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「汽车」电动卡车下坡行车辅助制动系统设计


来源 |汽车制动之家
作者 | 倪成虎 高辉 孔繁尘 戴能红 刘莲（上汽大通南京分公司）
摘要：本文以载货卡车辅助制动系统为研究对象 ， 提出了以驱动电机系统作为电动卡车下坡行车辅助制动装置的方法 。 通过动力学模型的计算验证了驱动电机反向拖动力作为辅助制动力的可行性 。 结合AMT变速箱的控制策略提出了一种能量回馈控制策略 。
1 引言
大型车量特别是重型卡车和大型客车在山区公路遇到连续长坡时需进行连续长时间制动 。 这需要车辆制动系统处在连续工作状态 。 刹车系统产生的热量难以快速散出 ， 因而会因为制动系统温度升高是的制动系统出现热衰退 ， 制动效果减弱甚至失效 。 对此国标 GB12676- 2014《商用车辆和挂车制动系统技术要求及试验方法》要求重型载货车辆及大型客车必须加装辅助制动系统以提升车辆的安全性和经济性 。
2 下坡行车辅助制动系统
下坡行车辅助制动系统是在车辆处于连续下坡状态时 ， 在不踩制动踏板的情况下为车辆提供持续的可靠的制动力以保证车辆匀速稳定运行的系统 。 目前技术比较成熟 ， 使用比较广泛的辅助制动装置主要有发动机制动 / 排气制动 ， 电磁涡电流缓行器 ， 永磁铁涡电流缓行器 ， 液力缓行器 ， 驱动电机反拖制动等 。
传统汽车在制动过程中其机械能大部分通过制动器的摩擦转化为热能消耗掉 。 电动汽车采用电机作为驱动部件 ， 可以利用电机的制动发电来回收制动能量 。 对于电动机驱动的车辆可以通过让电动机工作在能量回馈的状态为车辆提供制动力 ， 同时向车辆的动力电池充电 。 对于电力驱动的车辆 ， 此方式是最常用的辅助制动系统 。
3 动力学模型
国标 GB12676- 2014 提出对能量只由发动机（或电动机）制动作用吸收的车辆 ， 应可以在选择适当的档位时只通过辅助制动系统制动时保证车辆可以在 6%的坡道上以最接近 30km/h 的稳定车速下坡行驶 ， 允许平均车速有±5km/h 的偏差 。 对车辆系统做动力学分析 ， 车辆受重力 G ， 斜坡面承托力 F0 ， 地面摩擦力 F1 ， 风阻 F2 ， 如图 1 所示 。
「汽车」电动卡车下坡行车辅助制动系统设计
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图1 车辆下坡辅助制动动力学模型
根据牛顿第一定律车辆模型所受各力应满足如下关系：
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将式（3）—(6)带入式（1）、式（2）计算得到变速箱轴处输出扭矩为 675N ， 车速 30km/h 时对应变速箱输出轴转速为 1064rpm；对应的各档位电机的输出转矩与转速参照表 2 。 向能量再生（Reverse Regeneration,RR)状态 。 假设现在电机运行在转速为ω m 的稳态下 ， 将电机工作状态有电动状态切换至发电状态则能量由电机向电源反向流动 ， 这种运行模式被称为再生制动 [2]。 该制动过程是通过能量再生实现的 ， 即通过电机产生反向转矩 ， 此时电机工作在第 IV 象限 。 电机能持续提供的扭矩称为额定容量 ， 短时提供的峰值转矩称为短时容量 。
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图2 四象限转矩-转速特性曲线
目标车辆所使用的电机转速特性参见图 3 ， 图中的 M点位车辆在 6%坡道上 30km 每小时的各档位工况点 。 可知在二档 ， 三档可满足车辆持续制动需求 。
表2 各档位工况
【「汽车」电动卡车下坡行车辅助制动系统设计】
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4 电机反拖制动力分析
广泛使用在新能源车辆上的永磁同步电机通常具备正向反向双向运转能力即具备四象限工况运行能力 ， 如图 2 所示 。 第 I ， IV 象限具有相同的转向即正向驱动(Forward Motoring,FM)和正向能量再生(Forward Regeneration,FR)两种状态 。 车辆工作时电机需要正反两种转向 。 第 III 象限成为反向驱动(Revese Motoring, RM）状态 ， 第 II 象限被称为反 （下转第12页） 12 技术纵横 轻型汽车技术 2019（3）


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