純電動汽車制動能量回收控制策略研究

王若飛，高立新，趙　明，孔令靜，韓友國

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽　蕪湖　241002）

Wang Ruofei，Gao Lixin，Zhao Ming，Kong Lingjing，Han Youguo

純電動汽車制動能量回收控制策略研究

王若飛，高立新，趙明，孔令靜，韓友國

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽蕪湖241002）

Wang Ruofei，Gao Lixin，Zhao Ming，Kong Lingjing，Han Youguo

摘要：文中通過對再生制動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和儲能裝置性能要求的分析，以及在分析目前常用的幾種儲能裝置性能的基礎上，提出了再生制動能量的再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。從理論上分析了再生制動系統(tǒng)不同工作狀態(tài)下的電路模型，建立了再生制動系統(tǒng)的升壓和降壓數(shù)學模型，利用Matlab編程工具建立了再生制動系統(tǒng)的仿真模型。通過對實用再生制動系統(tǒng)約束條件的分析，并充分考慮再生制動系統(tǒng)的工作特點，對比分析了現(xiàn)行的控制策略，提出了以駕駛員駕駛感覺和制動穩(wěn)定性為首要目的的恒定再生制動力矩控制策略，仿真分析表明效果良好。

關(guān)鍵詞：能量回收；策略；控制器；制動

根據(jù)制動能量回收系統(tǒng)的功能需求，設計了回收控制器的硬件電路。在硬件電路設計過程中充分考慮了信號隔離和測量精度等因素，硬件電路主要對轉(zhuǎn)速測量信號、超級電容端電壓信號和母線電流信號等進行調(diào)理，并輸出DC/DC變換器的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制信號和繼電器控制信號。其中，轉(zhuǎn)速測量信號采用由電機三相霍爾位置信號獲得的脈沖信號，儲能端電壓信號的調(diào)理則由V/F變換電路實現(xiàn)。基于硬件電路，采用模塊化設計方案，設計了軟件系統(tǒng)，采集硬件電路調(diào)理得到的信號并進行數(shù)據(jù)處理。通過理論分析和試驗對比，最終采用一個半周期、四采樣點求平均的數(shù)字濾波方式進行轉(zhuǎn)速測量。另外，對傳輸數(shù)據(jù)的格式進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)控制器與上位機之間的有效通信，對數(shù)據(jù)進行顯示和保存。1

搭建了再生制動系統(tǒng)試驗臺，進行了再生制動試驗，通過特定情況下試驗與仿真的對比，驗證了模型的正確性和有效性。最后進行了控制策略的試驗驗證，通過試驗分析證明了控制策略在制動性能上達到了控制目的，同時有較高的能量回收效率，證明了控制策略的可行性。

1　系統(tǒng)方案設計

制動能量回收總體設計方案采用Bosch ESP（Electronic Stability Program，車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）液壓調(diào)節(jié)閥塊為執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)液壓制動力，在ESP制動系統(tǒng)中添加2只主缸壓力傳感器、4只制動輪缸壓力傳感器形成EABS系統(tǒng)，其管路結(jié)構(gòu)如圖1所示。虛線框內(nèi)是ESP執(zhí)行機構(gòu)部分，其實物為整體閥塊結(jié)構(gòu)，壓力傳感器采用電流型壓力傳感器，輸出信號4～20mA，測量范圍0～25MPa，12V供電。

該方案實現(xiàn)了常規(guī)制動、回饋制動與ABS功能，能完成三者之間的正常切換，但是也有很多不足之處，后續(xù)可以進行進一步調(diào)整。

2　制動控制器設計

制動能量回收系統(tǒng)與制動防抱死系統(tǒng)合并為1個控制器，稱為制動控制器BCU（Brake ControlUnit），整車控制器則仍使用原車整車控制器VMS（Vehicle Management System）。制動控制器BCU與整車控制器VMS、電機控制器MCU（Motor Control Unit）之間的相互關(guān)系、功能劃分如圖2所示。

圖2中MCU為電機控制器，VMS為整車控制器，BCU為制動控制器，VMS在MCU和BCU之間起橋梁作用，它通過CAN總線（CAN_H、CAN_L）與2個控制器通信，實現(xiàn)信息交互。VMS和BCU通過采集加速踏板位置信號和制動踏板開關(guān)信號，判斷車輛當前是處于驅(qū)動狀態(tài)還是制動狀態(tài)。當車輛處于驅(qū)動狀態(tài)時，由VMS發(fā)出控制指令，控制車輛運行。一旦制動踏板發(fā)生動作，車輛進入制動狀態(tài)，則指令全部交由BCU控制。BCU檢測制動壓力及輪速信號，協(xié)調(diào)分配電機制動和液壓制動，控制ESP閥塊中相應電磁閥動作，同時通過CAN將請求的扭矩信號發(fā)給VMS，VMS再將其轉(zhuǎn)發(fā)給MCU執(zhí)行。

