摘要：重卡在行駛時(shí)因載荷和路況復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力變化幅值較大，其再生制動(dòng)影響到車輛的制動(dòng)安全和整車能耗。針對(duì)單一回饋功率的再生制動(dòng)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致頻繁切換檔位或無法獲得有效的制動(dòng)扭矩和能量回饋的問題，指出單級(jí)能量回饋管理的弊端，提出了解決方案。在多變載荷和工況下，純電動(dòng)重卡采用該方案可在滿足客戶使用感知舒適性的前提下，利用制動(dòng)回饋能量來降低整車能耗，提高能量回收率。在實(shí)際應(yīng)用中，多變載荷和起伏路況下再生制動(dòng)時(shí)不會(huì)因機(jī)械式自動(dòng)變速箱（AMT）頻繁換檔而竄動(dòng)，同等條件下整車工況能耗從2.25（ kW·h）/km降低到1.79（ kW·h）/km。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)重卡；能量管理；再生制動(dòng)；多變載荷；多級(jí)回饋制動(dòng)

0 前言

商用車是落實(shí)汽車和交通領(lǐng)域“碳減排”目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年汽車運(yùn)行產(chǎn)生的碳排放量超過9 億t，在交通碳排放中占比超過85%。商用車雖然僅占汽車保有量的12%，但是其碳排放貢獻(xiàn)率卻超過55%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2060 年，商用車保有量將從目前的3 100 萬輛增長(zhǎng)至4 000 萬～5 200萬輛［1］。電動(dòng)重卡的推廣應(yīng)用為推動(dòng)交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)提供了一種解決方案。

目前，重卡電動(dòng)化主要是通過充電、換電等純電動(dòng)技術(shù)路線在區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行推廣使用。純電動(dòng)重卡的主要使用場(chǎng)景是中短途運(yùn)輸，這些場(chǎng)景主要集中在礦山、鋼鐵廠、碼頭等地，車輛類型為牽引車或自卸車。由于純電動(dòng)重卡載荷變化較大，通常采用多檔位變速的方式來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)扭矩和電機(jī)高效區(qū)的匹配。當(dāng)前，純電動(dòng)重卡多采用電機(jī)與機(jī)械式自動(dòng)變速箱（AMT）一體式中央驅(qū)動(dòng)的方式來匹配整車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，常見的純電動(dòng)重卡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1 所示。

純電動(dòng)重卡因載質(zhì)量大，在再生制動(dòng)過程中能夠提供較大的行駛動(dòng)能，下行坡路時(shí)可提供較大的勢(shì)能，這些能量構(gòu)成了再生制動(dòng)能量的基礎(chǔ)。在部分空載上坡、重載下坡的極限工況下，純電動(dòng)重卡甚至可以實(shí)現(xiàn)往返路程綜合能耗為零。基于以上特征，純電動(dòng)重卡在重載下坡的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中得到了迅速推廣。在純電動(dòng)重卡的開發(fā)設(shè)計(jì)中，再生制動(dòng)的管理是其能量管理的重要組成部分。

眾多學(xué)者針對(duì)電動(dòng)車的回饋制動(dòng)原理及優(yōu)化開展了研究。邵鴻佳［2］對(duì)新能源汽車制動(dòng)能量回收控制的基本原理、永磁同步電機(jī)的制動(dòng)能量回收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和新能源汽車制動(dòng)能量回收模糊控制策略進(jìn)行了研究。郭金剛等［3］通過分析得出制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)能量回收效果影響較大，通過制動(dòng)強(qiáng)度最優(yōu)控制策略實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)單次工況能量回收的最優(yōu)化。靳立強(qiáng)等［4］考慮到動(dòng)力電池荷電量（SOC）和制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)電機(jī)再生制動(dòng)力矩的影響，設(shè)計(jì)了雙輸入單輸出的模糊控制策略，以提高再生制動(dòng)能量回收率。曾小華等［5］提出了基于電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩曲線的串聯(lián)制動(dòng)控制策略，該策略可降低油耗并提高能量回收率。為了提高制動(dòng)能量回收率，王善超等［6］研究提出了通過串聯(lián)制動(dòng)能量回饋策略，在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）工況下，使該款車的制動(dòng)能量回收率提高了8%。

