纯电动汽车制动能量回收控制策略研究

2015-04-18王若飞高立新孔令静韩友国

北京汽车 2015年5期

关键词：控制器策略

王若飞，高立新，赵　明，孔令静，韩友国

（奇瑞新能源汽车技术有限公司，安徽　芜湖　241002）

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

纯电动汽车制动能量回收控制策略研究

王若飞，高立新，赵明，孔令静，韩友国

（奇瑞新能源汽车技术有限公司，安徽芜湖241002）

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

摘要：文中通过对再生制动系统基本结构和储能装置性能要求的分析，以及在分析目前常用的几种储能装置性能的基础上，提出了再生制动能量的再生制动系统结构方案。从理论上分析了再生制动系统不同工作状态下的电路模型，建立了再生制动系统的升压和降压数学模型，利用Matlab编程工具建立了再生制动系统的仿真模型。通过对实用再生制动系统约束条件的分析，并充分考虑再生制动系统的工作特点，对比分析了现行的控制策略，提出了以驾驶员驾驶感觉和制动稳定性为首要目的的恒定再生制动力矩控制策略，仿真分析表明效果良好。

关键词：能量回收；策略；控制器；制动

根据制动能量回收系统的功能需求，设计了回收控制器的硬件电路。在硬件电路设计过程中充分考虑了信号隔离和测量精度等因素，硬件电路主要对转速测量信号、超级电容端电压信号和母线电流信号等进行调理，并输出DC/DC变换器的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制信号和继电器控制信号。其中，转速测量信号采用由电机三相霍尔位置信号获得的脉冲信号，储能端电压信号的调理则由V/F变换电路实现。基于硬件电路，采用模块化设计方案，设计了软件系统，采集硬件电路调理得到的信号并进行数据处理。通过理论分析和试验对比，最终采用一个半周期、四采样点求平均的数字滤波方式进行转速测量。另外，对传输数据的格式进行转换，实现控制器与上位机之间的有效通信，对数据进行显示和保存。1

搭建了再生制动系统试验台，进行了再生制动试验，通过特定情况下试验与仿真的对比，验证了模型的正确性和有效性。最后进行了控制策略的试验验证，通过试验分析证明了控制策略在制动性能上达到了控制目的，同时有较高的能量回收效率，证明了控制策略的可行性。

1　系统方案设计

制动能量回收总体设计方案采用Bosch ESP（Electronic Stability Program，车身电子稳定系统）液压调节阀块为执行机构，调节液压制动力，在ESP制动系统中添加2只主缸压力传感器、4只制动轮缸压力传感器形成EABS系统，其管路结构如图1所示。虚线框内是ESP执行机构部分，其实物为整体阀块结构，压力传感器采用电流型压力传感器，输出信号4～20mA，测量范围0～25MPa，12V供电。

该方案实现了常规制动、回馈制动与ABS功能，能完成三者之间的正常切换，但是也有很多不足之处，后续可以进行进一步调整。

2　制动控制器设计

制动能量回收系统与制动防抱死系统合并为1个控制器，称为制动控制器BCU（Brake ControlUnit），整车控制器则仍使用原车整车控制器VMS（Vehicle Management System）。制动控制器BCU与整车控制器VMS、电机控制器MCU（Motor Control Unit）之间的相互关系、功能划分如图2所示。

图2中MCU为电机控制器，VMS为整车控制器，BCU为制动控制器，VMS在MCU和BCU之间起桥梁作用，它通过CAN总线（CAN_H、CAN_L）与2个控制器通信，实现信息交互。VMS和BCU通过采集加速踏板位置信号和制动踏板开关信号，判断车辆当前是处于驱动状态还是制动状态。当车辆处于驱动状态时，由VMS发出控制指令，控制车辆运行。一旦制动踏板发生动作，车辆进入制动状态，则指令全部交由BCU控制。BCU检测制动压力及轮速信号，协调分配电机制动和液压制动，控制ESP阀块中相应电磁阀动作，同时通过CAN将请求的扭矩信号发给VMS，VMS再将其转发给MCU执行。

