機制動，較少使用氣壓制動。

圖6 循環(huán)工況下電機工作點仿真結(jié)果

由圖7 可知，與并聯(lián)制動控制策略相比，完成相同的循環(huán)工況，本文再生制動控制策略下電池SOC較高。

圖7 循環(huán)工況下電池SOC仿真結(jié)果

根據(jù)圖8 電池功率曲線，將電池功率大于0 的部分進行積分，得到循環(huán)工況下驅(qū)動所消耗的能量，即無制動能量回收時電池端消耗的能量Er_off，然后將電池功率小于0的部分進行積分并取絕對值，得到循環(huán)工況下再生制動系統(tǒng)所回收的能量，即Er_off-Er_on，由此可計算2種控制策略下的節(jié)能貢獻度，結(jié)果如表1所示。本文控制策略節(jié)能貢獻度達(dá)16.0%，優(yōu)于并聯(lián)控制策略。

表1 節(jié)能貢獻度

圖8 電池功率

5.3 不同制動強度工況仿真

選取初速度為60 km/h，制動強度分別為0.1、0.3、0.5的工況，對控制策略進行仿真，結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 不同制動強度下車速仿真結(jié)果

由圖10可知，各工況下電池SOC曲線均有所上升，同時，回收的能量隨著制動強度的增大而減少，這主要是因為制動強度較大時前輪氣壓制動參與較多而電機制動參與較少。該現(xiàn)象可從圖11 中得到證實，與所設(shè)計的控制策略一致。

圖10 不同制動強度下SOC仿真結(jié)果

圖11 不同制動強度下電機/氣壓制動力矩仿真結(jié)果

6 再生制動控制策略試驗驗證

為進一步驗證本文提出的控制策略的有效性及仿真模型的準(zhǔn)確性，進行實車轉(zhuǎn)鼓及道路試驗。

6.1 轉(zhuǎn)鼓試驗驗證

將匹配有本文控制策略的純電動物流車在底盤測功機上按C-WTVC 循環(huán)工況進行能量消耗測試，測試結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 轉(zhuǎn)鼓試驗車速

由圖12、圖13 可知，在試驗過程中，前輪氣室壓力始終為0，這說明在循環(huán)工況下，前輪氣壓制動始終沒有參與。后輪氣室只有在車速較低時才有氣壓，這是由于車速較低時，電機無法提供準(zhǔn)確的制動力矩，故需使電機制動退出，氣壓制動進行補償，這與電機/氣壓制動協(xié)調(diào)控制的策略一致。

圖13 制動氣室氣壓轉(zhuǎn)鼓試驗結(jié)果

將圖14 中電池功率曲線進行積分，可得循環(huán)工況中，用于驅(qū)動消耗的電池能量為10.78 kW·h，再生制動回收的能量為1.71 kW·h，由此可計算節(jié)能貢獻度為15.9%，與仿真結(jié)果相符，也說明了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖14 電池功率轉(zhuǎn)鼓試驗結(jié)果

6.2 道路試驗驗證

選取初速度為60 km/h，制動強度分別為0.1、0.3、0.5左右的工況，分別進行試驗，試驗結(jié)果如圖15～圖17所示。

圖15 不同制動強度下電池功率道路試驗結(jié)果

由圖15可知，在各工況制動過程中，電池均處于充電狀態(tài)，且電池充電的電量隨制動強度的增加而減少，與控制策略及仿真結(jié)果一致。

由圖16 可知，制動強度較小時，氣壓制動參與較少，制動強度較大時，氣壓制動參與增多，與控制策略及仿真結(jié)果一致。

圖16 不同制動強度下電機制動力矩/制動氣室氣壓道路試驗結(jié)果

由圖17 可知，在制動過程中，減速度變化平穩(wěn)，減速度變化率絕對值較小，最大僅為3.19 m/s3，符合汽車行駛平順性的要求。這說明本文控制策略能夠通過協(xié)調(diào)控制電機制動與氣壓制動使制動過程中車輛保持平順。

圖17 不同制動強度下減速度變化率道路試驗結(jié)果

7 結(jié)束語

本文提出了一種適用于后輪驅(qū)動新能源商用車的再生制動控制策略，設(shè)計了以制動強度、電池SOC、電機轉(zhuǎn)速作為輸入的制動力分配方法，建立了基于AMESim的再生制動仿真模型，并進行了實車驗證，仿真及試驗結(jié)果證明了控制策略及仿真模型的有效性，在保證制動方向穩(wěn)定性的前提下，能夠很好地實現(xiàn)電機制動與摩擦制動的協(xié)調(diào)工作，最大程度地回收了制動能量，在CWTVC循環(huán)工況下節(jié)能貢獻度可達(dá)15.9%。