電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案和控制算法

王若飛

（恒屹（上海）新能源汽車技術有限公司，上海 201800；合肥工業(yè)大學繼續(xù)教育學院，安徽合肥 230009）

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)方案和控制算法

王若飛

（恒屹（上海）新能源汽車技術有限公司，上海 201800；合肥工業(yè)大學繼續(xù)教育學院，安徽合肥 230009）

通過對純電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的策略控制設計，實現(xiàn)整車能量利用率，從而進一步提升整車經(jīng)濟性，提升顧客滿意度。

能量回收；策略；純電動汽車

1 制動能量回收系統(tǒng)方案

制動能量回收系統(tǒng)由液壓制動系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)機構(gòu)、制動控制器、電機及其控制器、動力蓄電池、整車控制器、電動真空泵、儲氣罐等組成，如圖1所示。

圖1 能量回饋式液壓制動系統(tǒng)方案

將壓力調(diào)節(jié)機構(gòu)置于連接主缸與輪缸的液壓管路中，由制動控制器控制壓力調(diào)節(jié)閥塊中各個電磁閥的開通和閉合，從而調(diào)節(jié)各輪缸的制動壓力。電機控制器負責控制電機回饋制動轉(zhuǎn)矩，整車控制器負責協(xié)調(diào)制動控制器和電機控制器的工作。對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車來說，真空助力器與發(fā)動機進氣歧管相連，從而保證真空助力器內(nèi)腔的真空。對電動汽車而言，面臨著真空源的問題，因此在回饋制動系統(tǒng)中需要增加電動真空泵和儲氣罐，來保證真空助力器內(nèi)的真空度。

2 制動能量回收系統(tǒng)控制算法

2.1 不改變駕駛習慣的疊加式回饋控制策略

不改變駕駛習慣的疊加式回饋控制策略的思路是：車輛的減速或制動主要依靠制動踏板的制動作用，踩制動踏板過程中，在原車摩擦制動力上疊加與制動踏板開度成一定比例的回饋制動力，并且在收加速踏板和滑行過程中施加較小的回饋制動力，以進一步提高制動能量回收效率。

2.2 改變駕駛習慣的單踏板回饋控制策略

改變駕駛習慣的單踏板回饋控制策略的思路是：車輛的減速或制動主要依靠加速踏板的回饋制動作用，收加速踏板過程中電機在驅(qū)動軸施加回饋制動轉(zhuǎn)矩，當電機進入低轉(zhuǎn)速區(qū)時，不再使用電機進行制動，此時需要駕駛員踩下制動踏板繼續(xù)制動。

2種回饋控制策略均涉及到收加速踏板、滑行、踩制動踏板過程的電機轉(zhuǎn)矩計算，下面對過程中的制動力分配方法和電機轉(zhuǎn)矩計算方法進行說明。

2.3 制動力分配方法

制動力分配方法如圖2所示。在收加速踏板階段，車輛只有前軸獲得電機提供的制動力，后軸無制動力。在滑行階段，仍然只有前軸獲得電機提供的制動力，后軸無制動力。在踩制動踏板階段，前后軸均獲得來自摩擦制動系統(tǒng)的制動力，且前軸額外獲得了來自電機的回饋制動力。

圖2 制動力分配方法

2.4 操縱加速踏板進行回饋制動

2.4.1 加速踏板開度與電機轉(zhuǎn)矩的關系

圖3 加速踏板和電機轉(zhuǎn)矩關系示意圖

圖3所示為制定的加速踏板開度與電機轉(zhuǎn)矩關系的示意圖。文中提到的“電機轉(zhuǎn)矩”為矢量，正值表示驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，負值表示回饋制動轉(zhuǎn)矩，電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和電機回饋制動轉(zhuǎn)矩均為標量。

駕駛員踩下加速踏板，當加速踏板開度大于門限值A2時，隨著踏板開度的增加，電機輸出逐漸增大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，如圖3中實線所示。在駕駛員收加速踏板過程中，電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩逐漸減小，當加速踏板開度小于門限值A1時，電機開始輸出回饋制動轉(zhuǎn)矩，且隨著踏板開度的減小，回饋制動轉(zhuǎn)矩逐漸增大，如圖3中虛線所示。駕駛員再次踩下加速踏板過程中，回饋制動轉(zhuǎn)矩逐漸減小，當加速踏板開度大于門限值A2后，電機開始輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，如圖3中實線所示。利用加速踏板進行回饋制動的控制策略流程圖如圖4所示，其中ACC為加速踏板開度，Tdrv為電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，Treg為電機回饋制動轉(zhuǎn)矩，A1、A2為加速踏板開度門限值，A1＜A2，此處A1取值10，A2取值12。