然而，純電動(dòng)重卡載質(zhì)量變化大，在起伏路況下，相同的制動(dòng)回饋功率在滿載和空載時(shí)，制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)加速度差異明顯，導(dǎo)致制動(dòng)忽大忽小，給駕乘人員帶來極差的駕乘體驗(yàn)。若制動(dòng)感知功率滿足滿載情況，車輛空載時(shí)制動(dòng)則會(huì)過強(qiáng)；若基于空載設(shè)置制動(dòng)回饋功率，車輛滿載時(shí)回饋制動(dòng)感知就會(huì)較弱，且不利于能量回收。以往的研究均基于單一傳動(dòng)比電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展，與車輛驅(qū)動(dòng)檔位并無關(guān)聯(lián)。純電動(dòng)重卡配置了多檔AMT 的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這使得其在AMT 換檔控制策略、制動(dòng)扭矩分配、電機(jī)回饋制動(dòng)功率、整車制動(dòng)回饋功率的匹配方面更加復(fù)雜。以往研究的單一制動(dòng)功率檔位優(yōu)化控制策略無法與配置AMT 的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配，在實(shí)際應(yīng)用中也無法獲得較好的制動(dòng)效能和能量回收率。

本文以一款49 t 純電動(dòng)重卡為研究對(duì)象，分析整車在空載和滿載、水平道路和重載下坡道路行駛等不同工況下的制動(dòng)功率需求和再生制動(dòng)功率邊界值。圍繞實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的現(xiàn)象，制定出多檔回饋制動(dòng)功率檔位與AMT 換檔策略相匹配的再生制動(dòng)扭矩控制策略，優(yōu)化再生制動(dòng)駕駛感知和性能，解決實(shí)際應(yīng)用中所遇到的問題，以達(dá)到改善駕駛性能、延長(zhǎng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)零部件壽命、提高制動(dòng)回饋能量回收率和降低整車能耗等目的。

1 純電動(dòng)重卡再生制動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了獲取最大的回饋制動(dòng)性能，在設(shè)計(jì)回饋功率扭矩時(shí)，通常會(huì)依據(jù)最大減速度需求、當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)最大制動(dòng)功率、車橋最大可使用回饋扭矩進(jìn)行設(shè)定。本文所研究的純電動(dòng)重卡行駛于起伏路況時(shí)，滿載質(zhì)量可達(dá)49 t，空載質(zhì)量為12 t，在相同的制動(dòng)回饋功率下，滿載和空載時(shí)制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)加速度差異顯著，導(dǎo)致制動(dòng)忽大忽小，給駕乘人員帶來極差的制動(dòng)體驗(yàn)。本文研究的純電動(dòng)重卡牽引車基本配置見表1。

本文圍繞實(shí)際應(yīng)用中遇到的重載下坡、AMT頻繁換檔和回饋制動(dòng)能量回收率低的問題開展分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1. 1 基于最大減速度的再生制動(dòng)邊界功率計(jì)算

依據(jù)車輛常用車速，以50 km/h 車速為例，在水平路面產(chǎn)生-0.05g（g 為重力加速度）加速度需求的制動(dòng)功率為285 kW。在空載和滿載工況下，不同坡度及載重維持50 km/h 下坡車速所需的制動(dòng)功率見表2。由表2 可以看出：當(dāng)車輛車速為50 km/h 時(shí)，在空載平坡和滿載大坡這2 種工況下，制動(dòng)需求功率的差值為471 kW。

