电动汽车制动能量回馈控制系统及控制方法研究

杨志超， 吴丽娟， 杨凯祥， 原黎鹏

（大运汽车股份有限公司技术中心， 山西 运城 044000）

制动回馈功能的作用是当踩下制动踏板整车处于制动工况时，在一定的车速范围内，SOC低于某一阈值时，通过给电机发出负扭矩请求的形式发电，实现电量的回收，提升能量利用率，并协助整车进行制动。现阶段，市场部分车型的扭矩控制策略中，制动能量回馈进入或退出条件设定不完善，在能量回收的过程中会影响驾驶员的驾乘舒适性或影响电池的使用寿命。在设计时，没有考虑最大回馈扭矩及回馈电流限制，可能会出现传动系统中的某个部件容易断裂的故障或出现反向高电压击穿高压回路中的元器件。在扭矩控制时，因回馈扭矩设置不合理，数据处理不平顺，会出现扭矩抖动的情况。需要一种较完善的能量回馈控制系统和控制方法，解决以上的问题。

1 电动汽车控制系统架构

一套完整的制动能量回馈控制系统不仅包含本身的制动回馈控制模块，还包含为之提供驾驶员操作意图和整车状态信息的各种信号处理及控制的模块，其中包括上下电模块、挡位处理模块、油门踏板处理模块、制动踏板处理模块、故障处理模块、扭矩仲裁模块和BMS、MCU、ABS等信号处理模块及软件控制模块。如图1所示。

图1 电动汽车制动回馈控制系统框图

2 制动能量回馈控制方法

实现制动能量回馈控制不仅需要一套完整控制系统，还需要一套合理的控制策略及精准算法与之匹配，才能保证整车的整体性能和驾驶感受，该方法主要包含两部分。

1）信号采集：系统上电完成后，制动回馈控制模块接收上电ready、逻辑挡位、加速踏板、制动踏板、故障等级、电池BMS以及电机MCU、ABS工作信号等整车信号。

2）信号处理及计算控制：制动回馈控制模块根据采集的信号进行判断是否进入制动回馈状态，并根据制动踏板开度信号和车速，查表得出扭矩系数，再用传动系统所能承受的最大扭矩，计算得出回馈扭矩，并发送给扭矩仲裁模块。

2.1 信号采集

在整车运行过程中，怎样识别驾驶员的意图或整车当前状态呢？制动回馈控制模块要从整车各操纵模块和其他相关的控制模块采集相关的信号。

1）上下电模块将ready信号发送至制动回馈控制模块。

2）挡位控制器SCU、挡位处理模块将逻辑挡位信号发送至制动回馈控制模块。

3）加速踏板、制动踏板处理模块分别将加速踏板信号和制动踏板信号发送到制动回馈控制模块。

4）故障处理模块将整车故障等级信号发送给制动回馈控制模块。

5）ABS将整车车速和ABS激活状态发送给制动回馈控制模块。

6）BMS将动力电池SOC、电池组当前最大允许回馈电流以及电池组总电压发送至制动回馈控制模块。

7）MCU将电机转速信号发送至制动回馈控制模块。

制动回馈控制模块结合以上采集的各模块发送的信号为下一阶段数据处理及计算提供依据。

2.2 信号处理与输出

制动回馈模块接收到其他模块提供的信号后，依据各信号对整车状态及驾驶员意图进行判断处理，条件满足时，进入制动回馈状态，并经过扭矩计算，经过数据处理，最后将信息传递给扭矩仲裁模块。

通过分析整车的各种运行工况及整车运行过程中的需求，在满足需求的情况下，保证整车性能和零部件的可靠性、运行的安全性和平顺性，具体采用以下方式。

1）完善制动能量回馈进入或退出条件。不会在低车速时进入回馈状态，并且进入和退出回馈状态的车速和踏板角度都留有缓冲空间，避免影响驾驶员的驾乘舒适性；设定进入和退出回馈状态的动力电池SOC阈值，防止动力电池过充影响到整体使用寿命；与整车最高级故障及ABS功能相关，保证整车安全性。

