負載隔離式電動客車串聯(lián)復(fù)合制動策略研究

辛亞飛 張鐵柱 張洪信 趙清海 侯典平

摘要： 為提高電動客車的能量利用率并增加續(xù)駛里程，本文對負載隔離式電動客車串聯(lián)復(fù)合制動策略進行研究。在Matlab/Simulink軟件中搭建控制策略模型，嵌入AVL_CRUISE軟件搭建的電動客車仿真模型進行聯(lián)合仿真研究，對串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的制動能量回收效果進行分析，對控制策略的合理性和有效性進行驗證。仿真結(jié)果表明，帶串聯(lián)復(fù)合制動策略的車輛續(xù)駛里程增加了51.51 km，百公里電耗減少了28.02 kWh，制動能量回收率達到25.58%，驗證了串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的有效性。該研究為負載隔離式電動客車的研究和開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 負載隔離; 電動客車; 控制策略; 制動能量回收; 串聯(lián); 制動法規(guī)

中圖分類號： U461.3; TP273+.3? 文獻標識碼： A

電動汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為緩解全球環(huán)境與能源危機的重要途徑[1]。青島大學(xué)提出了負載隔離式電動汽車的概念，利用儲能電池存儲和供給主要電能，動力電池輔助滿足大功率及大電流的負載需求，采用自主產(chǎn)權(quán)的拓撲電路和控制策略，使發(fā)動機和儲能電池免受車輛負載變化造成的沖擊，保障發(fā)動機在最佳經(jīng)濟工作區(qū)域工作，增大制動能回收率，增加汽車續(xù)航里程[23]。為解決負載隔離式電動客車續(xù)駛里程短的問題，本文主要研究電動客車復(fù)合制動控制策略。在復(fù)合制動控制策略的研究中，張抗抗等人[4]提出串聯(lián)制動控制策略，該策略較適用于后輪驅(qū)動的純電動汽車;張俊智等人[5]針對混合動力城市客車提出了一種串聯(lián)式制動能量回饋系統(tǒng)及對應(yīng)的控制策略;趙治國等人[6]提出了一種基于制動防抱死系統(tǒng)（antilock brake system， ABS）液壓制動與再生制動協(xié)調(diào)控制的電液復(fù)合制動控制策略，該策略有效提高了制動能量的回收效率;李國斐等人[7]提出了一種前后輪制動力分配的控制策略，充分利用電機的制動轉(zhuǎn)矩，大幅提高了制動能量的回收;舒紅等人[8]在歐洲經(jīng)濟委員會（Economic commission of Europe， EEC）制動法規(guī)的基礎(chǔ)上，提出了一種能量管理策略。針對新能源汽車續(xù)駛里程短的問題，再生制動及控制策略在新能源汽車的研究中非常重要，但目前對負載隔離式電動客車再生制動方面的研究較少?；诖?，本文主要對負載隔離式電動客車串聯(lián)復(fù)合制動策略進行研究，采用Matlab/Simulink軟件和AVL_CRUISE軟件進行仿真分析。該研究為負載隔離式電動客車續(xù)駛里程的增加提供理論依據(jù)。

1 ECE制動法規(guī)要求

2 串聯(lián)復(fù)合制動控制策略設(shè)計

根據(jù)ECE法規(guī)的要求，結(jié)合制動力分配系數(shù)、車速、附著系數(shù)及電機性能等影響因素，本文提出一種針對負載隔離式電動客車的制動力分配控制策略，稱為串聯(lián)復(fù)合制動控制策略，該策略由電機組成的再生制動系統(tǒng)和前后輪制動器組成的機械摩擦制動系統(tǒng)的控制。因為只有驅(qū)動輪才可進行制動能量回收，也就是在負載隔離式電動客車中，只有后輪才可進行制動能量回收。在保證制動穩(wěn)定性的前提

