CA6700EV纯电动客车再生制动控制策略研究
刘宏伟 赵文平 吕奉阳
吉林大学
摘要 分析了纯电动客车有别于传统客车的制动特性，论述了制约再生制动能量回收的ECE法规、需求的电机扭矩、电机的实际峰值扭矩、动力电池SOC值限制等限制条件，提出了适用于本文纯电动客车的再生制动控制策略。通过仿真分析，验证了本文再生制动控制策略的合理性和有效性。
主题词 纯电动客车 再生制动 控制策略
l 再生制动控制介绍
在典型城市工况中，客车的平均时速不高、负荷率变化大，需要较频繁的起动与制动，使得汽车制动过程中以热能方式消散到空气中的能量约占驱动能量的50％，具体如表1所列。如果能有效地将这部分损失能量回收利用，电动汽车的续驶里程将大大提高。
然而，再生制动力的增加会改变整车制动系统制动力的分配，影响制动的稳定性和平顺性。因此，需要协调再生制动力与机械制动力之间的关系，以满足ECE法规要求。本文所改装纯电动客车的制动系统是在原有传统双回路液压制动基础上增加了电机再生制动功能，从而形成的一种复合制动系统，而液压制动系统与再生制动系统互不影响。在紧急制动和高强度制动时，纯电动客车的再生制动系统不能独立完成制动任务，必须与传统的摩擦制动相配合。当再生制动系统处于失效模式时，液压制动系统仍可单独承担制动任务，保持汽车制动效能。增加再生制动系统后，新的前、后轴制动力分配系数仍然满足ECE制动法规要求，保证了汽车制动稳定性和平顺性。
2 制动特性分析
2.1 参数与结构
为了研究再生制动控制策略，必须了解传统城市客车和电动客车的结构，传统客车CA6700和电动客车CA6700EV的具体结构如图1和图2所示，二者参数如表2和3所列。
2.2 制动特性
在现有CA6700传统客车基础上改装成CA6700EV电动客车，其轴荷和轮荷均发生变化，前、后轴的制动力分配直接影响汽车的制动性能和安全性。传统客车和电动客车的制动特性曲线如图3～图5所示（液压制动系统的制动力分配系数为0.5）。
由图3～图5可以看出，开发的纯电动客车较原来的传统客车其质心后移，制动特性有了很大改善，满载时同步附着系数由原来的0.56提高到0.83，制动时前、后轴利用附着系数和制动效率明显提高。
从图7可以看出，液压制动系统单独制动时，纯电动客车空载同步附着系数为0.4525，满载同步附着系数为0.8362。图中ab线与dc线之间为纯电动客车空载时制动力分配系数β的范围，0.4694≤β≤0.5945；AB线与DC线之间为纯电动客车满载时制动力分配系数β的范围，0.3987≤β≤0.5022；粗虚线MN为原液压制动力分配线。结合本车液压制动力分配系数，得出满足ECE法规的制动力分配系数范围：空载0.4694≤β≤0.5，满载时0.398≤β≤0.5（图8）。
3.4 动力电池SOC值的限制
能否对制动能量进行回收还取决于电池放电深度，若制动时动力电池的SOC值很高（＞0.9），为保护蓄电池、延长电池使用寿命，此时不能进行制动能量回收。厂家提供的锂离子动力电池充电特性如图10所示。
动力电池SOC值≤0.7时最大充电电流恒为200A，此时可以对电池以最大电流充电，SOC值对制动能量回收无影响。当SOC值＞0.7时，电机实际充电功率受电池最大吸收功率限制，随着SOC值的增大，最大充电电流逐渐变小。
4 再生制动策略
制动过程中整车的制动控制逻辑如图11所示。制动开始时，首先判断电池SOC值，若制动能量可回收，在保证符合ECE法规要求的情况下，由电机和液压制动系统共同提供给后轮制动力矩，前轮仍采用常规液压制动。在该过程中，需要确定再生制动系统的控制逻辑（图12），才能保证再生制动和液压制动协调工作，达到驾驶员的制动需求。
为充分发挥电机的能量回收能力，提高能量回收率，应尽可能提高电机再生制动力矩在整车制动力矩中所占的比例。由于本文液压制动系统不可调节，电机制动力的参与将导致总制动力增大，并影响到前、后轴制动力分配。为了尽可能减小电机再生制动力引起的制动异常，确保制动安全稳定，施加的电机制动力应该限制在一个合理范围内。考虑到电机当前工作状态和电池SOC值对电机制动力的影响，实际的电机再生制动力应在零至ECE法规要求的再生制动力上限之间变化。电机再生制动力分配策略如图13所示。
假设当前制动条件下前、后轴气压制动力如A点所示，当前电机再生制动力需求上限为Fbmmax。如果当前条件下电机能够提供Fbmmax所示的再生制动力，则控制电机再生制动力Freg=Fbmmax，使前、后轴制动力如C点所示，此时前、后轴制动力分配系数为βL。
如果当前条件下电机能提供的最大再生制动力为Freg_B，则控制电机再生制动力Freg=Freg_B，使前、后轴制动力如B点所示，此时制动力分配系数在β与之间。
