一款純電動城市渣土車制動系統控制方法的研究

麻新兵，李萌，史強，連秦劍，魏特特

摘 要：目前國內各整車廠開發銷售的純電動商用車續航里程均很難達到客戶的期望里程值，主要限制因素是新能源汽車的動力電池能量密度不高、充電耗時較長以及充電設施網點便利性較差，嚴重影響到電動汽車，特別是純電動汽車的大范圍推廣普及。文章通過對傳統汽車制動力學分析，結合電動汽車制動能量回饋控制策略分析計算，制定了一種基于制動能量回饋最大化的電液復合制動力協調式的控制策略。

關鍵詞：制動回饋;控制策略;電液復合

中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）23-33-04

Research on the control method of braking system of the electric city muck truck

Ma Xinbing， Li Meng， Shi Qiang， Lian Qinjian， Wei Tete

（ Shaanxi Automobile Holding Group Co.， Ltd Technology Center， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： At present， the endurance mileage of pure electric commercial vehicles developed and sold by domestic vehicle manufacturers is difficult to reach the expected mileage of customers. The main limiting factors are the low energy density of the power battery of new energy vehicles， the long charging time and the poor convenience of the charging facilities， which seriously affect the promotion and popularization of electric vehicles， especially pure electric vehicles. Based on the analysis and calculation of the traditional brake mechanics and the brake energy feedback control strategy of the electric vehicle， a coordinated control strategy of the electro-hydraulic composite brake force based on the maximization of the brake energy feedback is developed.

Keywords： Brake feedback; Control strategy; Electrohydraulic composite

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-33-04

前言

電動汽車正在快速邁向電氣化、智能化、共享化。而制動回饋控制技術是電動汽車制動控制領域最核心的研究方向，本文介紹了一種基于一款純電動城市渣土車上依靠電子制動控制系統（EBS）與整車控制系統（VCU）相結合的制動回饋最優化的制動回饋控制方法。

1 電動汽車回饋制動研究現狀

1.1 國外研究現狀

目前，市場上存在多種新能源汽車制動能量回饋的控制方法，分析其各自技術，比較可靠的控制方法的包括美國福特公司推出的SUV混動車型Escape Hybird制動回饋控制系統、日本本田公司推出的搭載采埃孚新一代插電式混合動力變速器的EVplus車型、日本豐田普銳斯PHEV車型。

其中最為典型的是自1997 年日本豐田公司首次推出混合動力汽車普銳斯車型，其在僅利用車載動力電機驅動工況下，其對運行環境沒有任何的排放污染，而且在車輛減速、制動和下坡制動時還能回收機械能量。特別是當車輛等待紅燈停止行駛時，發動機會自動停止工作，進一步減少尾氣排放和燃油消耗，因此該款車型的油耗和尾氣排放都得到了極大的改善。

1.2 國內研究現狀

新能源汽車的技術研究及推廣應用在中國起步較晚，但經過近十年來的技術研究與示范運營，具備從供應核心部件原材料、動力電池研發生產、整車電控系統等車輛核心零部件的研發和生產，再延伸到整車的設計制造、售后服務，以及充電設施的研發配套、網點布局等，都已具備系統級的技術基礎。

目前國內主要的整車廠均在已布局新能源汽車領域，其中有代表性車型的包括北汽新能源EU5、蔚來純電動ES6、ES8、比亞迪E6等多款電動汽車。其中比亞迪純電動E6是其自主研發的一款純電動CrossOver車型，它的單次充電續航能力超過300Km，在城市綜合工況下，制動能量回饋對續駛里程的貢獻率達到10%以上。

2 制動能量回饋控制的工作原理

動力電機制動能量回饋技術也被稱為動力電機的能量再生制動控制技術。當車輛在某一具體的行駛工況中進行滑行制動或制動踏板制動時，車輛底盤的傳動系統將車輛制動時的慣性能量傳遞到動力電機，以維持電機的運轉，利用車輛傳動機械系統帶動電機內部轉子旋轉，電機轉子能夠通過轉動時切割磁力線的方式將動能轉換為電能，同時利用逆變器的反向二極管導通，將制動回饋過程中產生的轉換電流回饋到高壓供電直流一側以回饋充電動力蓄電池，進而實現制動能量回饋。

目前，電動汽車的整車總制動力包含回饋制動力與液壓制動力，兩者根據不同的車輛實時制動減速度結合車輛運行實時狀態，制動能量回饋控制技術可分為直接疊加式和分配協調式兩種。

其中大多數電動汽車采用的是疊加式的制動能量回饋控制系統，其直接將動力電機的回饋制動力疊加在機械摩擦制動力上，對摩擦制動系統改動小，但控制策略比較簡單直接，能量回收效率較低，制動感受較差，容易發生車輛制動“側滑”、“甩尾”的危險情況。而分配協調式的車輛制動力分配控制策略，將優先使用動力電機回饋制動力，車載制動系統實時調節機械液壓制動力，優點是車輛能量回收效率高，駕駛員及乘員對制動感受較好，但該方法實時控制技術復雜，難度高。