1. 2 基于電機(jī)能力計(jì)算整車回饋能力

再生制動(dòng)時(shí)，整車慣量通過車橋變速箱傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)端。電機(jī)的性能決定了其可使用的最大扭矩。以電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min 為例，電機(jī)在變速箱各檔位下所能夠使用的整車最大輪端回饋扭矩能力見表3。為了便于研究，在不影響結(jié)論的情況下，本文分析計(jì)算時(shí)將齒輪傳遞效率按100% 計(jì)算，結(jié)果數(shù)值取整數(shù)。

1. 3 基于驅(qū)動(dòng)橋最大回饋扭矩的再生限制限值

整車慣量通過車橋主減速齒輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為扭矩傳遞給ATM，并最終傳遞給電機(jī)形成發(fā)電扭矩。由于車橋主減速器螺旋傘齒輪齒背的反向扭矩存在一定的限制（一般為正向最大驅(qū)動(dòng)扭矩的30%），以驅(qū)動(dòng)橋最大可承受限值為基礎(chǔ)，按制動(dòng)回饋深度的不同進(jìn)行5 檔分配。在電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min且不區(qū)分AMT 檔位時(shí)，整車依據(jù)驅(qū)動(dòng)橋端可承受的制動(dòng)反拖扭矩見表4。

2 純電動(dòng)重卡再生制動(dòng)問題及分析

為了獲得最大的回饋效果，并確保車橋主減速齒輪的使用安全，一般采用表4 中車橋可提供的反拖機(jī)械扭矩作為回饋扭矩設(shè)計(jì)邊界。在確定輪端扭矩設(shè)計(jì)邊界后，針對(duì)不同的AMT 檔位，將其轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而獲得電機(jī)回饋功率，最終形成再生制動(dòng)能量。

2. 1 再生制動(dòng)時(shí)檔位頻繁切換

當(dāng)系統(tǒng)采用車橋可承受的最大可回饋扭矩限值時(shí)，若車速為50 km/h 且車輛AMT 處于4 檔下坡，駕駛員為維持平穩(wěn)駕駛性能，習(xí)慣使用1 檔再生制動(dòng)。在此情況下，按車橋最大反拖扭矩控制，車輛會(huì)大幅減速，其減速程度強(qiáng)于駕駛員預(yù)期，致使駕駛員頻繁切換制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)模式。在此行駛過程中，車輛對(duì)應(yīng)的再生制動(dòng)檔位和車速的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2 所示。從圖2 可以看出：由于制動(dòng)扭矩過大，車速快速降低，因?yàn)檐囕v制動(dòng)超出駕駛員預(yù)期，駕駛員松開制動(dòng)后車速快速回升，需要駕駛員頻繁制動(dòng)。

該工況下，再生制動(dòng)回饋電流跟隨再生制動(dòng)檔位開關(guān)變化，電機(jī)回饋電流處于斷續(xù)狀態(tài)。具體車速、再生制動(dòng)檔位和回饋電流隨時(shí)間的變化曲線如圖3 所示。從圖3 可以看出：由于再生制動(dòng)頻繁地開啟和關(guān)閉，使得電機(jī)制動(dòng)回饋電流呈現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的狀態(tài)。在車輛駕駛過程中，會(huì)明顯感知到車輛車速忽高忽低，再生制動(dòng)忽有忽無，這是一種極差的駕駛感受。

2. 2 回饋制動(dòng)控制扭矩大于整車可以提供的扭矩

當(dāng)系統(tǒng)采用車橋端單一可承受的最大回饋扭矩限值時(shí)，對(duì)于車輛全速域區(qū)間內(nèi)，存在多個(gè)檔位控制扭矩遠(yuǎn)大于車輛動(dòng)力系統(tǒng)能力的情況。當(dāng)車輛處于滿載且以50 km/h 的速度行駛時(shí)，車輛可提供的實(shí)際回饋扭矩見表5。