圖4 利用加速踏板進行回饋制動控制策略流程圖

2.4.2 利用加速踏板進行回饋制動的回饋轉(zhuǎn)矩算法

利用加速踏板進行回饋制動的回饋轉(zhuǎn)矩與加速踏板的動作密切相關，加速踏板開度的大小可以反映駕駛員需求制動強度的大小，而加速踏板開度變化率的符號表示駕駛員對加速踏板的操縱，加速踏板開度變化率＞0表示駕駛員正在踩加速踏板，加速踏板開度變化率＜0表示駕駛員正在收加速踏板，加速踏板開度變化率絕對值的大小可以反映駕駛員操縱意圖的緊急程度。因此收加速踏板階段的電機回饋制動轉(zhuǎn)矩，由加速踏板開度和加速踏板開度變化率來決定。設計模糊邏輯控制器如圖5所示。

圖5 由加速踏板定義的電機轉(zhuǎn)矩模糊邏輯控制器

輸入為加速踏板開度和加速踏板開度變化率，輸出為電機回饋制動轉(zhuǎn)矩變化率k。k＞0表示電機回饋制動轉(zhuǎn)矩增加，k＜0表示電機回饋制動轉(zhuǎn)矩減小，即

式中：T0——Treg的初值；t——時間；Freg_acc——收加速踏板階段車輛獲得的制動力；i0——主減速器速比；ig——變速器速比；r——車輪半徑。

ACC的基本論域為［0，12］，量化因子kAcc=0.5，論域X={0，1，2，3，4，5，6}，語言變量為{0，VS，S，M，B，VB，VVB}。隸屬度函數(shù)如圖6所示。

dACC／dt的基本論域為［-120，120］，量化因子kdACC／dt=6／120，論域Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，語言變量為{NB，NM，NS，0 PS，PM，PB}。隸屬度函數(shù)如圖7所示。

圖6 加速踏板開度隸屬度函數(shù)

圖7 加速踏板開度變化率隸屬度函數(shù)

對應不改變駕駛習慣的疊加式回饋控制策略，k的基本論域為［-200，200］，比例因子kk=200／6；對應于改變駕駛習慣的單踏板回饋控制策略，k的基本論域為［-750，750］，比例因子kk=750／6。2種回饋控制策略對應k的論域Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+ 2，+3，+4，+5，+6}，語言變量為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。隸屬度函數(shù)如圖8所示。

圖8 電機回饋制動轉(zhuǎn)矩變化率隸屬度函數(shù)

模糊控制規(guī)則的制定按照“加速踏板開度越小，電機回饋制動轉(zhuǎn)矩越大；加速踏板開度變化率越小，電機回饋制動轉(zhuǎn)矩越大”的思路進行。模糊規(guī)則集合如表1所示。

表1 模糊規(guī)則集合

k與Acc、dAcc／dt的關系如圖9所示。反模糊化采用重心法，至此，利用加速踏板進行回饋制動的回饋轉(zhuǎn)矩計算已經(jīng)完成。

圖9 加速踏板開度及其變化率與電機回饋制動轉(zhuǎn)矩變化率的關系

2.5 滑行階段回饋制動由于在收加速踏板階段車輛已經(jīng)獲得了一定的制動力，為了保證車輛的制動平順性，車輛獲得的總制動力不應下降，因此令滑行階段車輛受到的回饋制動力Freg_slide等于收加速踏板階段結(jié)束時刻的回饋制動力Freg_acc_end，即

2.6 操縱制動踏板進行回饋制動

當駕駛員踩下制動踏板時，車輛獲得的制動力由摩擦制動力Fμ1、Fμ2與回饋制動力Freg_brk_1、Freg_brk_2組成，其中Fμ1為前軸摩擦制動力，F(xiàn)μ2為后軸摩擦制動力，均與制動踏板開度相關。Freg_brk_1為圖2中橫條紋區(qū)域的回饋制動力，F(xiàn)reg_brk_2為圖2中菱形格區(qū)域的回饋制動力。

