混合动力城市客车制动能量回收系统道路试验

混合动力城市客车制动能量回收系统道路试验张俊智陆欣张鹏君陈鑫（清华大学汽车安全与节能国家重点试验室北京100084）摘要：为提高制动能量回收系统性能，针对某型串联式混合动力城市客车，选用一种串联式制动能量回收装置进行道路试验研究。针对研究对象，设计出串联、并联等多种制动力分配策略；开发出一套道路试验测试系统，适用于中国典型城市公交循环等多种工况条件下进行道路试验；利用dSPACE硬件平台快速成型一个包含控制算法的控制单元，替代实际的整车控制器.将所搭建的控制单元应用到实际的目标车辆上，利用自己设计的制动能量回收道路试验系统对目标车辆进行制动性能试验以及制动能量回收经济性试验等；重点研究不同策略下的制动能量回收的经济性及整车的制动舒适性，以及影响制动经济性与舒适性的因素。试验结果表明，所研发的制动能量回收装置能够实现不同的制动力分配策略，串联式制动能量回收策略能够在保证驾驶员制动感觉的前提下回收较多的制动能量，是多种方案中相对较好的选择。关键词：混合动力客车制动能量回收道路试验制动力分配快速原型中图分类号：U469RoadTestofHybridElectricBuswithRegenerativeBrakingSystemZHANGJunzhiLUXinZHANGPengjunCHENXin（StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China）Abstract：Inordertoimprovetheperformanceofregenerativebrakingsystem(RBS),anewRBSisselectedandtestedonaserieshybridelectricbus.Severalbrakeforceallocationschemesincludingserialstrategy,parallelstrategy,etc,weredesignedfortheobjectvehicleandtestedonroad;AvehicleroadtestsystemissetupfordifferenttypeoftestcycleincludingChinesecitybuscycle;AcontrolunitincludingprogramswasestablishedbasedonthedSPACEtoreplacetheoldvehiclecontrolunit.Thenewcontrolunit,vehicleroadtestsystemandseveralbrakeforceallocationschemeswereusedandtestedontheroadtostudythevehiclefueleconomicandbrakeperformance;theenergyregenerationefficiencyanddriveabilityisstudied,severalfactorsareconsideredtoanalyzethebrakeprocess.Theresultsshowthat,thenewRBScandistributebrakeforceaccordingtothetypeoftargetvehicle,theserialstrategyofbrakingforcedistributioncanrecovermorebrakingenergywithgoodbrakedriveabilityandsafety.Keywords：HybridelectricbusRegenerativebrakingRodetestBrakingforcedistributionRapidPrototype0前言混合动力电动汽车在节能与环保方面的优势，主要来自其对能源较高效率的利用。有研究表明，在城市驾驶工况下，大约有1/3到1/2的能量被消耗在制动过程中[1-2]。以具有代表性的日本10-15循环工况为例，在该循环结束时刻，汽车产生的牵引能量将近50%都被制动过程消耗掉[3]。因此制动能量的回收技术是提高汽车能量利用效率的关键途径之一。绝大部分投放市场的混合动力车型都有制动能量回馈的功能，如1997年、2003年两代丰田Prius，2002年、2005年两代本田Civic，2004年福特Escape等，并且随着产品更新换代回馈制动在总体制动中的比重加大，能量回馈效果不断改善[4]。混合动力商用车的制动能量回收研究较少，目前主要以理论分析及方案设计阶段，道路试验研究较少[5-6]；且制动力分配策略以并联方案为主，尤其是多种策略在同一辆车上的对比试验。本课题组已对城市客车的制动能量的回收技术进行过整体方案设计,建立了仿真模型进行仿真分析，随后进行制动能量回收系统的硬件在环台架试验,积累了一定的经验[7]。本文将在此基础之上进一步开展制动能量的回收技术的研究，通过实车道路试验,来测试所开发的制动能量回收系统的性能，为该系统的产业化运用打好基础。所研究的基础车型是清华大学和北汽福田汽车公司合作开发的某型混合动力城市客车。该车是一款典型的串联式混合动力电动汽车，动力系统结构如图1所示，整车主要参数见表1。图1目标车型动力系统结构表1某型串联式混合动力电动汽车整车参数参数名称参数值整备质量m1/kg12200满载质量m2/kg15500迎风面积A/m27.5空气阻力系数CD0.75车轮滚动半径r/m0.512主减速器速比i06.833变速箱速比ig2.46传动系统总效率ηT0.88在该车中，发动机、发电机及整流器构成一个功率辅助单元（Auxiliarypowerunit，APU），根据整车能量管理策略的需要进行发电，用以驱动电动机或者给蓄电池充电。电动机采用三相交流异步电机，通过电动机控制器连接在直流母线上，可以工作在驱动和发电两种状态下。