電儲(chǔ)能車輛再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配系數(shù)設(shè)計(jì)

付先成，張保成，顏 波

（中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

隨著資源和空氣污染問題的不斷加劇，使得電力驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅在家里，而且在汽車業(yè)也越來(lái)越流行，比如現(xiàn)在的混合動(dòng)力汽車?；旌蟿?dòng)力汽車不僅能有效利用電力，提高燃料利用率，還可以減少?gòu)U氣排放，因此電能存儲(chǔ)車輛將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)［1］。

1 電儲(chǔ)能再生制動(dòng)系統(tǒng)原理

電儲(chǔ)能再生制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電儲(chǔ)能再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為：當(dāng)車輛減速或制動(dòng)時(shí)，主控制單元分析系統(tǒng)的運(yùn)行速度、制動(dòng)強(qiáng)度、電池能量值的信號(hào)，控制電子控制離合器快速順利結(jié)合，并將控制命令傳到電機(jī)控制器，使電機(jī)工作在發(fā)電模式，從而制動(dòng)，并將轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)到儲(chǔ)能電池組，完全回收制動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)，主控制單元對(duì)電池的能量值信號(hào)進(jìn)行判斷，若其能量大于驅(qū)動(dòng)器的閾值，則控制電控離合器快速結(jié)合，將控制指令傳遞給電機(jī)控制器，使電動(dòng)機(jī)工作在驅(qū)動(dòng)模式下。當(dāng)蓄電池組的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)車輛開始行駛時(shí)的速度達(dá)到一定值時(shí)，由原始的車輛動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛［2］。

2 利用附著系數(shù)

為了定量地說明車輛制動(dòng)時(shí)路面附著條件的利用率，引入利用附著系數(shù)z。由于前、后輪的附著系數(shù)不同，表示為：

其中：φi為第i輪的利用附著系數(shù)；Fxbi為車輛第i輪的地面制動(dòng)力，N；Fzi為地面對(duì)第i輪的法向反力，N。

2.1 前輪的利用附著系數(shù)計(jì)算

前輪或前后輪同時(shí)出現(xiàn)抱死趨勢(shì)時(shí)，車輛產(chǎn)生的制動(dòng)減速度為：

其中：z為制動(dòng)強(qiáng)度；g為重力加速度；v為車輛的速度。

前輪地面制動(dòng)力為：

其中：G為車輛重力，N；β為制動(dòng)力分配系數(shù)。

前輪地面法向反力為：

其中：L為軸距，m；b為質(zhì)心到后軸的距離，m；hg為車輛質(zhì)心高度，m。

將式（3）、式（4）代入式（1），得前輪利用附著系數(shù)為：

2.2 后輪利用附著系數(shù)計(jì)算

同理求得后輪利用附著系數(shù)為：

其中：a為質(zhì)心到前軸的距離，m；Fxbr為后輪地面制動(dòng)力。

由式（5）和式（6）繪制出電儲(chǔ)能XQ6103客車［3］空載、滿載時(shí)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的利用附著系數(shù)φ與制動(dòng)強(qiáng)度z的關(guān)系曲線，如圖2所示，其中利用附著系數(shù)與制動(dòng)強(qiáng)度都是相對(duì)量，單位為1。

圖2 利用附著系數(shù)與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

當(dāng)車輛的利用附著系數(shù)與制動(dòng)強(qiáng)度越接近，地面附著條件利用越充分，車輛的制動(dòng)力分配越合理；當(dāng)值相等時(shí)，稱為同步附著系數(shù)，表示為：

城市的路面附著系數(shù)通常都在0.6～0.8之間，代入相關(guān)參數(shù)，由公式（7）計(jì)算得滿載同步附著系數(shù)為0.875，空載同步附著系數(shù)為0.832。

3 ECE法規(guī)對(duì)車輛的規(guī)定

ECE第13號(hào)法規(guī)［4］對(duì)車輛各軸之間制動(dòng)力分配的明確要求如下：

（1）對(duì)于φ＝0.2～0.8之間的雙軸車輛，要求制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.1＋0.85（φ－0.2）。即前后輪利用附著系數(shù)φ≤（z＋0.07）/0.85。

