基于聯(lián)合仿真的純電動(dòng)客車制動(dòng)控制策略對(duì)比分析與優(yōu)化

張景玲，周夢(mèng)來，胡榮俊，周廣波

（揚(yáng)州亞星客車股份有限公司 汽車研究院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

隨著中國(guó)能源安全和環(huán)境污染問題日益突出，純電動(dòng)客車已成為客車發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]。但與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動(dòng)客車的研發(fā)一直面臨著續(xù)航里程短的技術(shù)瓶頸。制動(dòng)能量回收是提升純電動(dòng)客車?yán)m(xù)航里程的重要手段，研究分析及優(yōu)化不同制動(dòng)控制策略對(duì)純電動(dòng)汽車的影響，對(duì)提升其續(xù)航里程有著重要的意義。目前，部分學(xué)者已對(duì)制動(dòng)能量管理進(jìn)行了大量研究[2]。張衛(wèi)等通過對(duì)制動(dòng)力學(xué)和制動(dòng)法規(guī)研究分析，獲得了前、后輪制動(dòng)力分配控制可行域，建立了再生制動(dòng)優(yōu)先控制模型[3]；周海林等結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)原理，提出了合理的再生制動(dòng)方法，建立了最大化制動(dòng)力分配策略[4]。楊坤等提出了分段式ABS電磁閥調(diào)壓模型，并基于Matlab/Simulink/Stateflow和AVL Cruise搭建了聯(lián)合仿真平臺(tái)[5]。現(xiàn)有的研究大部分基于模型的搭建、策略的優(yōu)化升級(jí)及仿真分析，而針對(duì)實(shí)際使用情況時(shí)的驗(yàn)證分析還較少涉及。本文首先針對(duì)純電動(dòng)客車串聯(lián)式和并聯(lián)式制動(dòng)兩種不同的控制策略，使用Matlab/Simulink與AVL Cruise進(jìn)行聯(lián)合仿真，并對(duì)比分析相同工況下的仿真結(jié)果。接著根據(jù)實(shí)際使用情況，采用實(shí)際公交車路譜，并在控制策略中引入電機(jī)扭矩map的計(jì)算方法，最后與監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1 串并聯(lián)制動(dòng)控制策略及仿真對(duì)比

1.1 串并聯(lián)制動(dòng)控制策略

純電動(dòng)客車制動(dòng)能量回收功能是指通過設(shè)定的控制策略，采用電制動(dòng)的方法將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并反向存儲(chǔ)至電池包中，如果后續(xù)整車有能量需求，則將儲(chǔ)存的能量釋放出來，通過此過程能實(shí)現(xiàn)能量的再次利用[6]。

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可分為兩種類型，即并聯(lián)型和串聯(lián)型[7]。在并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)中，機(jī)械制動(dòng)力一直存在，而系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)需求在機(jī)械制動(dòng)力的基礎(chǔ)上疊加電制動(dòng)力。因此并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，直接把電制動(dòng)力疊加到傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)上，不需要對(duì)機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)也能保證制動(dòng)性能[8]。但是該制動(dòng)系統(tǒng)效率偏低，制動(dòng)過程中還會(huì)引起駕駛員的不適感[9]。在本文中，串并聯(lián)式制動(dòng)控制模型采用Matlab/Simulink搭建。在并聯(lián)式制動(dòng)模型中，考慮到實(shí)際使用情況設(shè)置了機(jī)械制動(dòng)空行程，即在計(jì)算整車機(jī)械制動(dòng)扭矩時(shí)設(shè)置踏板開度的前30%不制動(dòng)，具體如圖1所示。電制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)相互獨(dú)立，電制動(dòng)的計(jì)算如式（1）所示。

圖1 并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)械制動(dòng)扭矩的計(jì)算

式中：BRK_PedalTral——制動(dòng)踏板開度；MaxTrq－Gen——最大回收扭矩；Speed_Coff_eBrk——速度修正系數(shù)；SOC_Coff_eBrk——SOC修正系數(shù)。