蓄电池直接连接在直流母线上，可以提供电流驱动电动机，吸收APU的发电电流或者电动机制动的电流。整车为后轮驱动，电动机通过传动系统驱动后轮。1制动能量回收方案及策略介绍1.1制动能量回收装置根据现有的制动能量回收相关文献，制动力在摩擦制动与回收制动之间的分配策略，大体上分为串联和并联两类[8]。合理分配摩擦制动力与回收制动力是制动能量回收控制策略的核心。在不改变原有制动系统的前提下，机电复合制动的混合动力电动车不适宜采用后轮驱动形式，容易出现后轮先抱死的情况，制动稳定性差[9]。目标车型采用后轮驱动模式，因此，必须调整原有的机械制动系统，采用串联式制动能量回收方案，使机械制动力与电机回收制动力协调配合，保证制动稳定而且能量回收率高。昀终实现的制动能量回收系统的整体方案[7]如图2所示，在原车混合动力系统和制动系统上做了较小改动，实现串联式制动回收控制逻辑。图2中所示的制动控制器的功能集中在整车控制器中。缓速器控制信号制动踏板踏板位置传感器ABS调压阀回馈制动控制阀ABS车速传感器双腔制动阀ABS控制器主减速器变速器电动机储气罐空气压缩机储气罐车轮电动机控制器制动控制器蓄电池图2制动能量回馈系统整体方案为了实现前后轮摩擦制动力的可调，在制动能量回收系统中加装了两个摩擦制动力调节机构，为了不影响ABS系统的防抱死功能，降低开发风险，这一机构设置在ABS调压阀之前、制动总泵之后。1.2制动力分配策略在串联再生制动方案下，车辆前后轮机械制动力以及电动机制动力可以进行调节，能够实现不同的制动策略。为对比分析制动回收的效果，本文结合目标车型，设计了四种典型的制动力分配策略，具体策略如图3所示。图3多种制动力分配方案示意图串联式制动能量回馈算法，采用基于规则的控制策略。如图3a，OO′段，制动踏板自由行程；O′I段，电机制动力增大，摩擦制动力为0，总制动力到达点C时，电机回馈制动力到达极大值；IH段，前轮摩擦制动力从0开始增加，使总制动力与需求制动力相同，后轮制动力保持为电机制动力不变，制动踏板开度到达H点时，前轮制动力完全恢复，前后轮制动力之比恢复到原车比例，即原车β线位置；HG段，前轮摩擦制动力根据原车制动踏板压力特性上升，后轮摩擦制动力从0开始上升，保证前后轮制动力比值满足原车β线关系，如图3a′所示；GF段，制动踏板开度较大，即将进入紧急制动工况，为了保证制动安全，原有机械制动力迅速恢复，电机制动力随之逐渐减小，保证总制动力与需求制动力相同；点F以后，制动踏板开度很大，进入紧急制动工况，机械制动力完全恢复，电机制动力完全撤销，保证整车制动性能。为了深入研究多种方案下制动能量回馈的效果，同时设计以下3种制动能量回馈方案用于对比研究，如图3所示。并联式制动能量回馈方案1（简称并联方案1，下同），如图3b，不改变踏板自由行程，不改动原有制动气路，在原有制动气路上附加电机制动力，电机制动力按照制动踏板开度线性分布，踏板开度为零对应电机制动力为零，踏板开度为100%对应电机制动力为额定昀大制动力（目标车型电机昀大回馈转矩为455N•m），机械制动力按照原车制动系统工作。该方案对应的前后轮制动力分配策略如图3b′所示，采用该方案后新的前后轮制动力分配曲线抬高，进入I曲线上方的部分增多，容易引起后轮抱死。并联式制动能量回馈方案2（简称并联方案2，下同），如图3c，不改变踏板自由行程，不改动原有制动气路，在原有制动气路上附加电机制动力，随着制动踏板开度的增大，电机制动力与原机械制动力比例保持1:1，电机制动力到达上限之后机械制动力仍受原车制动系统控制。该方案对应的前后轮制动力分配策略如图3c′，采用该方案后新的前后轮制动力分配曲线抬高，有可能进入I曲线上方的危险部分，在任何条件下都是后轮先抱死，对制动安全不利。自由行程制动能量回馈方案（简称自由行程方案1，下同），如图3d，利用踏板自由行程，不改动原有制动气路，在踏板自由行程段施加电机回馈制动力，电机制动力按照踏板自由行程线性分布，踏板开度为零对应电机制动力为零，踏板到达自由行程上界对应电机制动力为额定昀大制动力，之后电机制动力保持上限，机械制动力按照原车制动系统工作。该方案对应的前后轮制动力分配策略如图3d′，与并联方案二类似，采用该方案后新的前后轮制动力分配曲线抬高，有可能完全进入I曲线上方的危险部分，在任何条件下都是后轮先抱死，对制动安全不利。2制动能量回收道路试验系统为测量和分析制动能量回收策略的驾驶感觉和制动能量回收率，本文设计了一套道路试验系统，方案结构图如图4所示。该系统能够将试验结果完整准确详细地记录下来，为分析试验结果提供依据。同时，为了完成驾驶循环工况试验，还能为司机提供用于实时显示试验循环理论车速和实际车速，指导驾驶员调整车辆行驶速度的辅助司机助系统[10]。图4制动能量回收道路试验系统结构图如图4所示，为了测量制动能量回收策略的回收效果，须要采集车速、燃料流量、传动轴转矩、整车加速度、电动机电流及电压、电池电流及电压等参数，这样就可以实时跟踪监测整车能量的流动情况，从整车能量的起点（燃料消耗）直到整车能量的终点（车辆动能），进而可以计算出车辆的瞬时燃油经济性，为控制策略的优化提供依据。为了分析车辆制动回收过程的驾驶感觉，需要测量制动踏板开度与踏板力的关系以及制动踏板开度与整车加速度的关系，这就需要制动踏板位置、踏板力、制动气室气压、车辆加速度等参数，进而可以对制动过程进行详细分析，优化控制策略，提高车辆驾驶感觉。以上电流电压等数据可以直接从整车CAN总线上获得，其余数据需通过传感器获得，因此本系统需要车速传感器、流量传感器、转矩传感器、踏板位置传感器、踏板力传感器、加速度传感器、气压传感器、CAN总线分析仪等设备。3道路试验3.1试验方法本文利用dSPACE功能强大的硬件平台快速成型一个包含控制算法的控制单元，替代实际的整车控制ECU，应用到实际的目标车辆上，进行了系统的试验。利用自己设计的制动能量回收道路试验系统对目标车辆进行了制动性能试验以及制动能量回收经济性试验等。本文主要从