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）

汽車發展引發的環境問題和能源危機，使人們對于新能源汽車技術的關注度日益增加。混合動力系統因為增加了電機，使系統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，用于車輛驅動，達到系統節能的目的。能量回收作為混合動力優化經濟性中重要的手段，下文給出一種結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，現市場上大部分混合動力商用車都保留了傳統車的制動系統。所以在滿足整車駕駛需求的前提下，要實現混合動力系統制動能量回收最優化，首先要了解傳統商用車氣剎系統特性。

根據某傳統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腳行程對應初始電壓0.5V，12mm腳行程對應最高電壓4.5V。

圖1 傳統氣剎制動踏板靜特性曲線

根據上述特性，得到傳統氣剎總壓力、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，制動踏板行程結合制動時間才能得到較準確機械制動介入情況。

表1 傳統氣剎制動總壓力、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特性

F—有效制動力矩最大值。正常行駛狀態下，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。根據制動踏板特性，不產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，傳統氣剎常用制動踏板行程。不包含能量回收，氣剎產生制動力矩達到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生制動力為確定的特性關系如表1所示。為盡可能增加能量回收影響，需要精標空行程區間、電機制動扭矩達到最大之前的區間。

由圖1所示，在腳行程12mm之內，傳感器電壓與腳行程的關系為公式（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對應制動踏板開度100%。此時制動踏板電壓-制動踏板開度關系為公式（3），此時腳行程的空行程2mm，對應制動踏板開度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，標定制動踏板電壓-制動踏板開度CUR時，應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情況下α≥α，將提取減速度α≤α時數據作為基礎。標定數據計算步驟如圖4所示。

圖4 滑行能量回收數據標定方法

第1步，將減速度α≤α數據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，根據每個車速段滑行減速度、整車參數得到合適的能量回收力矩。

第4步，數據修正，盡量使能量回收力矩與車速成正相關。

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，并且連續易控。

因為制動能量回收的標定疊加氣剎產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氣剎特性。標定數據計算步驟如圖5所示。

圖5 制動能量回收數據標定方法

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，此時對應有效制動力矩F，根據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制動踏板開度β，此時產生的減速度為電機產生減速度疊加氣剎制動力產生的減速度。

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不同β。

第4步，確定不同車速段空行程對應減速度，從而確定空行程α對應制動力矩。

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，在做好能量回收基礎標定后，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%。結果表明，該方法可以有效提升制動能量回收率，提高整車經濟性。