电动客车新型电制动能量回收方案及验证

2022-06-29王坤俊文健峰欧阳智

客车技术与研究 2022年3期

汪帆，王坤俊，文健峰，卢雄，欧阳智

(中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412007)

电动客车的制动能量回收技术不仅能提高能量利用率，而且可以减少制动器磨损，提高制动效能。各厂家在控制上作了很多优化，以提升制动回收率。本文探讨某8 m纯电动城市客车应用单踏板技术方案的可行性，并进行效果验证。

1 可行性分析

以某款8 m纯电动城市客车为例，其整备质量为9 200 kg；动力电池为229 kW·h，最大允许回馈电流为400 A；电机最高转速为3 000 r/min；驱动桥最大制动扭矩要求不超过1 600 N·m；传动比为6.14；滚动半径为0.391 m。技术可行性分析的主要内容为：驱动桥能否承受最大目标制动减速度需求的制动扭矩；电储能系统能否回收最大目标制动减速度时产生的最大电制动能量。

1.1 最大目标制动减速度需求

参照中国城市客车行驶工况(CHTC-B)车速及其减速度示意图(图1)，推导该工况下减速度概率分布如图2所示。可以得出，城市客车的减速度95%都在1.2 m/s内，故将单踏板驾驶模式下城市客车的电制动最大目标减速度定义在1.2 m/s以下。

图1 CHTC-B减速度示意图

图2 CHTC-B减速度概率分布图

1.2 最大制动减速度时电制动扭矩

城市客车日常车速在40 km/h以下，电机的制动扭矩转速特性与驱动工况类似，能提供的减速度远大于1.2 m/s，故设定的目标制动减速度能够实现。而需要重点关注的是驱动桥能否承受设定的最大目标制动减速度对应的电制动扭矩。

根据汽车动力学公式推导出电制动扭矩：

=(--)·

式中：为整车质量；为制动减速度；为风阻；为电制动阻力；为滚动半径；为传动比。

根据以上公式可得出目标制动减速度为1.2 m/s时需承受的最大电制扭矩约为600 N·m。而该车辆的车桥可承受的电制动力矩超过1 500 N·m，故该车可以承受所设定的目标减速度对应的电制动扭矩。

1.3 最大制动减速度时的电制动能量

城市客车日常行车速度40 km/h对应的电机转速约为1 500 r/min。根据扭矩与电功率的关系=·9 550，得到制动扭矩600 N·m时对应的最大电功率约为100 kW，低于该客车配置的动力电池最大允许电回馈功率约200 kW(502 V×400 A)。因此该电储能系统理论上可以回收目标制动减速度对应的电制动能量。

要注意的是，在动力电池SOC过高或其他电池系统允许充电功率低于最大制动电功率的情况下，整车需要进行声光报警提醒驾驶员此时单踏板制动功能无效，需采用传统的制动踏板进行制动。

另外，相同目标减速度下，后桥需承受的电制动扭矩及电储能系统需要承受的回收功率会与整车总质量成正比增加。故整车总质量增大时，需要考虑后桥及电储能系统的选型是否合适。

通过上述可行性分析可以看出，该款8 m纯电动城市客车采用单踏板方案可以满足日常运营的制动需求。

2 方案设计及验证

2.1 方案设计

参照乘用车模式，在传统双踏板的基础上，保留原制动踏板及其功能不变，将原油门踏板开度分为三段，前段为制动区间，中间为滑行区间，后段为驱动区间。改变后的油门踏板开度与行车模式如图3所示。

图3 踏板开度与行车模式对应图

其中制动区间内整车制动减速度与以下几个因素相关：

1) 车速。车速在40 km/h以内对应的理想的完全释放油门踏板得到的最大减速度与车速函数关系设计如下：

(1)

其中为定义的速度较低阈值，当车速低于时，最大减速度逐步减小；为定义的即将停车时的制动减速度。大致参考如图4所示。本文定义的、分别为10、1，具体数值可根据车辆调试情况进行标定。

图4 最大制动减速度与车速对应关系图

2) 油门踏板开度。滑行区间和驱动区间与传统双踏板控制逻辑类似。制动区间在踏板开度越小时，制动减速度值应越大，故定义制动减速度与踏板开度函数关系：

=·(1)，0<<

(2)

式中：为油门踏板开度；为踏板开度在制动区间的阈值；为常数，代表映射虚拟制动踏板的灵敏度。

由式(2)可以得到减速度与踏板开度的大致参考关系如图5所示。本文中为30%，为1，具体数值可根据车辆调试情况进行标定。

图5 制动模式下减速度与踏板开度对应图

3) 整车重量及道路坡道。为解决重量及坡度带来的问题，整车VCU需要识别车辆载荷及坡度并适当增大或减弱电制动力矩。整车载荷的识别有多种方案，如客流监控仪统计上下客人数计算载荷量、车架系统加装电阻与位移成线性变化载荷传感器或基于电机扭矩的自学习载荷计算方案等，本文采用加装载荷传感器并进行标定的方案得到载荷，坡度可以采用陀螺仪识别。

制动减速度与载荷及坡道的关系如式(3)，其中为空载质量。

=·[cos ()+sin ()]+·[·(+)]+··[2115(+)]

(3)

根据式(1)、(2)、(3)即可建立此新型电制动模型：