基于Cruise混合矿用车再生制动系统研究

方桂花 曾标 王鹤川 高旭

摘  要： 为了提高混合矿用汽车在上坡时的驱动力及下坡时的制动力， 对带有电力再生制动系统的混合矿用汽车进行建模仿真， 并对系统中的关键元件进行参数设计。依据某款4×2机械传动矿用车为原型，改进原有系统，并进行单独制动和驱动的仿真，设置电机输出不同的转矩，进行对比仿真分析，从而得出对电池电量、速度、制动效果的影响，验证后驱单轴并联电力再生制动能量回收系统的可行性。结果表明：混合矿用自卸车加上再生制动系统，各个挡位的爬坡度性能提高了5%左右，制动效率也提高了，在上坡和加速时可提供较大的转矩，再生制动系统不仅提高了动力性能，同时对整车燃油经济性也有所提高。

关键词： 再生制动系统; 建模仿真; 转矩设置; 对比分析; 爬坡性能; 制动效率

中图分类号： TN99?34; U461.3                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2019）15?0160?05

Analysis on Cruise?based regenerative braking system for hybrid truck

FANG Guihua， ZENG Biao， WANG Hechuan， GAO Xu

（Institute of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Science & Technology， Baotou 014010， China）

Abstract： In order to improve the driving force on the uphill and the braking force on the downhill of the hybrid mining vehicle， the hybrid mine truck with the electric regenerative braking system was modeled and simulated， and the key components in the system were parameterized. Taking a 4×2 mechanical transmission mining truck as the prototype for improvement of the original system， the separate braking and driving simulations are conducted，  different output torque is set for its motor， and the comparative simulation analysis is performed to get battery′s electric quantity， speed， and braking effects. The feasibility of a single?axis parallel regenerative braking energy recovery system for rear?drive is verified. The results show that the hill?climbing performance of each gear of the hybrid mine dump truck with the regenerative braking power system is increased by about 5%， and the braking efficiency of the truck is also improved. In the process of uphill and acceleration， the system can provide greater torque. The regenerative braking power system can improve power performance and truck's fuel economy.

Keywords： regenerative braking system; modeling simulation; torque set?up; contrastive analysis; hill climbing performance; braking efficiency

0  引  言

目前，传统矿用自卸车主要分为电传动和机械传动，由于我国中小型矿山开采主要应用机械传动矿用自卸车，但机械传动矿用自卸车存在爬坡性能差、燃油经济差、能源浪费等问题。再生制动能量回收系统是解决上述问题最有效的途径之一[1]，然而轮毂电机驱动又不适用于小吨位车辆。

当今小型矿用自卸车主要采用串联式及并联式混合动力驱动方式，因此，需要对动力系统结构的驱动系统进行重新设计。相关研究人员考虑在原车结构基础上进行改进，如采用双轴独立系统构成复合式四驱混合动力车[2]，优点是减少设计周期、大幅度降低改动费用;针对单轴并联式混合动力矿用自卸车设计电辅助式控制策略[2]，根据不同要求改善整车性能。

本文基于4×2机械传动矿用自卸车进行改进，由于此车空载时，重量分布前轴33%，后轴67%，采用后单轴并联联合驱动，其余仍保留原有传动系统的结构，构成并联式混合动力矿用自卸车，该方法对原车结构改动较小，较容易实现样车，并通过合理的设置电机输出不同的转矩、制动力矩，也提高了整车的动力性和安全性能。最后通过仿真验证了再生制动能量回收系统的有效性。

1  混合再生制动能量回收系统工作原理

对混合再生制动能量矿用汽车进行研究，再生制动能量回收原理为：在下坡或制动时，连接后轴的传动系统11，4，3带动10开始工作，给12充电;此时，2处于断开，通过改变电机转速、转矩可以控制再生制动力的大小。由再生制动力带动电机反转产生的电能储存在12中。若此系统回收的能量超过电池储存的能力范围，为保护电池性能，改为完全机械制动方式。

矿用汽车在上坡或启动行驶时，将12储存的电能通过10和1联合驱动传动系统传递到驱动轴，为矿用汽车驱动，此时电池电量（SOC）下降。当SOC小于设定下限值时，为保护电池，电池不再为再生制动能量回收系统提供驱动力。如图1所示。

图1  电力再生制动能量回收系统原理圖

2  再生制动系统主要参数设计

2.1  电机参数设计

2.1.1  电机扭矩的确定

爬坡阶段时，由于速度较小，可以忽略整车空气阻力，其余主要阻力是滚动阻力、坡道阻力。矿用汽车动力在坡道较大时动力不足，可以由电机和发动机共同提供驱动力，提供动力应大于阻力之和，整车需求动力为：

式中：[Ft]为作用在车轮上的驱动力;[g]为重力加速度;[Ma]为满载质量，由于混合车型增加电机和电池组质量，对整车质量几乎没有影响，取[Ma]=80 000 kg;[f]为滚动阻力系数。

由于对原车进行改动，机械制动为主要制动动力源，电机只提供辅助制动力，因此整车所需制动力首先由液压制动所能提供的最大制动力来满足，不足的部分由电机来补偿。机械制动所能提供的制动力为：

式中：[Ft]为车轮上所产生的总机械动力，单位为[N];[Ftq]为电机再生制动力，单位为N;[ig]为爬坡时所使用挡位的传动比;[ηt]为整车动力传动机械效率;[r]为车轮滚动半径，单位为m。