在制动过程中，BCU需要采集的外部信息如表1所示。

表1　BCU采集信号列表

表1为BCU在制动时采集的外部数据，其中制动开关信号、加速踏板位置信号、挡位信号由VMS采集外部信号处理后通过CAN发送给BCU；电机转速信号、电机实际制动扭矩由MCU采集，并通过VMS转发给BCU，电机允许的扭矩限值由VMS根据整车状态计算得出，通过CAN发送给BCU；Pqq，Phq分别为主缸压力传感器MCP采集到的前腔主缸压力和后腔主缸压力；Plf，Prf，Plr，Prr分别为各轮缸压力传感器WCP（Wheel Cylinder Pressure sensor）采集的各车轮制动轮缸压力值，以上信号由硬件直接输入BCU，BCU以Pqq，Phq的平均值为基准计算驾驶员请求的制动扭矩，根据该压力的变化速率判断驾驶员的制动强度，同时根据各轮缸压力值计算当前的液压制动扭矩；轮速信号ωlf，ωrf，ωlr，ωrr由安装在各个车轮上的轮速传感器采集得到，由硬件直接输入BCU，BCU根据这几个信号，计算当前车速，并判断车轮的状态。

制动模式包括常规制动、ABS制动及回馈制动。驾驶员踩制动踏板后，车辆进入制动模式的判断及切换，过程如图3所示。

制动踏板踩下意味着一个制动过程的开始，BCU控制首先进入常规制动模式，之后根据整车的状态信息及车轮的状态综合判断，进行制动模式的切换。常规制动模式与ABS制动模式之间的切换、回馈制动与ABS制动的切换主要是判断车轮的滑移率是否满足要求。常规制动与回馈制动之间的切换条件包括：

1）车速>回馈退出的阈值；

2）挡位在D挡；

3）VMS允许的回馈制动扭矩限值<0；

4）主缸压力的增加速率<紧急制动的阈值；

5）车轮的滑移率<车轮抱死的阈值；

6）进入轮缸中的制动液的体积≥低压蓄能器的容积。

当以上条件都满足时，才允许切换到回馈制动模式，否则BCU一直维持在常规制动模式。应该注意的是，回馈制动进入时，为了不影响踏板感觉，先要建立液压制动，其建立的评价标准是：进入轮缸中的制动液的体积要大于等于低压蓄能器的容积，因为初期建立压力的这部分制动液在回馈制动介入以后是要进入低压蓄能器的，并在电机制动力无法满足总制动力需求的情况下给予补充，不会影响踏板感觉。因此在回馈制动进入时，需一段时间的延时，时间的长短与踏板踩踏方式有关。一般认为，初期制动压力达到0.5～1MPa以后就可以加回馈制动。

3　常规制动实现过程

常规制动为液压制动，电制动不参与制动过程。常规制动中油路的各电磁阀处于复位状态，即前腔主阀USV2、后腔主阀USV1、各轮缸进油阀EV处于掉电打开状态，轮缸出油阀AV处于掉电关闭状态，轮缸压力跟随主缸压力变化，制动管路的增压及减压都通过前腔主阀USV2、后腔主阀USV1和各轮缸进油阀EV实现。常规制动过程中，控制各电磁阀的PWM占空比均为0。

4　ABS制动实现过程

ABS制动是针对某个或某几个抱死车轮的调压过程。以右前轮为例，当出现抱死趋势时，BCU控制液压管路迅速进入ABS制动模式，前腔主阀USV2和后腔主阀USV1同时掉电打开，右前轮进油阀RF_EV上电关闭，右前轮出油阀RF_AV上电打开，回油电机M进行PWM控制，将制动液抽回到后腔主油路，实现右后轮减压。当BCU监测到右前轮抱死趋势消失时，右前轮进油阀RF_EV和出油阀RF_AV同时掉电复位，由于后腔主路制动压力大于轮缸压力，制动液会迅速自动进入右前轮轮缸，实现增压控制。在ABS调节过程中，踏板会产生顶脚感觉，影响驾驶舒适性。BCU软件通过调节液压制动力的增减速率，尽量降低对踏板产生的影响，但是不能从根本上消除这种影响。