2）限制系统最大回馈扭矩，对传动系统中的各部件在机械冲击过程中进行保护，同时限制了系统最大制动回馈电流，对高压回路中的元器件及动力电池进行保护。

3）在采集制动踏板信号过程中，减少软件处理过程中的数据查询，提高运算速率，并保证扭矩输出的平滑性。

2.2.1 进入制动回馈状态条件

进入制动能量回馈状态，同时满足以下条件：①车速＞X1km/h，其中X1是车辆允许进入制动回馈的最低车速；②整车处于Ready状态；③加速踏板开度小于X2%，其中X2为加速踏板的最低有效值；④制动踏板被踩下；⑤动力电池的SOC应小于X3%，其中X3为动力电池允许充电的最大SOC值；⑥整车未发生3级故障；⑦逻辑挡位为D挡；⑧ABS无故障；⑨ABS未激活。

2.2.2 退出制动回馈状态条件

退出制动能量回馈功能，满足任意条件：①车速＜X4km/h；②为防止控制跳变，其中X4略大于其中X3；③非Ready状态；④加速踏板状态为踩下；⑤制动踏板状态被松开；⑥逻辑挡位非D挡；⑦SOC大于X5%，为防止控制跳变，其中X5略大于其中X3；⑧故障诊断发出整车3级故障 （最高级）；⑨ABS已激活；⑩ABS故障。

2.2.3 制动回馈扭矩计算

实际制动回馈扭矩计算，实际制动回馈扭矩的计算方法如下：系统制动能力扭矩=min （传动系统回馈扭矩限制，电机回馈扭矩限值，电池回馈扭矩限值）。

实际制动回馈扭矩=系统制动能力扭矩×制动回馈扭矩系数

系统制动能力扭矩为传动系统中承受反向扭矩能力最弱部件的最大能够承受的反向扭矩。

2.2.4 电机回馈扭矩限值

电机回馈扭矩限值，根据电机发电外特性图得知电机所能产生的回馈扭矩最大值。所述外特性图是将电机在测功机上进行发电状态的测量，即可得出电机在发电状态的外特性曲线，x轴是电机转速，y轴是电机的扭矩。如图2所示。

图2 电机发电状态外特性示例图

2.2.5 电池回馈扭矩限值

电池回馈扭矩限值，根据BMS实时反馈的电池组当前最大允许回馈电流和电池组总电压计算出可充电功率，再通过电池组可充电功率得出对应的回馈扭矩。计算方法如下：

式中：Pregan——电池可充电功率；n——电机转速。

2.2.6 制动回馈扭矩系数

根据不同的制动踏板开度和车速，依据公式y=a×x2+b×x，获得扭矩系数y，其中x为制动踏板开度，取值范围为［0，1］，a， b的取值是通过在不同车速下踩下制动踏板，评价车辆的减速度，当其满足主观评价的要求后确认的值。

根据不同的制动踏板开度和车速，通过查表得出需求的回馈扭矩系数。表1中未体现数据区域，采用线性插值法进行计算，采集制动踏板开度信号中，减少软件处理过程中的数据查询，提高运算速率，并保证扭矩输出的平滑性。

表1 制动回馈扭矩系数表 （示例）

3 总结

本文中的方法设置了制动能量回馈进入或退出条件，保证在能量回收的过程中驾驶员的驾乘舒适性和电池的整体使用寿命；限制电机最大制动回馈扭矩，对传动系统中的各部件在机械冲击过程中进行保护，同时限制了系统最大制动回馈电流，对高压回路中的元器件及动力电池进行保护；就解决制动能量回馈过程中，制动能量回馈控制模块采集制动踏板信号过程中，减少软件处理过程中的数据查询，提高运算速率，并保证扭矩输出的平滑性。该方法还需要整车在市场上不断地验证及优化，才能满足各工况的需求，保证整车的运行的安全性、可靠性、平顺性。