2.1.2  电机功率的确定

为实现在坡道上提挡增速的目标，不仅需要考虑两个动力源所能提供的总驱动力能否满足车辆以高挡位行驶时整车的驱动力需求，还应考虑以更高车速爬坡时，两个动力源所能提供的总功率能否满足此时整车的功率需求。

根据爬坡性能要求计算整车需求总功率为：

式中：[αmax=（imax%）]，[i]为最大爬坡度;[vmax]为整车最大速度，单位为km/h。整车需求的驱动功率主要由发动机来提供，不足的部分由联合电机驱动，则电机所能提供的输出功率应满足[Pm≥Pa-Pe]（[Pe]为发动机所能提供的功率）。

根据实际运行工况要求，混合动力矿用汽车在15%～25%坡道上以4 km/h以上的车速匀速爬坡。

因此，电机所能输出的功率应满足[Pm≤max（Pm?15%，Pm?25%）]，折算得到驱动轮所需电机功率分别为[Pm?15%]= 87 kW和 [Pm?25%]=79 kW。

2.2  电池组的参数确定

由于混合矿用汽车自重和满载时较重，再生制动系统可回收的能量与电池容量有关，并且输出功率较大。因此，要求选用电池密度大和功率密度较高的锂电池组，以便减小电池组重量及体积，满足大功率充放电需求。

动力电池组不仅给电机提供电能，并且在车辆下坡制动过程中，通过电机把重力势能全部转化的电能存储在电池组中。主要考虑电压等级和容量，其中电压等级必须在电机的电压工作范围之内，确定动力电池组的技术参数公式如下：

式中：[EC]为放电能量，单位为[A?h];[S]为矿用自卸车纯电动行驶里程，单位为[km];[C]为电池容量，单位为[A?h];[U]为电池组电压等级，单位为V。

3  混合矿用车再生制动系统控制策略

控制策略的主要作用是根据需求和实际工况转换到不同工作模式，对再生制动系统控制策略进行研究。在Matlab/Simulink软件环境下搭建再生制动系统控制策略模型如图2所示。

图2  再生制动系统控制策略模型

再生制动系统控制策略的控制原理：主要通过电池电量（SOC）、制动力、车速进行信号逻辑控制，对上述描述如下：

1） 当需求制动力小于最大电机制动力且电池电量和速度都小于上限值时，再生制动系统的制动力全部由电制动系统提供。

2） 当需求制动力大于最大电机制动力且电池电量和速度都小于上限值时，混合动力汽车制动力由电制动与机械制动系统共同产生。

3） 其余均由机械单独制动。

4） 驱动工况下，当车速大于4.16 m/s时，再生制动系统矿用车仅由发动机提供驱动力。

5） 当牵引力小于需求驱动力且车速小于4.16 m/s，电池电量大于下限值，电动机与发动机联合驱动。

4  再生制动能量回收系统的建模与仿真

Cruise是一款商用软件，很容易建立复杂的传动系统模型，不需要搭建数学模型和数学公式推导。所以，本研究利用Cruise/Simulink软件中的电机、电池、发动机、控制信号、传动系统搭建混合动力矿用车再生制动能量回收系统的仿真模型。相应仿真参数如表1所示。

表1  主要仿真参数

为了准确仿真，将电力系统处于驱动状态，即电池放电带动电机为矿用车提供驱动力，因为电机扭矩是影响输出的主要因素，所以分析不同转矩下输出驱动的对比，如表2所示。

电池电量与电机转矩随时间的变化曲线如图3所示。

由图4再生制动系统矿用车速度变化可知，仿真批次“1”，“2”，“3”，“4”，“5”电力再生制动系统的矿用车，在110 s时均可以达到最大4.16 m/s，电机输出转矩为800 N·m时，到达最大速度利用时间最小，效果最佳。

表2  仿真批次与电机输出转矩对照表

图3  电池电量变化曲线

图4  再生制动系统矿用车速度变化图

由圖5，图6可知，加上再生制动系统比原有系统的爬坡度提高5%左右，各挡位速度上升了一个挡位，为上坡或加速提供较大的转矩、获得更有效动力性能。

图5  原车各挡位爬坡度与速度关系

由图7可知，在下坡制动时，初速度设置5 m/s，在11 s均可以停止，但是采用联合制动效果可以明显优于其他制动的效果，以至于可以减轻机械摩擦磨损，提高安全性能。

图6  再生制动系统挡位爬坡度与速度关系

图7  再生制动系统制动与其他制动对比

5  结  论

以后驱单轴并联再生制动能量回收系统的矿车为研究对象，验证了再生制动系统的上坡和加速的有效性，通过对再生制动系统的电机、电池关键元件参数设计，建立模型并进行驱动力和制动力的仿真，矿用汽车SOC、速度、转矩、爬坡性能、制动能效等方面的仿真结果表明：

1） 混合再生制动系统只有当电机输出转矩为800 N·m联合驱动的情况下，矿用汽车的瞬时速度、到达最大速度的时间都有显著的提高。

2） 可以提供较大的制动力矩，缩小制动系统制动时间，解决了矿用汽车制动稳定性能和安全问题。

3） 利用电机联合驱动提供较大转矩，提升爬坡性能、提高动力性能，为今后混合再生制动能量回收系统的设计和研究具有指导意义。

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