本文所提出的串聯(lián)復(fù)合制動控制策略基于制動力分配方法，即在強度制動小時，將制動力分配到后輪，且只有后輪的再生制動系統(tǒng)起作用，進行制動能量回收，制動力分配曲線如圖3所示。雖然存在后輪比前輪提前抱死的可能，但在低附著系數(shù)路面φ<0.2上，配備ABS系統(tǒng)的整車允許后輪的利用附著系數(shù)大于前輪[4]，且很多學(xué)者在進行后驅(qū)電動汽車制動能量回收策略設(shè)計時均采用該假設(shè);當制動強度繼續(xù)加大，超出后輪再生制動系統(tǒng)作用范圍時，前后輪制動力分配按照r曲線進行，如圖3線段AB所示;當制動強度持續(xù)加大，直到r曲線與I曲線相交時，此時前后輪制動力分配按照I曲線進行，也就是進行理想的制動力分配，如圖3中線段BC所示。

由串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的制動力分配曲線，設(shè)計控制策略的邏輯圖，控制策略邏輯圖如圖4所示。只有當制動壓力Brake_pressure>0時，電動客車處于制動工況;如果制動壓力Brake_pressure=0，說明駕駛員沒有采取制動措施，此時為驅(qū)動工況。圖4中，以制動踏板開度為輸入信號，判斷制動強度的大小，從而決定選用哪種制動系統(tǒng)進行制動。

當制動強度z≤0.1時，由再生制動系統(tǒng)進行制動和能量回收，即由電機單獨進行制動;當制動強度z處于0.1～0.61之間時，計算電動客車的總需求制動力Fz，然后按照圖3所示的制動力分配曲線進行前、后輪的制動力分配，前輪需求制動力全部由前輪的機械摩擦制動力提供，后輪需求制動力需要分情況討論。當后輪需求制動力小于或等于電機提供的再生制動力時，后輪需求制動力全部由電機的再生制動力提供，此時后輪不提供機械摩擦制動力;當后輪需求制動力大于電機提供的再生制動力時，后輪需求制動力由電機的最大再生制動力和后輪補充的機械摩擦制動力提供;當制動強度z>0.61時，屬于大強度緊急制動工況，為保證制動安全，不采用再生制動系統(tǒng)進行制動，前后輪制動力均由機械摩擦制動系統(tǒng)提供。

在控制策略邏輯中，采用哪種制動系統(tǒng)還需考慮儲能電池SOC、動力電池SOC、車速V及電機實際最大再生制動力Fm-act。當儲能電池SOC和動力電池SOC都大于0.8時，為避免電池過充，此時不采用再生制動系統(tǒng)，制動力全部由機械摩擦制動系統(tǒng)提供;當電動客車當前車速V再生制動的最低車速Vmin時，即車速太低時，為了降低對電機的損耗，不采用再生制動系統(tǒng)進行制動，制動力均由機械摩擦制動系統(tǒng)提供;當儲能電池SOC和動力電池SOC至少有一個小于0.8，且電動客車當前車速V大于最低車速Vmin時，計算電機實際的最大再生制動力Fm-act，然后根據(jù)后輪需求制動力Fbr和電機實際最大再生制動力Fm-act的大小，分情況討論制動力由哪種制動系統(tǒng)提供，0.1? ? ?該串聯(lián)復(fù)合制動控制策略中，需要特別說明：

1） 當電機制動力不能滿足客車制動需求時，使用后軸機械摩擦制動力對客車制動需求進行補充。

2） 當儲能電池SOC<10%，且動力電池SOC<20%時，發(fā)動機啟動。對動力電池進行充電，使動力電池的SOC維持在20%左右，從而驅(qū)動汽車行駛，直至燃油消耗空，汽車停止。

3） 發(fā)動機的負荷率通過PID模塊控制。PID控制模塊的輸入信號是需求轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速，經(jīng)運算和判斷，輸出信號是發(fā)動機負荷率。

3 負載隔離式電動客車模型搭建和控制策略模型搭建

本文使用AVL_CRUISE軟件對負載隔離式電動客車建模。AVL_CRUISE軟件是一款具有模塊化建模能力的車輛仿真軟件，集成化的車輛模塊使建模更方便。負載隔離式電動客車模型包括儲能電池模塊、動力電池模塊、驅(qū)動電機模塊、發(fā)動機模塊、發(fā)電機模塊、主減速器?？?、差速器模塊及車身電器等模塊，達到將負載和發(fā)動機

