纯电动商用车制动能量回收策略研究

王善超　韦尚军　覃记荣　马晓楠　郑伟光

摘 要：为了提升纯电动商用车的制动能量回收效率，提高整车的续航里程。根据ECE法规和前后轮理想制动分配曲线，设计了一种适用于以后轮为驱动轮的制动力分配曲线，并提出了一种串联制动能量回收策略。在AVL-CRUISE中完成纯电动商用车的模型，在NEDC工况下完成并联策略与串联策略的仿真，串联策略比并联策略的制动能量回收效率提高了8%。结果表明串联制动能量回收策略能够大大提高纯电动商用车的制动回收效率，是提升纯电动商用车续航的有效方法。关键词：纯电动商用车;制动能量回收;串联策略中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）11-11-04

Abstract： In order to improve the braking energy recovery efficiency of pure electric commercial vehicles and improve the vehicle's endurance mileage. According to the ECE regulation and the ideal braking distribution curve of front and rear wheels， a braking force distribution curve suitable for driving wheels of rear wheels is designed， and a series braking energy recovery strategy is proposed. The model of pure electric commercial vehicle is completed in AVL-cruise， and the simulation of parallel strategy and series strategy is completed under NEDC condition. The braking energy recovery efficiency of series strategy is 8% higher than that of parallel strategy. The results show that the series braking energy recovery strategy can greatly improve the braking recovery efficiency of pure electric commercial vehicles， and it is an effective way to improve the endurance of pure electric commercial vehicles.Keywords： Pure electric commercial vehicle; Brake energy recovery; Series strategyCLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）11-11-04

引言

随着汽车行业的迅速发展，能源危机和环境恶化问题已经成为困扰当今世界的两大难题，大力发展纯电动汽车成为解决问题的一个方法。电动机作为纯电动汽车的唯一动力源，在行驶时不但可以当电动机提供动力，还可以在减速时当做发电机，为汽车产生制动力矩的同时也为电池充电，能够大大提升纯电动汽车的行驶里程[1-2]。

纯电动汽车在引入制动能量回收时，会导致前后轮的制动力分配、摩擦制动力与再生制动力分配的变化。在保证整车制动性能不受影响的前提下，尽可能提高再生制动的比例。如何在保证制动安全性与稳定性的前提下最大限度的回收制动能量成为再生制动研究的重点和难点[3]。由于并联制动能量回收策略相对简单，成本低廉，在量产的纯电动汽车的制动能量回收策略多为并联策略，即仅将驱动轮的制动力按比例分配给电机再生制动力和摩擦制动力，电机的制动能量回收效果不理想[4]。龚贤武等基于制动稳定性要求和ECE制动法规对没电动轿车的制动力分配进行研究，在保证制动稳定性的同时，对整车的制动能量回收有一个显著的提升[5]。许世维等人基于电动商用车电气复合制动系统的特点，提出了一种最佳感觉的串联制动控制策略，在保证制动感觉的同時，大大提升了整车的经济性[6]。

本文研究的纯电动商用车是面向城镇运输的电动汽车，良好的续航性能是十分重要的。本文通过研究一种适合于后轮驱动的纯电动汽车制动回收策略，并通过建模仿真验证该控制策略的有效性，为纯电动商用车的串联制动能量回收策略的优化提供依据。

1 串联制动策略的约束条件

1.1 ECE法规制动力分配要求

汽车制动时，前、后轮的制动力分配会影响整车的安全性和制动效能，不同的分配比例可能会导致前后轮同时抱死、前轮先于后轮抱死、后轮先于前轮抱死3种情况，其中只有前后轮同时抱死是一种理想情况。这种情况下的制动力分配曲线称为I曲线，如公式（1）所示，按照I曲线对制动力进行分配，不仅能够保证制动稳定性还能提高制动效能[7]。

式中，z为制动强度;La为汽车质点至前轴的距离（m）;Lb汽车质点至后轴的距离（m）;hg为质心高度（m）。

为满足制动效能的要求，制动力的分配还应该满足ECE法规和我国的国家标准GB 12676-1999。根据ECE法规可以得出以后轮为驱动轮的纯电动商用车的制动力约束条件为：

1.2 动力电池的约束

动力电池作为纯电动车的能量提高元件，也是制动能量回收的储存元件。动力电池的的最大充电电流、最大充电功率、电荷状态等基本属性是制约能量回收的主要原因。所研究车辆的动力电池采用锂电池，考虑到电池的充电效率和防止电池过充对电池带来的损害，将电池的制动能量回收时的SOC设置为25%～95%，其他时刻停止制动能量回收。