串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)則是優(yōu)先考慮使用電制動(dòng)力，在制動(dòng)需求達(dá)到一定值后，機(jī)械制動(dòng)同時(shí)介入，兩種制動(dòng)力相互協(xié)調(diào)達(dá)到系統(tǒng)總制動(dòng)需求[10]。串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)有較高的再生制動(dòng)效率，同時(shí)安全性和平順性較好，但是制動(dòng)控制邏輯復(fù)雜，需要對(duì)機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行改造[11]。當(dāng)車輛處于串聯(lián)式制動(dòng)策略時(shí)，首先計(jì)算制動(dòng)力需求，接著判斷電制動(dòng)是否滿足制動(dòng)力需求，若滿足則采用電制動(dòng)，不滿足則優(yōu)先采用電制動(dòng)，剩余制動(dòng)力需求由機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)足[12]。具體步驟如下。

1）首先計(jì)算整車制動(dòng)需求扭矩。將整車制動(dòng)踏板開度轉(zhuǎn)化為制動(dòng)扭矩需求，并計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下的電機(jī)端電制動(dòng)扭矩需求，計(jì)算過程如式（2）所示。

式中：BrkTrqReqWheel——輪端制動(dòng)扭矩需求；MaxBrkTrq——最大制動(dòng)扭矩；TrqReqMot——電機(jī)端制動(dòng)扭矩需求；TransRatio——速比；TransEfficiency——傳動(dòng)效率。

2）接著計(jì)算電制動(dòng)扭矩，計(jì)算過程如圖2所示。取電機(jī)端制動(dòng)扭矩需求與電機(jī)最大制動(dòng)扭矩兩者中的最小值，由于編程中回收扭矩為負(fù)值，所以編程中用max函數(shù)取兩者絕對(duì)值中的最小值。

圖2 串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)中電制動(dòng)扭矩計(jì)算

3）最后計(jì)算機(jī)械制動(dòng)力，計(jì)算過程如式（3）所示。

式中：BrkTrqReqWheel——輪端制動(dòng)扭矩需求；eBrk－TrqWheel——輪端電制動(dòng)扭矩。

1.2 串并聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)仿真對(duì)比

為比較并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)與串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)的性能，本文就一輛8.5m純電動(dòng)客車進(jìn)行Simulink與Cruise聯(lián)合仿真分析，整車參數(shù)見表1。將制動(dòng)控制策略的Simulink文件轉(zhuǎn)化為dll文件格式，在Cruise模型中導(dǎo)入該制動(dòng)策略文件，聯(lián)合仿真界面如圖3所示。

表1 整車參數(shù)

圖3 Simulink與Cruise聯(lián)合仿真

CHTC-B是中國(guó)普遍采用的一種城市客車工況，循環(huán)工況圖如圖4所示。在該工況下，在上述8.5m純電動(dòng)客車采用制定的并聯(lián)式制動(dòng)策略與串聯(lián)式制動(dòng)策略分別進(jìn)行仿真分析，可得到該客車在CHTC-B工況下SOC值的變化曲線（圖5），能耗數(shù)值如表2所示，電機(jī)扭矩變化如圖6所示。

圖4 CHTC-B循環(huán)工況

從圖5和表2中可以看出，在CHTC-B工況下，相對(duì)于串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)，并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)下SOC值下降較快，能耗值較高。圖6中串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)的回收扭矩也大于并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)，因此上述結(jié)果表明串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)的回收效率要高于并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)。

圖6 CHTC-B工況下兩種制動(dòng)策略電機(jī)扭矩變化

表2 CHTC-B工況下兩種制動(dòng)策略的能耗值

圖5 CHTC-B工況下兩種制動(dòng)策略SOC值的變化

2 實(shí)際路譜仿真與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

2.1 公交路譜下仿真與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)比分析公交路譜的仿真結(jié)果與監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)，車型依然采用上述8.5m純電動(dòng)客車。由于公交車的線路都是固定的循壞路線，因此通過分析車輛監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)可以對(duì)一輛公交車一天的行駛工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而做出實(shí)際路譜，如圖7所示。