儲能電池和動力電池的設(shè)計，優(yōu)化了負載隔離式電動客車的能量提供系統(tǒng)。儲能電池負責主要能量的提供，當儲能電池放電使SOC降到最低限值時，由動力電池放電提供給電動客車需求的能量。負載隔離式電動客車既有儲能電池，又有動力電池，其動力源分布如圖5所示。

在控制策略模型搭建過程中，本文使用了Matlab/Simulink軟件對串聯(lián)復(fù)合制動控制策略進行模型搭建。Simulink作為集成化軟件，具有強大的建模能力。本文搭建的控制策略模型，包括制動力分配模塊、復(fù)合電源管理模塊和發(fā)動機控制模塊。該模型共有車速信號、電動機轉(zhuǎn)速信號、駕駛員負荷率信號、駕駛員制動壓力信號、動力電池SOC信號、發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號、儲能電池SOC信號、電機功率信號、儲能電池與動力電池功率信號、儲能電池與動力電池最大充電功率信號等12個輸入信號，同時也包括電機負荷率信號、后軸機械摩擦制動信號、前軸機械摩擦制動信號3個輸出信號，其中又分為發(fā)動機開關(guān)信號、發(fā)動機負荷信號、發(fā)電機開關(guān)信號、發(fā)電機負荷信號、儲能電池開關(guān)信號、動力電池開關(guān)信號等。

采用DLL方式對串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的有效性和合理性進行驗證，即建立動態(tài)鏈接庫的方式，實現(xiàn)AVL_CRUISE軟件和Matlab/Simulink軟件的聯(lián)合仿真，從而對串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的制動能量回收效果進行分析[1420]。在傳感器從車輛模型中采集到控制策略模型所需的輸入信號后，通過控制策略模型的計算和邏輯判斷，實現(xiàn)串聯(lián)復(fù)合制動控制策略所設(shè)計的要求，輸出信號即為該策略達到的控制效果。

4 CITY_CYCLE循環(huán)行駛工況仿真分析

本文所研究的負載隔離式電動客車為后驅(qū)式電動汽車，負載隔離式電動客車主要參數(shù)如表1所示。采用中國城市公交車行駛工況CITY_CYCLE工況作為仿真工況，分別進行不帶串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的循環(huán)工況仿真分析和帶串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的循環(huán)工況仿真分析。設(shè)置電池初始SOC值為100%，CITY_CYCLE循環(huán)工況基本參數(shù)如表2所示。假設(shè)在發(fā)動機不工作的情況下進行仿真。

對續(xù)駛里程進行仿真，不考慮串聯(lián)復(fù)合制動控制策略時，續(xù)駛里程為186.00 km;考慮串聯(lián)復(fù)合制動控制策略時，續(xù)駛里程為237.50 km，提高了27.69%。兩種策略的循環(huán)工況電耗對比圖如圖6所示。由圖6可以看出，不考慮串聯(lián)復(fù)合制動控制策略時，百公里電耗為79.30 kWh;嵌入串聯(lián)復(fù)合制動控制策略時，百公里電耗為51.28 kWh，減少了28.02 kWh。電機輸出電流對比如圖7所示?？紤]串聯(lián)復(fù)合制動策略的電動客車，仿真運行時有回饋電流，不帶串聯(lián)復(fù)合制動策略的電動客車，仿真運行時沒有回饋電流。

此外，進行CITY_CYCLE循環(huán)工況仿真分析，對車輛模型設(shè)置行駛里程，直到電池達到設(shè)定的最低界限，車輛停止運行，仿真制動能量回收率。帶策略的車輛模型的動力電池，總回收能量為24.77 kWh，總消耗能量為96.85 kWh，制動能量回收率為25.58%。