5　回馈制动实现过程

当满足制动能量回馈的条件时，BCU进入回馈制动模式，通过主缸压力的变化计算驾驶员的制动需求，结合VMS当前允许的再生制动扭矩限值，优先回馈能量。由常规制动进入回馈制动时，使前轮的电制动力按一定速率上升，同时液压制动力按相应关系减小，此过程中后轮一直处于保压状态，前轮电制动力与液压制动力的切换尽量不影响后轮制动力的大小。回馈过程中主缸压力采用前、后2个腔室的平均压力。各电磁阀的控制采用PWM占空比控制，对于复位状态为开启的阀，PWM占空比=1时，该阀关闭；对于复位状态为关闭的阀，PWM占空比=1时，该阀打开。在增压及减压过程中，按照压力变化情况折合成液体流量来决定控制各电磁阀的PWM占空比。回馈制动实现过程如图4所示。

1）增压过程：RF_AV、LF_AV关闭，即控制其PWM占空比为0，RF_EV、LF_EV打开，其开度由M1-M2的值确定；

2）保压过程：RF_AV、LF_AV关闭，即控制其PWM占空比为0，RF_EV、LF_EV关闭，即控制其PWM占空比为1；

3）减压过程：RF_AV、LF_AV打开，其开度由M2-M1的值确定，RF_EV、LF_EV关闭，即控制其PWM占空比为1。

需要指出的是，减压过程为了不影响制动踏板感觉，需将轮缸与主缸解耦，此时，2个主阀是关闭的状态。增压分为2个过程：当主缸压力变化缓慢或无变化时，使用泵抽低压储能器中的制动液来实现增压过程，当主缸压力变化较快时，泵和主阀同时打开，低压储能器和主缸中同时进制动液，实现增压。

6　仿真测试分析

通过实车验证，制动能量回收策略对整车回收产生较大的影响，选取其中1组单个制动过程数据进行分析。

如图5所示，初始速度37.3km/h，制动主缸压力由0缓慢上升，经2.1s升至2.48MPa，回馈制动力在制动踏板踩下约0.77s后开始建立，此时主缸压力约为0.5MPa，回馈制动力经0.9s后增至限值附近，此后随着主缸压力的继续增加，回馈扭矩随限值变化，当主缸压力稳定在2.48MPa时，回馈制动力继续跟随限值变化，直至满足驾驶员的制动需求，此时回馈制动力最大值为-95Nm。车速约为29km/h时，回馈电流达到最大-40.8A，制动距离约为98m。制动时，车辆处于满载状态，总质量约为1500kg，制动初速度37.3km/h（10.36m/s），回馈制动结束即取回收制动扭矩降为0时车速3.5km/h（0.97m/s）制动消耗动能为

制动扭矩及转速作出的最大制动效果可达15.6kW，电机回馈的能量约为27.9kJ，回馈效率约为35％。

7　结束语

文中通过对再生制动系统基本结构和储能装置性能要求的分析，在分析了目前常用的几种储能装置性能的基础上，提出了再生制动能量的再生制动系统结构方案。从理论上分析了再生制动系统不同工作状态下的电路模型，并以此建立了再生制动系统的升压和降压数学模型，利用Matlab编程工具建立了再生制动系统的仿真模型。通过对实用再生制动系统约束条件的分析，并充分考虑再生制动系统的工作特点，文中描述的技术已经搭载某公司的一款纯电动轿车，功能可靠、稳定，性能表现良好。

参考文献

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收稿日期：2015-02-16

基金项目：国家科技支撑计划项目资金支持（2013BAG08B01）。

文章编号：1002-4581（2015）05-0032-05