1.3 动力电机的约束

在纯电动汽车进行制动能量回收时，动力电机所提供的制动力矩不得超过该转速和功率下的力矩。当汽车在低速行驶时，动力电机的转速过低，所能够产生的制动力矩太小，一方面回收效率较低，另一方面安全性较差，因此设置再生制动时动力电机的转速阈值。当动力电机转速低于500r/min时停止再生制动能量回收。此时由摩擦制动力提供制动所需的全部制动力。最终得到动力电池的制动力矩特性为：

式中，Pm为电机再生制动功率（kW）;Tb为基速下电机转矩（N· m）;PN为电机额定功率（kW）;n为电机转速（r/min）;nb为电机基速（r/min）。

2 串联制动控制策略

2.1 串联制动控制策略原理

串联制动与并联制动的主要区别在于低制动强度时是否有摩擦制动的参与，串联制动控制策略在制动强度较低时车辆所需制动力全部由动力电机再生制动力提供，当再生制动力不能满足需求时摩擦制动力再参与制动，如图1所示。

2.2 串联制动控制策略的制动力分配

采用并联制动控制策略的汽车，只需将再生制动力叠加在摩擦制动力上，但是采用串联制动控制策略，再生制动力不再是简单的叠加。串联制动控制策略的引进改变原有的前后轮制动力分配，需要对制动力分配进行重新设计。

串联制动控制策略的制动力分配基于I曲线和ECE法规曲线设计，进而达到制动稳定性和制动效能高的要求。满足车辆基本制动性能的同时尽可能高的提高制动能量的回收效率。分配曲线如图2所示，OABC为制动力分配曲线。

所研究串联制动控制策略在制动强度较低时电机的再生制动力提供车辆的全部所需制动力如图2中OA段;随着制动强度的增加，为保证车辆的制动稳定性需要前轴提供制动力，如图2中AB段;当制动强度较大时，前后轴的制动力分配按照I曲线，后轴的再生制动力不能满足制动要求，需要摩擦制动作为补充，如图2中BC段。当紧急制动时再生制动不再发挥作用，制动力全部由摩擦制动提供。

串联制动控制策略流程图3所示。

3 基于CRUISE軟件的建模与仿真

3.1 纯电动商用车模型的搭建

纯电动商用车模型的搭建基于某款纯电动汽车，其整车参数如表1所示。

基于CRUISE软件搭建的纯电动商用车模型如图4所示。控制策略采用SIMULINK搭建，将控制策略编译成为.dll格式文件，利用CRUISE与SIMULINK联合仿真。

3.2 仿真结果及分析

为对控制策略进行验证，将动力电池的初始SOC设置为95%，在NEDC循环工况下对控制策略进行仿真。通过串联制动控制与并联制动控制策略对比，串联控制策略在制动时能够提供更大的再生制动转矩，如图5（a）所示;在制动时采用串联制动控制策略的模型，制动再生时电机的负载信号也更大，如图5（b）所示;采用串联制动策略在SOC放面提升明显，如图5（c）所示。

4 结论

本文的研究对象是以后轮为驱动轮的纯电动商用车，在进行制动力分配时要依据I曲线和ECE曲线进行分配，保证整车的制动稳定性和制动效能，在此前提下设置串联制动控制策略，对再生制动能量进行最大限度的回收。

本文所研究的串联制动控制策略通过CRUISE与SIMULINK的联合仿真验证了控制策略的可行性。通过进行一次NEDC循环工况的仿真串联制动控制策略相较于并联制动控制策略在SOC方面提升8%。

参考文献

[1] le Driven by Electricity and Control-Re-search On Four-Wheel -Motored “UOT Electric March II”[J].IEEE Transactions On Indus -trial Electronics，2004，51（ 5） ： 954-962.

[2] K Maeda，H Fujimoto and Y Hori. Four-wheel driving-force distribution method for instantaneous or split slippery roads for electric vehicle with in-wheel motors[J].The 18th International Confer- ence on Electrical Machines，2011：1-5.

[3] 温一鹏，牛志刚.纯电动物流车再生能量回收控制研究[J].计算机仿真，2018，35（01）：136-140+213.

[4] 初亮，等.纯电动汽车再生制动控制策略研究[J].汽车工程学报， 2016，6（ 4）：244-251.

[5] 龚贤武，张丽君，马建，等.基于制动稳定性要求的电动汽车制动力分配[J].长安大学学报自然科学版，2014，34（1）：103-108.

[6] 许世维，唐自强，王栋梁，赵轩.电动商用车的串联制动控制策略[J].甘肃农业大学学报，2016，51（04）：113-120.

[7] 余志生.汽车理论[M].北京：清华大学出版社，2009.