目前混合動力城市公交車是公認的混合動力車主要應用車型，城市公交車主要工作在頻繁起停的工況下，混合動力城市公交車將能夠顯著的提高燃油經濟性，減少尾氣排放，降低污染。再生制動[1]技術應用到混合動力汽車上將能夠部分回收制動消耗在制動器上的能量，提高整車燃油經濟性。就目前大多數混合動力汽車而言，機械制動與再生制動是并行的，這種再生制動系統(tǒng)存在著機械制動子系統(tǒng)常開，機械制動力不可控，制動能量回收有限，驅動軸容易提前抱死等問題。因此本文嘗試在并行再生制動系統(tǒng)基礎上，通過調節(jié)ABS調節(jié)單元來控制機械制動力從而提高再生制動系統(tǒng)性能。
１ 并行再生制動系統(tǒng)
如圖1所示為混合動力客車的并行再生制動系統(tǒng)制動控制策略[2][3]，這種制動力分配控制策略在傳統(tǒng)汽車定比例制動力分配控制策略思想的基礎上發(fā)展起來的，具有控制系統(tǒng)簡單，可靠性高，容易實現等優(yōu)點是一種應用價值很高的制動力分配控制策略。但是這種控制策略下制動力分配曲線高于I曲線，在附著系數低的路面上容易發(fā)生后輪先抱死的不穩(wěn)定工況，同時為了盡可能提高制動穩(wěn)定性，后輪再生制動力被控制在較小的范圍，限制了再生制動能量的回收。如果可以通過簡單的調解機構控制驅動軸機械制動力，使再生制動力起作用后的制動力分配曲線沿原有的制動力分配曲線β線分配。將提高整車的制動穩(wěn)定性，同時提高再生制動能量回收率。
2 混合動力客車制動力分配
對于混合動力客車而言，后軸為驅動軸，其制動力由機械制動力與再生制動力共同提供。增大后軸制動力可以提高再生制動力的利用，但是過分增大會導致后軸先抱死的不穩(wěn)定工況。因此合理的分配混合動力客車前后軸制動力將可以在回收制動能量的同時保證汽車的制動穩(wěn)定性。為保證制動時的汽車的方向穩(wěn)定性和有足夠的附著效率，聯合國歐洲經濟委員會制定的ECE制動法規(guī)對雙軸汽車的前、后軸制動力提出了明確的要求。由ECE法規(guī)對貨車制動力分配要求[4]，得如下不等式組：
β≥(b+zhg)/L（z=0.15～0.3）（1）
β≥1-(z+0.07)(a-zhg)/(0.85zL)（z=0.2～0.8）（2）
β≤(z+0.07)(b+zhg)/(0.85zL) （z=0.2～0.8）（3）
其中β為制動力分配系數，a 、b為質心到前后軸距離，L為軸距，hg為質心高度，z為制動強度。
將上述不等式繪制成圖如圖2所示。圖中A 線和B 線分別稱為上控制線和下控制線，C線稱為抱死順序控制線，也可以稱為第二下控制線。從圖中可以看出只有β在上下控制區(qū)域內（在虛線區(qū)域內）才滿足ECE 法規(guī)。
由于混合動力客車是后軸驅動的，再生制動力作用在后軸上，考慮混合動力客車制動力分配時，應使β盡量小，可以更多的利用再生制動力，提高能量回收。因此只需確定β下限即可。如圖當z=0.3 時，由式(1)得到的β值為滿足ECE 法規(guī)的第二下控制線的最大值，此值就應為混合動力客車β值的下限βmin。這樣混合動力客車進行制動力分配時，就可以盡量使用后軸再生制動力，但β不能低于βmin即：
β= Fu1 /Fu2+Fr>βmin=(b+0.3hg)/L （4）
本文按照這樣的制動力分配系數確定方法進行仿真分析，結果表明這種分配方法可在中小制動強度有效的保證汽車制動穩(wěn)定性而在大制動強度下會發(fā)生后軸先抱死的不穩(wěn)定工況，如圖3所示在濕瀝青路面（附著系數0.65）進行大制動強度制動（制動踏板開度65%）的仿真結果。后軸先于前軸抱死是由于大制動強度下發(fā)生軸荷轉移，前軸軸荷增大而后軸軸荷減小所致。因此這種分配系數確定方法并不理想。
由理想的前后軸制動力分配公式，可以得到理想的制動力分配系數為：
β= Fu1/Fu= (b+zhg)/L （4）
將上式畫入制動力分配系數對應制動強度關系圖得到圖4 。圖4中E,D線為空載，滿載的理想制動力分配系數對應制動強度關系曲線?？梢钥闯霰理樞蚩刂凭€C即為滿載理想制動力分配系數對應制動強度關系曲線D在制動強度z=0.1-0.3上的一段。處于D線上方的點總是前輪優(yōu)先后輪抱死。從圖4可以看出上文確定的制動力分配系數βmin只能保證在制動強度z小于0.3g的情況下前輪先于后輪抱死，而在大制動強度下并不能保證汽車的制動穩(wěn)定性。理想的制動力分配系數β值邊界應根據制動強度的不同而改變如圖中D線,D線上方的點為保證汽車制動穩(wěn)定性的工作點。采集制動踏板開度信號是混合動力汽車的發(fā)展趨勢。因此按圖中D線分配客車制動力是可以實現的。從圖中可以看到空載的理想制動力分配系數E線在D線下方，而汽車部分載荷的理想制動力分配系數應該介于D線與E線之間，因此D線上方的點高于空載和部分載荷汽車理想制動力分配系數對應制動強度關系曲線，可以保證前軸先于后軸抱死。
如圖5所示為在同樣條件下，根據理想制動力分配曲線進行制動力分配的仿真結果，前后軸均不抱死。
3 建模與分析