Freg_brk_1根據(jù)下式確定

Freg_brk_1根據(jù)車速、制動踏板開度BrkPed和比例系數(shù)kreg確定，如表2所示。

Freg_brk_2由下式確定

2.7 限制前軸電機回饋制動轉(zhuǎn)矩的因素分析

在收加速踏板階段和滑行階段，后軸上無制動轉(zhuǎn)矩作用，只有前軸有回饋制動轉(zhuǎn)矩。在踩制動踏板階段，前、后軸均有摩擦制動轉(zhuǎn)矩，此外前軸還受到回饋制動轉(zhuǎn)矩的作用。在收加速踏板階段、滑行階段和踩制動踏板階段，由于前軸上的制動轉(zhuǎn)矩大于原摩擦制動系統(tǒng)提供給前軸的制動轉(zhuǎn)矩，因此有必要討論：在制動安全的前提下，能夠施加在前軸的回饋制動轉(zhuǎn)矩的最大值。

由汽車理論可知，為了防止后軸發(fā)生抱死危險的側(cè)滑，β線應總是在I曲線下方；為了減少制動時前輪抱死而失去轉(zhuǎn)向能力的機會，提高附著效率，β線應越靠近I曲線越好。為了防止后輪抱死并提高制動效率，前軸利用附著系數(shù)曲線應總在45°對角線上方，同時還應靠近對角線φ=z。根據(jù)GB 21670—2008對車軸間的制動力分配要求，在車輛所有載荷狀態(tài)下，當制動強度z處于0.15～0.18之間時，后軸附著系數(shù)利用曲線不應位于前軸上方；當附著系數(shù)φ在0.2～0.8之間時，制動強度z≥0.1+0.7（φ-0.2）。

表2 再生制動MAP

根據(jù)上述約束條件，分別在空載和滿載狀態(tài)下對策略的前軸回饋制動轉(zhuǎn)矩最大值進行計算。

按照前后軸制動力分配方式的不同，可以將制動過程分為2個階段，分別為phase1，phase2，如圖2所示。制動力分配系數(shù)

按照phase1、phase2的制動力分配系數(shù)β，可以畫出2個階段的利用附著系數(shù)曲線。

2.7.1 空載狀態(tài)

空載時phase1的利用附著系數(shù)曲線分別如圖10所示。在phase1空載前軸利用附著系數(shù)曲線z＜0.209時，滿足z≥0.1+0.7（φ-0.2）。由此得出在phase1時電機回饋制動轉(zhuǎn)矩不能超過134.84Nm。

圖10 空載phase1利用附著系數(shù)曲線

當kreg=1時，空載時phase2的利用附著系數(shù)曲線如圖11所示，前后制動力分配滿足法規(guī)要求。

圖11 空載phase2利用附著系數(shù)曲線

2.7.2 滿載狀態(tài)

滿載時phase1的利用附著系數(shù)曲線如圖12所示。在phase1滿載前軸利用附著系數(shù)曲線z＜0.136時，滿足z≥0.1+0.7（φ=0.2）。由此得出phase1電機回饋制動轉(zhuǎn)矩不能超過105.43 Nm。

圖12 滿載phase1利用附著系數(shù)曲線

當kreg=1，滿載時phase2的利用附著系數(shù)曲線如圖13所示，前后制動力分配滿足法規(guī)要求。

圖13 滿載phase2利用附著系數(shù)曲線

綜上，前軸電機回饋制動轉(zhuǎn)矩不能超過105.43 Nm。

3 結(jié)論

本文的研究對象為電動汽車制動能量回收系統(tǒng)，提出了對應方案及算法。貴航公司在研的某款電動汽車搭載了此系統(tǒng)，目前整車已經(jīng)完成樣車的試制工作，處于整車性能驗證階段，有針對性的對本文所述系統(tǒng)進行了整車試驗研究，整車經(jīng)濟性的提升明顯，為2016年10月整車上市打下了良好的基礎。

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［5］王若飛，高立新，趙明，等.純電動汽車制動能量回收控制策略研究［J］.北京汽車，2015（5）：32-36.

（編輯心翔）

Electric Vehicle Braking Energy Recovery System and Control Algorithm

WANG Ruo-fei
（HengE Sustainable Energy Automotive Co.，Ltd.，Shanghai，201800；School of continuing education，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

This article proposes a strategy control design for pure electric vehicle braking energy recovery system，which improves energy utilization so as to further enhances vehicle fuel economy，and increases customer satisfaction.

energy recovery；strategy；electric vehicle

U463.5

A

1003－8639（2017）01－0001－04

2016-05-11；

2016-06-06

2013年國家科技支撐計劃課題：奇瑞高性能A級電動車研發(fā)（2015BAG17B04）

王若飛（1985-），男，安徽界首人，工程師，從事新能源汽車開發(fā)工作，主要負責純電動汽車整車項目推進、整車性能、質(zhì)量管理，三電系統(tǒng)集成工作。