基于商用車氣剎特性的混合動力制動能量回收

馬明霞，王朝輝，安 寧，銀銘強

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

汽車發(fā)展引發(fā)的環(huán)境問題和能源危機，使人們對于新能源汽車技術(shù)的關(guān)注度日益增加?；旌蟿恿ο到y(tǒng)因為增加了電機，使系統(tǒng)增加了能量回收功能，將儲存在車輛中的動能盡可能的回收到電池中，用于車輛驅(qū)動，達到系統(tǒng)節(jié)能的目的。能量回收作為混合動力優(yōu)化經(jīng)濟性中重要的手段，下文給出一種結(jié)合商用車氣剎特性的混合動力制動能量回收方法。

1 商用車氣剎特性介紹

基于整車安全性考慮，現(xiàn)市場上大部分混合動力商用車都保留了傳統(tǒng)車的制動系統(tǒng)。所以在滿足整車駕駛需求的前提下，要實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)制動能量回收最優(yōu)化，首先要了解傳統(tǒng)商用車氣剎系統(tǒng)特性。

根據(jù)某傳統(tǒng)氣剎制動踏板靜特性曲線（圖1），P21為后橋端輸出壓力，每增加1bar氣壓，產(chǎn)生的制動力矩大約增加2095.7Nm；P22為前軸輸出壓力，每增加1bar氣壓，產(chǎn)生的制動力矩大約增加1606.4Nm；總制動力矩為后橋制動力矩和前軸制動力矩之和。制動踏板行程傳感器電壓如圖1中U=f（s）曲線，0mm腳行程對應(yīng)初始電壓0.5V，12mm腳行程對應(yīng)最高電壓4.5V。

圖1 傳統(tǒng)氣剎制動踏板靜特性曲線

根據(jù)上述特性，得到傳統(tǒng)氣剎總壓力、總制動力矩以及基于氣剎總制動力矩，9500kg載重下，氣剎產(chǎn)生整車減速度如表1所示。

從表1可知，一般工況減速度最大值小于1.2m/s，即9500kg載重下，工況常用踏板行程一般不會超過5mm（傳感器電壓變化41.7%）。但由于氣剎存在遲滯特性，遲滯時間一般為0.25s左右，制動踏板行程結(jié)合制動時間才能得到較準確機械制動介入情況。

表1 傳統(tǒng)氣剎制動總壓力、總制動力矩

2 混合動力商用車能量回收

2.1 能量回收特性

能量回收是混合動力商用車最重要的節(jié)油手段，利用電機回收儲存在整車中的動能。為 盡 可能最大回收能量，能量回收分滑行能量回收、制動能量回收。增加能量回收功能后，整車制動復合特性如圖2所示。

圖2 帶能量回收的制動復合系統(tǒng)特性

F—有效制動力矩最大值。正常行駛狀態(tài)下，整車需求最大制動力矩。

F—滑行能量回收最大制動力矩。一般情況下，商用車僅靠整車阻力而產(chǎn)生的減速度不能滿足正常行駛中最小的減速度需求，標定滑行能量回收，可以給制動能量回收空行程精標留出空間。

α—空行程。根據(jù)制動踏板特性，不產(chǎn)生制動力矩的最大行程。

α—帶能量回收的常用制動踏板行程。能量回收、氣剎共同作用使制動力矩達到F的踏板行程。

α—不帶能量回收，傳統(tǒng)氣剎常用制動踏板行程。不包含能量回收，氣剎產(chǎn)生制動力矩達到F的踏板行程。

在制動踏板腳行程一定情況下，為盡可能提升能量回收，在滿足駕駛員需求的前提下，盡可能縮短制動踏板常用行程，即縮短α。充分利用氣剎小氣壓、小制動力矩區(qū)間，提高能量回收對制動的影響。

2.2 標定方法

1）制動踏板電壓-制動踏板開度CUR標定。

在整車配置確定后，制動踏板腳行程與整車氣剎產(chǎn)生制動力為確定的特性關(guān)系如表1所示。為盡可能增加能量回收影響，需要精標空行程區(qū)間、電機制動扭矩達到最大之前的區(qū)間。