3．1ABS 調節(jié)單元工作原理
為提高汽車的安全性，我國規(guī)定12t以上的客車要求安裝ABS系統(tǒng)。大型商用車的制動系統(tǒng)大多是氣壓制動系統(tǒng)，在其上使用的ABS系統(tǒng)是氣壓ABS系統(tǒng)。氣壓ABS系統(tǒng)由輪速傳感器、電子控制單元和壓力調節(jié)單元等組成。
ABS控制器根據各車輪轉速傳感器輸入的車輪轉速信號對車輪的運動狀態(tài)進行監(jiān)測，在防抱死制動過程中， ABS控制器根據各車輪的運動狀態(tài)可以發(fā)出減小、保持或增大車輪所處控制通道制動壓力的控制指令，再根據控制指令驅動相應制動壓力調節(jié)裝置中的電磁閥，實現對相應控制通道的制動壓力調節(jié)。
本文嘗試利用客車原有的ABS壓力調節(jié)裝置來調節(jié)制動管路壓力，實現對驅動軸制動力的控制。如圖6所示為帶有ABS的制動系統(tǒng)，在其驅動軸制動管路加裝壓力傳感器，并建立ABS控制器——車輛控制器通信通道。
如圖7所示，本文將氣壓ABS壓力調節(jié)單元簡化為由兩個電磁開關閥組成，車輛控制器通過計算得到制動管路目標壓力，向ABS控制器發(fā)出命令控制兩個電磁閥的開關，最終實現機械制動力的控制。
3．2壓力調節(jié)單元的建模
壓力調節(jié)單元采用AMESim軟件進行建模，AMESim軟件是世界公認的一流仿真平臺，在工程領域應用廣泛?；诖塑浖⒅苿酉到y(tǒng)ABS調節(jié)單元模型[5]的具有更高的準確性。如圖8所示，為客車制動系統(tǒng)的仿真模型，此模型包含的所有子模塊均為AMESim模型庫中自帶的子模型。模型可模擬四個制動氣室中制動壓力隨ABS開關閥調節(jié)的變化過程。ABS開關閥的開關命令由Simulink模型發(fā)出，并由壓力傳感器模塊向Simulink模型回饋制動氣室制動壓力信號。
3．3制動系統(tǒng)仿真模型
本文在Simulink環(huán)境下建立客車制動過程仿真模型，主要包括制動力控制模塊，再生制動力計算模塊，電機模型[6]，電池模型，車輛動力學仿真模塊[7]，以及AMESim模型。圖9所示為仿真模型的控制邏輯圖。
制動力控制模塊根據駕駛員命令，驅動軸再生制動力分配情況計算制動氣室目標壓力，向AMESim模型中的壓力調節(jié)元件發(fā)出控制命令，實現機械制動力的控制。車輛動力學仿真模塊根據AMESim模型回饋的制動缸壓力信號，電機工作情況計算出前后軸制動力，進一步計算各車輪轉速，客車車速等。
4．Simulink-AMESim聯合仿真
本文在上述搭建的聯合仿真模型中，分別對并行式再生制動系統(tǒng)與加入ABS調節(jié)的再生制動系統(tǒng)進行仿真模擬。如圖10，圖11分別為兩種制動系統(tǒng)在濕土路面上，中等制動強度下進行制動的仿真結果。經過計算可知該工況為前軸抱死，后輪不抱死的特定情況。圖10為并行制動系統(tǒng)仿真結果，再生制動力作用時，驅動軸制動力為再生制動力與摩擦制動力之和，超過了道路附著極限，因此在2.3s時后軸抱死，再生制動力停止作用。圖11為加入ABS調節(jié)的制動系統(tǒng)的仿真結果，可以看出由于ABS調節(jié)單元的控制作用后軸制動力并沒有因為再生制動力參與作用而增加，因此后輪并沒有抱死，再生制動力一直作用，回收了更多的能量。而且制動時間更短。
在不同的路面條件以及制動強度要求（制動踏板開度）下進行多次仿真，表1，為三種制動系統(tǒng)仿真結果?？梢钥闯?，加入ABS調節(jié)的再生制動系統(tǒng)在不同路面條件，極限制動強度下均表現出與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相當的制動能力，均未喪失制動穩(wěn)定性。同時回收的制動能量遠遠高于并行再生制動系統(tǒng)。仿真結果表明本文提出的再生制動系統(tǒng)相比并行再生制動系統(tǒng)在制動穩(wěn)定性以及制動能量回收能力上具有明顯優(yōu)勢。
5．結論
(1)對混合動力客車再生制動控制策略的核心問題制動力分配系數的確定方法進行分析，提出一種基于理想制動力分配的制動力分配系數計算方法。
(2)針對目前再生制動系統(tǒng)的缺陷，本文提出了對目前廣泛應用的再生制動系統(tǒng)的一種改進方案。
(3)在AMESim軟件環(huán)境下建立帶有ABS的氣壓制動系統(tǒng)模型，該模型可較真實的反映制動氣室制動壓力的動態(tài)變化情況。
(4)在Simulink-AMESim聯合仿真模型基礎上，對兩種制動系統(tǒng)進行仿真分析，仿真結果表明：加入ABS調節(jié)單元調節(jié)機械制動力的再生制動系統(tǒng)在制動能量回收能力，制動穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于并行再生制動系統(tǒng)。而且這種再生制動系統(tǒng)在原有ABS系統(tǒng)的基礎上稍加改動就可以實現，實用性很強。
（轉載）