圖7 實(shí)際路譜

實(shí)際車型采用的是并聯(lián)式制動(dòng)控制策略，同時(shí)根據(jù)實(shí)際使用情況在原并聯(lián)式控制策略中調(diào)整制動(dòng)和加速時(shí)電機(jī)扭矩的計(jì)算方法，即采用標(biāo)定的油門/制動(dòng)踏板開度-車速-電機(jī)扭矩map形式，如圖8所示。

圖8 并聯(lián)式制動(dòng)控制中加速、制動(dòng)時(shí)電機(jī)扭矩的計(jì)算

考慮到車輛的附件能耗，仿真會(huì)與實(shí)際相差較大，因此為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，不考慮附件，將仿真得到的踏板開度及電機(jī)扭矩結(jié)果與實(shí)際車輛在監(jiān)控平臺(tái)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖9、10所示。從圖9和圖10中可以看出，采用電機(jī)map的并聯(lián)式制動(dòng)仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)有一定的誤差。為了驗(yàn)證該方法的誤差相對(duì)較小，也采用了之前的非map并聯(lián)式控制策略進(jìn)行對(duì)比，即不用電機(jī)map而采用踏板開度和扭矩直接相乘的形式，并將相同公交路譜下的仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如圖11、12所示。兩種并聯(lián)式控制策略的仿真能耗對(duì)比結(jié)果如表3所示。

從圖9和圖11對(duì)比可知，兩種并聯(lián)式制動(dòng)踏板開度的結(jié)果都具有一定的誤差。對(duì)比圖10和圖12發(fā)現(xiàn)，圖10中map并聯(lián)式控制策略模型通過采用標(biāo)定的電機(jī)map，能使電機(jī)的扭矩控制在1500Nm以內(nèi)，減少了與實(shí)際電機(jī)扭矩的誤差，與圖12中非map并聯(lián)式控制仿真結(jié)果相比，效果更佳，誤差更小。同時(shí)，表3中兩種并聯(lián)制動(dòng)策略的能耗仿真，也表明通過使用map并聯(lián)式控制策略，能有效降低能耗。

表3 公交路譜下兩種制動(dòng)策略的仿真能耗值

圖9 map并聯(lián)式：仿真制動(dòng)踏板開度與平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖10 map并聯(lián)式：仿真電機(jī)扭矩與平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖11 非map并聯(lián)式：仿真制動(dòng)踏板開度與平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖12 非map并聯(lián)式：仿真電機(jī)扭矩與平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 等速實(shí)驗(yàn)工況下仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在等速40km/h工況下，依舊用map并聯(lián)式制動(dòng)進(jìn)行仿真，并與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。另選取一輛8.1m的純電動(dòng)公交車，其在等速40km/h路譜仿真時(shí)，仿真結(jié)果顯示電機(jī)扭矩穩(wěn)定在95.8655Nm。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)等速40km/h的路譜測(cè)試數(shù)據(jù)如圖13所示。在圖13中，選取虛線框中較為穩(wěn)定的一段，計(jì)算其平均值為96.2Nm，與仿真結(jié)果十分接近，因此進(jìn)一步證明了模型的準(zhǔn)確性。

圖13 等速40km/h實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文通過研究串并聯(lián)式制動(dòng)控制策略，使用Matlab/Simulink與AVL Cruise聯(lián)合仿真分析，得出串聯(lián)式制動(dòng)控制策略相對(duì)于并聯(lián)式制動(dòng)控制策略的SOC值較高，能耗較低，效率更高的結(jié)論。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用情況，改進(jìn)并聯(lián)式制動(dòng)控制策略，在其中引入標(biāo)定的電機(jī)map，與監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)map并聯(lián)式制動(dòng)與實(shí)際平臺(tái)數(shù)據(jù)更接近，更貼合實(shí)際，而且能耗相較于非map并聯(lián)控制策略更低。最后，采用等速40km/h路譜進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。