3 一款純電動城市渣土車制動能量回饋控制方案

針對一款純電動城市渣土車，研究基于EBS系統開發制動回饋效能最優的制動回饋控制技術。

表1 ?純電動城市渣土車整車關鍵參數

該控制方案滿足ECE制動法規要求并盡量提高整車行駛安全性和駕駛感受的前提下，提出一種最優化的制動回饋控制策略。

圖1 ?整車制動系統組成

如上圖所示，該型純電動城市渣土車的整車制動系統包含液壓制動系統、制動能量回饋控制系統等，制動系統控制策略集成在電子制動控制系統（EBC）中，車輛運行過程中EBC實時監測制動踏板位置信號，用于識別駕駛員的制動意圖，再通過CAN總線實時與整車控制器、電機控制器、電池管理系統進行信息交互，獲取電機、電池、車輛及駕駛操控信息，ABS實時采集前后車輪的運行轉速，并將車輪轉速信號通過總線播報的方式發送給EBS和VCU，用于計算車輛滑移率，結合制動回饋控制策略用于整車總制動力與回饋制動力，保證整車制動力盡可能全部由VCU計算出的電機制動回饋扭矩產生。

4 一款純電動城市渣土車制動能量回饋控制策略設計

本文所應用的制動系統控制策略為并聯制動控制方法，是一種基于EBS與VCU協調管理整車總制動力需求的策略，其在傳統汽車制動力學固定前后軸制動比例控制方法的基礎上進一步延伸而來。

圖2 ?車輛制動控制系統

車輛在某一具體工況下進行行車制動，整車總制動力的能量轉換流動圖如圖3所示，整車動能的一部分被消耗在克服空氣阻力和滾動阻力，但其中更多的整車動能由制動系統吸收。

車輛在運行過程中的回饋制動能量流動簡圖如下：

圖3 ?車輛回饋制動過程能量流圖

由上圖可以得出，車輛的制動機械能傳遞由底盤的機械傳動裝置，再拖動動力電機（電動機轉變為發電機）回饋發電，最后回饋發電產生的電能被傳送到動力電池，其中可利用的制動能量Ebrk可表示為：

（1）

如上的能源傳遞公式中：m為回饋制動時整車質量;μ為底盤傳動效率系數值;K1為動力電機的回饋發電效率系數值;K2為動力電池的回饋充電吸收效率系數值;V0和V1分別為回饋制動時的開始車速和回饋制動結束時的實時車速;v為回饋制動過程中的車輛實時車速;s為回饋制動過程中整車時的減速制動距離;Fw為車輛運行工況的空氣阻力;Fu則為駕駛員施加的制動踏板液壓制動力;Fi為車輛運行工況的實時坡道阻力;Ff為車輛運行工況的實時滾動阻力。

由公式（1）可以看出，影響車輛制動能量回饋的因素有?、K1、K2、m、v和制動過程中的實時速度微分即實時制動強度Z。

制動能量回饋的效率參數的公式為：

（2）

式中：Ereg為制動過程中回收到電池的能量;Ebrk為制動過程中車輛總制動力對應的機械動能總能量。

當出現以下綜合工況時，整車控制器才能允許動力電機制動回饋參與整車總制動力分配，即：

（1）電池管理系統上報的SOC狀態值，必須小于等于95%;

（2）車輛制動強度z門限值必須小于等于-0.6g時，認為整車制動力需求激增，車輛進入緊急制動模式，為保證整車制動的安全性，采用常規液壓制動;

（3）整車控制器監測到的有效操控檔位在前進檔;

（4）整車控制器采集到的電機實時轉速不小于800rpm。

以上條件都滿足時，整車控制器允許動力電機電制動扭矩回饋。

在對整車總制動力進行電液復合制動分配時，為避免車輛“甩尾”、“打滑”，通過在后軸引入驅動電機制動回饋的制動力，并且產生驅動電機制動回饋力矩分配系數。其定義如下：

（3）

（4）

其中：fb為整車總fbr制動力;fbf_hyBk為前軸制動力;fbr為后軸制動力;β為前后軸制動力分配系數。

本文介紹的純電動城市渣土車為前置后驅車型，即電機回饋制動力施加于后軸，利用動力電機制動力分配系數βallo定義如下：

（5）

（6）

其中：fbr_eleBk為動力電機回饋制動力;fbr_hyBk為后軸實時液壓制動力。

根據公式（3）、（4）、（5）、（6）可確定該型純電動城市渣土車的整車總制動力為：

（7）

基于整車制動力分配的控制策略，在確保運行過程的制動安全性和駕駛員制動踏板行程控制感的前提下，該型車的制動力分配控制策略如下：

-0.1g ≤ z ≤ 0：整車制動力由動力電機輸出，從而回收盡可能多的制動能量。

（8）

-0.6g ≤ z<-0.1g：整車總制動力控制策略由動力電機和液壓制動的并行制動，即后軸動力電機制動加后軸液壓制定再加前軸液壓制動。

（9）

z <-0.6g：車輛處于緊急制動狀態，為保證制動的安全性，驅動電機回饋制動力退出，車輛制動力由液壓制動控制輸出。

（10）

5 結論

（1）本文分析了一款純電動城市渣土車制動回饋過程的工作原理及力學分析，確定了影響制動能量回饋的整車狀態及電氣特性約束條件。

（2）基于回饋制動最優先考慮，整車總制動力分配控制策略結合動力電池荷電狀態SOC值、整車在具體工況下的實時制動強度、實時的整車車速、駕駛員踩制動踏板開度等底盤動力系統關鍵部件狀態為設計輸入，回饋制動比例分配為輸出的電液復合協調式的整車制動力分配控制策略。

（3）本文中提出的電液協調式制動控制策略已成功應用于某型純電動城市渣土車，保證行車制動安全的前提下，最大程度提升制動能量回饋利率，從而提升整車續駛里程。

參考文獻

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