在制動過程中，BCU需要采集的外部信息如表1所示。

表1　BCU采集信號列表

表1為BCU在制動時采集的外部數(shù)據(jù)，其中制動開關(guān)信號、加速踏板位置信號、擋位信號由VMS采集外部信號處理后通過CAN發(fā)送給BCU；電機轉(zhuǎn)速信號、電機實際制動扭矩由MCU采集，并通過VMS轉(zhuǎn)發(fā)給BCU，電機允許的扭矩限值由VMS根據(jù)整車狀態(tài)計算得出，通過CAN發(fā)送給BCU；Pqq，Phq分別為主缸壓力傳感器MCP采集到的前腔主缸壓力和后腔主缸壓力；Plf，Prf，Plr，Prr分別為各輪缸壓力傳感器WCP（Wheel Cylinder Pressure sensor）采集的各車輪制動輪缸壓力值，以上信號由硬件直接輸入BCU，BCU以Pqq，Phq的平均值為基準計算駕駛員請求的制動扭矩，根據(jù)該壓力的變化速率判斷駕駛員的制動強度，同時根據(jù)各輪缸壓力值計算當前的液壓制動扭矩；輪速信號ωlf，ωrf，ωlr，ωrr由安裝在各個車輪上的輪速傳感器采集得到，由硬件直接輸入BCU，BCU根據(jù)這幾個信號，計算當前車速，并判斷車輪的狀態(tài)。

制動模式包括常規(guī)制動、ABS制動及回饋制動。駕駛員踩制動踏板后，車輛進入制動模式的判斷及切換，過程如圖3所示。

制動踏板踩下意味著一個制動過程的開始，BCU控制首先進入常規(guī)制動模式，之后根據(jù)整車的狀態(tài)信息及車輪的狀態(tài)綜合判斷，進行制動模式的切換。常規(guī)制動模式與ABS制動模式之間的切換、回饋制動與ABS制動的切換主要是判斷車輪的滑移率是否滿足要求。常規(guī)制動與回饋制動之間的切換條件包括：

1）車速>回饋退出的閾值；

2）擋位在D擋；

3）VMS允許的回饋制動扭矩限值<0；

4）主缸壓力的增加速率<緊急制動的閾值；

5）車輪的滑移率<車輪抱死的閾值；

6）進入輪缸中的制動液的體積≥低壓蓄能器的容積。

當以上條件都滿足時，才允許切換到回饋制動模式，否則BCU一直維持在常規(guī)制動模式。應該注意的是，回饋制動進入時，為了不影響踏板感覺，先要建立液壓制動，其建立的評價標準是：進入輪缸中的制動液的體積要大于等于低壓蓄能器的容積，因為初期建立壓力的這部分制動液在回饋制動介入以后是要進入低壓蓄能器的，并在電機制動力無法滿足總制動力需求的情況下給予補充，不會影響踏板感覺。因此在回饋制動進入時，需一段時間的延時，時間的長短與踏板踩踏方式有關(guān)。一般認為，初期制動壓力達到0.5～1MPa以后就可以加回饋制動。

3　常規(guī)制動實現(xiàn)過程

常規(guī)制動為液壓制動，電制動不參與制動過程。常規(guī)制動中油路的各電磁閥處于復位狀態(tài)，即前腔主閥USV2、后腔主閥USV1、各輪缸進油閥EV處于掉電打開狀態(tài)，輪缸出油閥AV處于掉電關(guān)閉狀態(tài)，輪缸壓力跟隨主缸壓力變化，制動管路的增壓及減壓都通過前腔主閥USV2、后腔主閥USV1和各輪缸進油閥EV實現(xiàn)。常規(guī)制動過程中，控制各電磁閥的PWM占空比均為0。

4　ABS制動實現(xiàn)過程

ABS制動是針對某個或某幾個抱死車輪的調(diào)壓過程。以右前輪為例，當出現(xiàn)抱死趨勢時，BCU控制液壓管路迅速進入ABS制動模式，前腔主閥USV2和后腔主閥USV1同時掉電打開，右前輪進油閥RF_EV上電關(guān)閉，右前輪出油閥RF_AV上電打開，回油電機M進行PWM控制，將制動液抽回到后腔主油路，實現(xiàn)右后輪減壓。當BCU監(jiān)測到右前輪抱死趨勢消失時，右前輪進油閥RF_EV和出油閥RF_AV同時掉電復位，由于后腔主路制動壓力大于輪缸壓力，制動液會迅速自動進入右前輪輪缸，實現(xiàn)增壓控制。在ABS調(diào)節(jié)過程中，踏板會產(chǎn)生頂腳感覺，影響駕駛舒適性。BCU軟件通過調(diào)節(jié)液壓制動力的增減速率，盡量降低對踏板產(chǎn)生的影響，但是不能從根本上消除這種影響。