（2）對(duì)于M3客車，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z在0.15～0.3之間時(shí)，要求前輪的利用附著系數(shù)曲線位于后輪的利用附著系數(shù)曲線上方，同時(shí)前輪的利用附著系數(shù)曲線位于曲線φ＝z±0.08之間，后輪利用附著系數(shù)φr≤z＋0.08；當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.3時(shí)，應(yīng)保證前、后輪的利用附著系數(shù)曲線滿足關(guān)系式φi≤（z－0.02）/0.74。結(jié)合圖2，可以看出電儲(chǔ)能XQ6103客車在滿載、空載情況，前、后輪利用附著系數(shù)都能夠滿足ECE法規(guī)的要求，如圖3所示。圖3中，下限φ＝z－0.08不適用于后軸的附著系數(shù)。

根據(jù)ECE法規(guī)對(duì)M3客車的制動(dòng)力分配要求，可以確定：

將式（5）、式（6）與式（8）聯(lián)立整理得到制動(dòng)力分配系數(shù)β與制動(dòng)強(qiáng)度z的關(guān)系為：

圖3 前、后輪利用附著系數(shù)與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系

由式（9）得到制動(dòng)力分配系數(shù)的控制曲線如圖4所示，其中制動(dòng)力分配系數(shù)為比值量，單位為1。由圖4可看出滿足ECE法規(guī)的制動(dòng)力分配系數(shù)β范圍在前輪嚴(yán)格上控制線和抱死順序控制線之間，為保證車輛具有良好的制動(dòng)性能，其制動(dòng)力分配系數(shù)β應(yīng)位于該區(qū)間內(nèi)。變換求得滿足ECE制動(dòng)法規(guī)要求的車輛前、后輪制動(dòng)力變化范圍，如圖5所示，即圖5中虛線所圍成的區(qū)域。

圖4 制動(dòng)力分配系數(shù)與制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系曲線

電儲(chǔ)能XQ6103客車由于再生制動(dòng)系統(tǒng)參與制動(dòng)，整車制動(dòng)力分配系數(shù)β發(fā)生變化，前后輪制動(dòng)力不再按傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的固定比例0.5分配。為了保證車輛具有較好的制動(dòng)性能，制動(dòng)力分配系數(shù)β應(yīng)在合理范圍內(nèi)的變化。

圖5 滿足ECE法規(guī)要求的前、后輪制動(dòng)力范圍

將電儲(chǔ)能XQ6103客車結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式（8），根據(jù)ECE法規(guī)確定制動(dòng)力分配系數(shù)β的上、下限值?？蛰d時(shí)，制動(dòng)力分配系數(shù)β值的變化范圍為0.395≤β≤0.5；滿載時(shí)β值的變化范圍為0.386≤β≤0.489。綜合空載與滿載兩種狀態(tài)，電儲(chǔ)能XQ6103客車滿足ECE法規(guī)的制動(dòng)力分配系數(shù)β的變化范圍為0.395≤β≤0.489。

然而，上述制動(dòng)力分配系數(shù)β變化范圍的界定方法過于嚴(yán)格，從圖4可以看出，只有制動(dòng)強(qiáng)度為0.3時(shí)，制動(dòng)力分配系數(shù)β上限才減至0.489，其他制動(dòng)強(qiáng)度下，制動(dòng)力分配系數(shù)β上限較高。對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)車輛的再生制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)過程中由于再生制動(dòng)的參與，其制動(dòng)力分配系數(shù)β上限為0.5。因此，在保證制動(dòng)的穩(wěn)定性及安全性的前提下，考慮到便于車輛機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，最終確定整車制動(dòng)力分配系數(shù)β的變化范圍為0.4≤β≤0.5。［5－7］

4 小結(jié)

本文對(duì)電儲(chǔ)能車輛機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)特性進(jìn)行研究，通過車輛制動(dòng)過程受力分析，確定了電儲(chǔ)能XQ6103客車空載、滿載同步附著系數(shù)分別為0.832和0.875，通過分析表明，前后輪利用附著系數(shù)都能夠滿足ECE法規(guī)要求，制動(dòng)力分配較為合理。根據(jù)ECE制動(dòng)法規(guī)要求，在滿足車輛制動(dòng)性能和制動(dòng)穩(wěn)定性、安全性的前提下，結(jié)合再生制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)特性，確定了車輛制動(dòng)力分配系數(shù)的變化范圍，為再生制動(dòng)力分配和再生制動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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