如果当前条件下不能进行再生制动，即电机提供的再生制动力为Freg=0，则前、后轴制动力关系如A点所示，制动力分配系数为β。
这样，可以控制纯电动客车前、后轴制动力分配系数的变化范围在β与βL之间，既满足了ECE制动法规要求，同时也充分利用了电机的再生制动能力，尽可能多的回收制动能量。液压制动与再生制动分配情况如图14所示。
5 仿真分析
在制动过程中，纯电动客车的前、后轴制动力分配系数也为变值。当电机的输出力矩不超过其制动力矩期望上限值时，即可保证纯电动客车的前、后轴制动力分配系数β不低于空载下限0.4694和满载下限0.3987，从而保证纯电动客车的制动系统满足ECE法规要求。
图15为液压制动与再生制动分配情况，图中OA为实际前、后轴液压制动力分配曲线βH，OB为ECE法规限定的制动力分配曲线βmin，GH为电机最大制动力矩曲线，EF为电机最高转速对应的最大制动力矩曲线。由前面分析可知，车速≤60.2km/h时，电机转速低于基速，处在恒扭矩区，电机最大扭矩为阴影区域的上边界OEGH；车速＞60.2km/h时，电机转速高于基速，处在恒功率区，最大制动力矩在阴影区域GEFH内波动。
图15 纯电动客车的前、后轴制动力与再生制动力分配情况
在区域OCE内，即对应制动踏板开度κ≤0.23时，电动机的制动力可完全满足需求的电机制动力；在区域OGD内，即对应制动踏板开度κ≤0.38时，电动机处于恒扭矩区域时的制动力可以完全满足需求的电机制动力，处于恒功率区域时，按照当时转速只能部分满足需求的电机制动力；在区域GDAH内，即对应制动踏板开度κ＞0.38时，电动机提供的制动力只能部分满足需求的电机制动力。
5.1 液压制动系统单独作用
当液压制动系统单独作用时，前、后轴制动力分配如图16所示。制动开始时，前、后轴制动器制动力Fμf、Fμr按βH线上升。因前、后车轮均未抱死，故地面制动力FXbf和FXbr也按βH线上升。到L点时，βH线与φ=0.5的f线相交，前轮开始抱死，制动减速度为0.42g，此时地面制动力FXbf、FXbr已经符合后轮没有抱死而前轮抱死的状况。驾驶员继续增加踏板力，FXbf、FXbr将沿f线变化，前轮的地面制动力FXbf不再等于Fμf，但继续制动，前轮法向反作用力增加，故FXbf沿f线稍有增加。但因后轮未抱死，所以当踏板力增大，Fμf、Fμr沿βH线上升时，FXbf仍等于Fμr而继续上升。当Fμf、Fμr-至P点时，f线与I线相交，此时后轮达到抱死所需的地面制动力FXbf，（即后轮的附着力），于是前、后轮均抱死，客车获得减速度0.5g。5.2 电机处于恒功率区
假设电机初始状态为最高转速6000r/min，对应电机最大再生制动力为2906N，随着制动踏板开度的增大，电机再生制动力逐渐增大（由2906N增大到4843N），对应的前、后轴制动力分配系数β的变化范围为0.3987～0.4558。
当β在f曲线下方时，制动过程中前、后轴制动器制动力Fμf、Fμr和地面制动力FXbf、FXbr按β（变值）线上升。当β=0.4431时，如图17中OT所示，线与φ=0.5的f线相交于M点，与I曲线交于Q点，φ0=0.56。此时前轮开始抱死，制动减速度为0.48g。驾驶员继续增加踏板力，FXbf、FXbr将沿f线变化，然而，由于电机再生制动力的继续增加，β继续减小，从而远离f线组，降低车轮抱死趋势。继续增加踏板力，β线与φ=0.5的f线再次相交，如此反复直到FXbf、FXbr沿β线上升至P点时（图17），与I线相交，此时后轮达到抱死所需的地面制动力FXbr，于是前、后轮均抱死，客车获得减速度0.5g。
5.3 电机处于恒扭矩区
电机最大制动力为4843N，电动机最大再生制动力边界为OGH，随着制动踏板开度的增大，前、后轴制动力分配系数β的变化范围为0.3987～0.4558。
当β在I曲线上方时，制动过程中前、后轴制动器制动力Fμf、Fμr和地面制动力FXbf、FXbr按β（变值）线上升。当β=0.41时，如图18中OS所示，β线与φ=0.5的r线相交于N点，与I曲线交于R点，φ0=0.42。此时，后轮开始抱死，制动减速度为0.48g。驾驶员继续增加踏板力，FXbf、FXbr将沿r线变化，然而，由于后驱动轮抱死，电机再生制动力消失，使后轴制动力减小，车轮解除抱死重新转动，电机再生制动力再次产生，β线与φ=0.5的r线再次相交，如此反复直到Fμf、Fμr沿β线到达P点时（图18）与I线相交，此时前轮达到抱死所需的地面制动力FXbf，于是前、后轮均抱死，客车获得减速度0.5g。
6 结束语
对比分析了CA6700传统客车和CA6700EV纯电动客车的制动特性，归纳出制约再生制动能量回收的4大限制条件，提出了适用于本文纯电动客车的再生制动控制策略，并通过仿真分析验证了再生制动控制策略的合理性及有效性。