由圖1所示，在腳行程12mm之內(nèi)，傳感器電壓與腳行程的關(guān)系為公式（1）：

式中：x——腳行程，mm；y——電壓，V。

如果標定制動踏板電壓0.55V對應(yīng)制動踏板開度0%，即制動踏板腳行程0.15mm。標定制動踏板電壓3.6V對應(yīng)制動踏板開度100%。此時制動踏板電壓-制動踏板開度關(guān)系為公式（3），此時腳行程的空行程2mm，對應(yīng)制動踏板開度20.22%。

電機制動扭矩最大值的制動踏板開度，取決于常用工況最大減速度分布、駕駛員駕駛習慣等。由于制動踏板初始位置電壓不穩(wěn)，標定制動踏板電壓-制動踏板開度CUR時，應(yīng)該盡可能提高制動踏板電壓傳感器精度，減少零漂，提升空行程的精標空間。標定方案如表2、圖3所示。

表2 制動踏板電壓-制動踏板開度CUR

圖3 制動踏板電壓-制動踏板開度

3 滑行能量回收CUR標定

滑行能量回收主要基于商用車運行工況的最小減速度需求，即如果商用車減速度分布滿足絕大多數(shù)情況下α≥α，將提取減速度α≤α時數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。標定數(shù)據(jù)計算步驟如圖4所示。

圖4 滑行能量回收數(shù)據(jù)標定方法

第1步，將減速度α≤α數(shù)據(jù)按照車速變化率分段。

第2步，得到每個車速段減速度的頻率直方圖，按照頻率分布提取每個車速段合適的滑行減速度。

第3步，根據(jù)每個車速段滑行減速度、整車參數(shù)得到合適的能量回收力矩。

第4步，數(shù)據(jù)修正，盡量使能量回收力矩與車速成正相關(guān)。

滑行能量回收，主要目的是盡可能縮短常用制動踏板行程，并且為制動能量回收的空行程標定留出標定空間。如果沒有滑行能量回收，這部分能量回收功能的實現(xiàn)就要在制動能量回收的空行程中標定，這樣做會壓縮制動能量回收空行程的精標空間，導致不能在滿足駕駛員感受的前提下，盡可能縮短常用制動踏板行程，從而降低制動能量回收率。

4 制動能量回收MAP標定

制動能量回收MAP是以車速、制動踏板開度為輸入量，查表得到整車需求制動回收扭矩。制動性能的標定直接影響駕駛員感受，所以制動能量回收標定不能改變制動的特性，即隨著制動踏板開度增加，制動能力增加，并且連續(xù)易控。

因為制動能量回收的標定疊加氣剎產(chǎn)生制動力才是整車總的制動力矩，所以制動能量回收的標定必須基于傳統(tǒng)氣剎特性。標定數(shù)據(jù)計算步驟如圖5所示。

圖5 制動能量回收數(shù)據(jù)標定方法

第1步，基于駕駛員舒適性，確定常用有效制動踏板最大開度α，此時對應(yīng)有效制動力矩F，根據(jù)F、此時氣剎制動力，得到不同車速段電機制動力矩。

第2步，基于駕駛員舒適性，確定電機制動力矩最大值對應(yīng)制動踏板開度β，此時產(chǎn)生的減速度為電機產(chǎn)生減速度疊加氣剎制動力產(chǎn)生的減速度。

第3步，利用商用車路譜基本需求得到不同車速段的減速度分布拐點，修正不同車速段對應(yīng)不同β。

第4步，確定不同車速段空行程對應(yīng)減速度，從而確定空行程α對應(yīng)制動力矩。

第5步，基于制動踏板特性，隨著制動踏板開度增加，總制動力矩增加，制動減速度增大，對上述標定進行修正。

由于能量回收與駕駛員行為緊密相關(guān)，在做好能量回收基礎(chǔ)標定后，需跟駕駛員進行溝通，確保駕駛員清楚怎樣踩制動踏板對能量回收率提升有幫助。能量回收率為實際回收能量與可回收能量的比值，可回收能量即減速時整車動能減去減速時道路阻力損耗。

5 結(jié)論

本文基于商用車氣剎特性，提出一種混合動力商用車能量回收的標定方法。在P2并聯(lián)混合動力載貨車上進行驗證，在9500kg載重下，能量回收率從61.5%提升到81%。結(jié)果表明，該方法可以有效提升制動能量回收率，提高整車經(jīng)濟性。