2. 3 單一限值再生制動(dòng)扭矩分配策略下能耗

在實(shí)際行駛過程中，采用單一最大限值回饋策略的車輛實(shí)際行駛工況下的能耗統(tǒng)計(jì)見表6。

3 純電動(dòng)重卡再生制動(dòng)優(yōu)化措施及效果

整車采用單一最大限值分級(jí)車輛，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由于車輛受到較大的制動(dòng)回饋扭矩，其減速度超出駕駛員的行駛預(yù)期，駕駛員撤銷制動(dòng)控制后，車輛速度再次提升，如此反復(fù)。雖然單點(diǎn)工況下的制動(dòng)扭矩有所提升，但卻導(dǎo)致回饋制動(dòng)不連貫，電機(jī)無法處于持續(xù)回收工況，使得整車回收效果低、制動(dòng)損耗高，同時(shí)整車能耗也較高。

為了解決以上難點(diǎn)，整車回饋制動(dòng)在最大制動(dòng)需求、整車可提供制動(dòng)回饋扭矩、整車當(dāng)前車速下回饋?zhàn)畲箅姽β仕枧ぞ刂g進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配調(diào)控，以維持整車平穩(wěn)的制動(dòng)性能、平穩(wěn)的車速和連續(xù)的回饋功率。

3. 1 動(dòng)態(tài)限值分級(jí)設(shè)計(jì)

以驅(qū)動(dòng)橋可承受的最大回饋限值為基礎(chǔ)，在考慮制動(dòng)安全、穩(wěn)定AMT 檔位和車速情況下，實(shí)時(shí)計(jì)算車輛當(dāng)前能夠提供的最大制動(dòng)扭矩，制定最優(yōu)再生制動(dòng)扭矩限值。在電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min 時(shí)動(dòng)態(tài)限值再生扭矩分配見表7。

3. 2 優(yōu)化后的再生制動(dòng)車速和曲線

優(yōu)化后，車速、再生制動(dòng)、回饋電流隨時(shí)間的變化曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出：再生制動(dòng)車速平穩(wěn)，再生制動(dòng)工況平穩(wěn)，電機(jī)持續(xù)發(fā)電，再生電流持續(xù)，可以獲得良好的駕駛性能和能量回饋。

采用優(yōu)化后的控制策略，同一車輛在同等行駛工況下整車工況能耗情況見表8。

為解決因車輛每次裝載量不同，以及整車在不同載重量下于不同坡度道路制動(dòng)的問題，整車設(shè)計(jì)提供了從1 檔到5 檔的再生制動(dòng)回饋檔位選擇，以此滿足不同場(chǎng)景的需求。

4 結(jié)語

最大動(dòng)態(tài)限值再生扭矩分配能夠?qū)φ嚠?dāng)前再生制動(dòng)的最大能力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配，可有效避免當(dāng)整車處于高檔位時(shí)，因再生制動(dòng)處于AMT 檔位處于1 檔而產(chǎn)生過大加速度的情況，從而改善了AMT 檔位處于2 檔、3 檔、4 檔時(shí)的駕駛性能，提升了客戶的駕乘體驗(yàn)。此外，這種方式還能延長(zhǎng)制動(dòng)關(guān)鍵部件的更換周期，降低車輛使用成本。同時(shí)，得益于充分有效的再生制動(dòng)，該款純電動(dòng)重卡的工況能耗從2.25（ kW·h）/km降低到1.79（ kW·h）/km。

通過動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)回饋功率的電動(dòng)重卡回收制動(dòng)能量?jī)?yōu)化策略，不僅兼顧了制動(dòng)安全和駕乘舒適性，提高了電動(dòng)重卡的能量回收率，而且還解決了不同載荷下整車駕駛性能一致性的行業(yè)難點(diǎn)。本方案在實(shí)踐應(yīng)用中，提高了電動(dòng)重卡的制動(dòng)能量回收率，降低了整車能耗，有利于提升電動(dòng)重卡在特定使用場(chǎng)景工況下的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

參 考 文 獻(xiàn)

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