5 結(jié)束語

為提高負載隔離式電動客車的能量利用率且增加續(xù)駛里程，本文基于ECE制動法規(guī)對負載隔離式電動客車的制動力分配進行分析，提出了一種串聯(lián)復(fù)合制動控制策略。在Matlab/Simulink軟件中搭建控制策略模型，嵌入AVL_CRUISE軟件搭建的負載隔離式電動客車模型中聯(lián)合仿真，對控制策略的合理性和有效性進行了驗證。仿真結(jié)果表明，與不考慮串聯(lián)復(fù)合制動控制策略的電動客車相比，該策略電動客車的制動能量回收率達到25.58%，續(xù)駛里程增加了51.51 km，百公里電耗減少了28.02 kWh，從而驗證了該策略的合理性和有效性，解決了負載隔離式電動客車續(xù)駛里程短的問題。該研究為負載隔離式電動客車的實際應(yīng)用提供了理論依據(jù)，為進一步研究負載隔離式電動客車和再生制動、復(fù)合制動及其控制策略方面的工作奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 甄娜. 面向后驅(qū)動復(fù)合電源電動汽車仿真的ADVISOR二次開發(fā)研究[D]. 西安： 長安大學(xué)， 2011.

[2] 宋翠萍. 負載隔離式電動汽車動力系統(tǒng)匹配與性能仿真研究[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2016.

[3] 洪吉超. 負載隔離式純電驅(qū)動汽車性能仿真與控制策略研究[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2015.

[4] 張抗抗， 徐梁飛， 華劍鋒， 等. 后驅(qū)純電動車制動能量回收系統(tǒng)及其策略的對比研究[J]. 汽車工程， 2015， 37（2）： 125131， 138.

[5] 張俊智， 薛俊亮， 陸欣， 等. 混合動力城市客車串聯(lián)式制動能量回饋技術(shù)[J]. 機械工程學(xué)報， 2009， 45（6）： 102106.

[6] 趙治國， 彭玉鋼. 四驅(qū)混合動力轎車串聯(lián)式電液復(fù)合制動仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2012， 24（2）： 448455.

[7] 李國斐， 林逸， 何洪文. 電動汽車再生制動控制策略研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報， 2009， 29（6）： 520524.

[8] 舒紅， 秦大同， 胡明輝， 等. 輕度混合動力汽車再生制動能量管理策略[J]. 機械工程學(xué)報， 2009， 45（1）： 167173.

[9] 余志生. 汽車理論[M]. 5版. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2009.

[10] 侯典平， 張洪信， 趙清海， 等. 負載隔離式電動汽車再生制動控制策略研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報： 工程技術(shù)版， 2017， 32（2）： 130137.

[11] 侯典平， 張洪信， 趙清海， 等. 純電動汽車再生制動力控制策略優(yōu)化研究[J]. 機械制造， 2017， 55（3）： 47.

[12] 高樹健. 電動汽車再生制動控制策略設(shè)計與仿真[D]. 西安： 長安大學(xué)， 2013.

[13] 劉紅亮， 董學(xué)平， 張炳力. 電動汽車再生制動控制策略的研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2012， 35（11）： 14841487.

[14] 彭金雷. 純電動汽車整車控制策略研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2013.

[15] 何經(jīng)緯. 基于Cruise的混聯(lián)式HEV控制策略研究[D]. 西安： 西安理工大學(xué)， 2016.

[16] 楊海圣， 姬芬竹， 楊世春. 基于SimulinkCruise聯(lián)合仿真的制動能量回收系統(tǒng)研究[J]. 控制工程， 2018， 25（6）： 10861090.

[17] 侯典平. 負載隔離式電動客車再生制動控制策略研究[D]. 青島： 青島大學(xué)， 2018.

[18] 王猛， 孫澤昌， 王士奇， 等. 基于一體式制動主缸的電液復(fù)合制動系統(tǒng)仿真[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2014， 42（8）： 12111215， 1220.

[19] 余卓平， 韓偉， 徐松云， 等. 電子液壓制動系統(tǒng)液壓力控制發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J]. 機械工程學(xué)報， 2017， 53（14）： 115.

[20] 何暢然， 王國業(yè)， 張露， 等. 電動汽車新型再生機械耦合線控制動系統(tǒng)機理研究[J]. 汽車工程， 2018， 40（3）： 283289.