5　回饋制動實現(xiàn)過程

當滿足制動能量回饋的條件時，BCU進入回饋制動模式，通過主缸壓力的變化計算駕駛員的制動需求，結(jié)合VMS當前允許的再生制動扭矩限值，優(yōu)先回饋能量。由常規(guī)制動進入回饋制動時，使前輪的電制動力按一定速率上升，同時液壓制動力按相應關(guān)系減小，此過程中后輪一直處于保壓狀態(tài)，前輪電制動力與液壓制動力的切換盡量不影響后輪制動力的大小?；仞佭^程中主缸壓力采用前、后2個腔室的平均壓力。各電磁閥的控制采用PWM占空比控制，對于復位狀態(tài)為開啟的閥，PWM占空比=1時，該閥關(guān)閉；對于復位狀態(tài)為關(guān)閉的閥，PWM占空比=1時，該閥打開。在增壓及減壓過程中，按照壓力變化情況折合成液體流量來決定控制各電磁閥的PWM占空比?；仞佒苿訉崿F(xiàn)過程如圖4所示。

1）增壓過程：RF_AV、LF_AV關(guān)閉，即控制其PWM占空比為0，RF_EV、LF_EV打開，其開度由M1-M2的值確定；

2）保壓過程：RF_AV、LF_AV關(guān)閉，即控制其PWM占空比為0，RF_EV、LF_EV關(guān)閉，即控制其PWM占空比為1；

3）減壓過程：RF_AV、LF_AV打開，其開度由M2-M1的值確定，RF_EV、LF_EV關(guān)閉，即控制其PWM占空比為1。

需要指出的是，減壓過程為了不影響制動踏板感覺，需將輪缸與主缸解耦，此時，2個主閥是關(guān)閉的狀態(tài)。增壓分為2個過程：當主缸壓力變化緩慢或無變化時，使用泵抽低壓儲能器中的制動液來實現(xiàn)增壓過程，當主缸壓力變化較快時，泵和主閥同時打開，低壓儲能器和主缸中同時進制動液，實現(xiàn)增壓。

6　仿真測試分析

通過實車驗證，制動能量回收策略對整車回收產(chǎn)生較大的影響，選取其中1組單個制動過程數(shù)據(jù)進行分析。

如圖5所示，初始速度37.3km/h，制動主缸壓力由0緩慢上升，經(jīng)2.1s升至2.48MPa，回饋制動力在制動踏板踩下約0.77s后開始建立，此時主缸壓力約為0.5MPa，回饋制動力經(jīng)0.9s后增至限值附近，此后隨著主缸壓力的繼續(xù)增加，回饋扭矩隨限值變化，當主缸壓力穩(wěn)定在2.48MPa時，回饋制動力繼續(xù)跟隨限值變化，直至滿足駕駛員的制動需求，此時回饋制動力最大值為-95Nm。車速約為29km/h時，回饋電流達到最大-40.8A，制動距離約為98m。制動時，車輛處于滿載狀態(tài)，總質(zhì)量約為1500kg，制動初速度37.3km/h（10.36m/s），回饋制動結(jié)束即取回收制動扭矩降為0時車速3.5km/h（0.97m/s）制動消耗動能為

制動扭矩及轉(zhuǎn)速作出的最大制動效果可達15.6kW，電機回饋的能量約為27.9kJ，回饋效率約為35％。

7　結(jié)束語

文中通過對再生制動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和儲能裝置性能要求的分析，在分析了目前常用的幾種儲能裝置性能的基礎上，提出了再生制動能量的再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。從理論上分析了再生制動系統(tǒng)不同工作狀態(tài)下的電路模型，并以此建立了再生制動系統(tǒng)的升壓和降壓數(shù)學模型，利用Matlab編程工具建立了再生制動系統(tǒng)的仿真模型。通過對實用再生制動系統(tǒng)約束條件的分析，并充分考慮再生制動系統(tǒng)的工作特點，文中描述的技術(shù)已經(jīng)搭載某公司的一款純電動轎車，功能可靠、穩(wěn)定，性能表現(xiàn)良好。

參考文獻

[1]尹安東，趙韓，張炳力.微型電動轎車制動能量回收及控制策略的研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2008（11）：1760-1763.

[2]譚元文，劉溧.電動汽車再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略研究[J].北京汽車，2007（02）：15-18.

[3]唐鵬，孫駿.電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)再生制動特性分析與仿真[J].移動電源與車輛，2006（04）：37-40.

[4]吳穎杰，王君艷，貢俊.能量回饋制動在電動汽車中的應用[J].上海電機學院學報，2006（03）：52-55.

[5]郭海英.微機控制PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設計[J].機電工程技術(shù)，2006（05）：88-90.

[6]羅禹貢，李蓬，金達鋒，等.基于最優(yōu)控制理論的制動能量回收策略研究[J].汽車工程，2006（04）：356-360.

[7]張培斌，黃妙華，王勇.電動汽車再生制動初探[J].時代汽車，2006（04）：80-82.

[10]程偉，徐國卿，王曉東.電動汽車用永磁無刷電機回饋制動技術(shù)研究[J].電氣傳動，2005（11）：16-18.

收稿日期：2015-02-16

基金項目：國家科技支撐計劃項目資金支持（2013BAG08B01）。

文章編號：1002-4581（2015）05-0032-05

中圖分類號：U469.72

文獻標志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2015.05.009