電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回饋控制系統(tǒng)及控制方法研究

楊志超， 吳麗娟， 楊凱祥， 原黎鵬

（大運(yùn)汽車股份有限公司技術(shù)中心， 山西 運(yùn)城 044000）

制動(dòng)回饋功能的作用是當(dāng)踩下制動(dòng)踏板整車處于制動(dòng)工況時(shí)，在一定的車速范圍內(nèi)，SOC低于某一閾值時(shí)，通過(guò)給電機(jī)發(fā)出負(fù)扭矩請(qǐng)求的形式發(fā)電，實(shí)現(xiàn)電量的回收，提升能量利用率，并協(xié)助整車進(jìn)行制動(dòng)。現(xiàn)階段，市場(chǎng)部分車型的扭矩控制策略中，制動(dòng)能量回饋進(jìn)入或退出條件設(shè)定不完善，在能量回收的過(guò)程中會(huì)影響駕駛員的駕乘舒適性或影響電池的使用壽命。在設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮最大回饋扭矩及回饋電流限制，可能會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)中的某個(gè)部件容易斷裂的故障或出現(xiàn)反向高電壓擊穿高壓回路中的元器件。在扭矩控制時(shí)，因回饋扭矩設(shè)置不合理，數(shù)據(jù)處理不平順，會(huì)出現(xiàn)扭矩抖動(dòng)的情況。需要一種較完善的能量回饋控制系統(tǒng)和控制方法，解決以上的問(wèn)題。

1 電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)架構(gòu)

一套完整的制動(dòng)能量回饋控制系統(tǒng)不僅包含本身的制動(dòng)回饋控制模塊，還包含為之提供駕駛員操作意圖和整車狀態(tài)信息的各種信號(hào)處理及控制的模塊，其中包括上下電模塊、擋位處理模塊、油門踏板處理模塊、制動(dòng)踏板處理模塊、故障處理模塊、扭矩仲裁模塊和BMS、MCU、ABS等信號(hào)處理模塊及軟件控制模塊。如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車制動(dòng)回饋控制系統(tǒng)框圖

2 制動(dòng)能量回饋控制方法

實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋控制不僅需要一套完整控制系統(tǒng)，還需要一套合理的控制策略及精準(zhǔn)算法與之匹配，才能保證整車的整體性能和駕駛感受，該方法主要包含兩部分。

1）信號(hào)采集：系統(tǒng)上電完成后，制動(dòng)回饋控制模塊接收上電ready、邏輯擋位、加速踏板、制動(dòng)踏板、故障等級(jí)、電池BMS以及電機(jī)MCU、ABS工作信號(hào)等整車信號(hào)。

2）信號(hào)處理及計(jì)算控制：制動(dòng)回饋控制模塊根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行判斷是否進(jìn)入制動(dòng)回饋狀態(tài)，并根據(jù)制動(dòng)踏板開度信號(hào)和車速，查表得出扭矩系數(shù)，再用傳動(dòng)系統(tǒng)所能承受的最大扭矩，計(jì)算得出回饋扭矩，并發(fā)送給扭矩仲裁模塊。

2.1 信號(hào)采集

在整車運(yùn)行過(guò)程中，怎樣識(shí)別駕駛員的意圖或整車當(dāng)前狀態(tài)呢？制動(dòng)回饋控制模塊要從整車各操縱模塊和其他相關(guān)的控制模塊采集相關(guān)的信號(hào)。

1）上下電模塊將ready信號(hào)發(fā)送至制動(dòng)回饋控制模塊。

2）擋位控制器SCU、擋位處理模塊將邏輯擋位信號(hào)發(fā)送至制動(dòng)回饋控制模塊。

3）加速踏板、制動(dòng)踏板處理模塊分別將加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)發(fā)送到制動(dòng)回饋控制模塊。

4）故障處理模塊將整車故障等級(jí)信號(hào)發(fā)送給制動(dòng)回饋控制模塊。

5）ABS將整車車速和ABS激活狀態(tài)發(fā)送給制動(dòng)回饋控制模塊。

6）BMS將動(dòng)力電池SOC、電池組當(dāng)前最大允許回饋電流以及電池組總電壓發(fā)送至制動(dòng)回饋控制模塊。

7）MCU將電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送至制動(dòng)回饋控制模塊。

制動(dòng)回饋控制模塊結(jié)合以上采集的各模塊發(fā)送的信號(hào)為下一階段數(shù)據(jù)處理及計(jì)算提供依據(jù)。

2.2 信號(hào)處理與輸出

制動(dòng)回饋模塊接收到其他模塊提供的信號(hào)后，依據(jù)各信號(hào)對(duì)整車狀態(tài)及駕駛員意圖進(jìn)行判斷處理，條件滿足時(shí)，進(jìn)入制動(dòng)回饋狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)扭矩計(jì)算，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，最后將信息傳遞給扭矩仲裁模塊。

通過(guò)分析整車的各種運(yùn)行工況及整車運(yùn)行過(guò)程中的需求，在滿足需求的情況下，保證整車性能和零部件的可靠性、運(yùn)行的安全性和平順性，具體采用以下方式。

1）完善制動(dòng)能量回饋進(jìn)入或退出條件。不會(huì)在低車速時(shí)進(jìn)入回饋狀態(tài)，并且進(jìn)入和退出回饋狀態(tài)的車速和踏板角度都留有緩沖空間，避免影響駕駛員的駕乘舒適性；設(shè)定進(jìn)入和退出回饋狀態(tài)的動(dòng)力電池SOC閾值，防止動(dòng)力電池過(guò)充影響到整體使用壽命；與整車最高級(jí)故障及ABS功能相關(guān)，保證整車安全性。

2）限制系統(tǒng)最大回饋扭矩，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中的各部件在機(jī)械沖擊過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)限制了系統(tǒng)最大制動(dòng)回饋電流，對(duì)高壓回路中的元器件及動(dòng)力電池進(jìn)行保護(hù)。

3）在采集制動(dòng)踏板信號(hào)過(guò)程中，減少軟件處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)查詢，提高運(yùn)算速率，并保證扭矩輸出的平滑性。

2.2.1 進(jìn)入制動(dòng)回饋狀態(tài)條件

進(jìn)入制動(dòng)能量回饋狀態(tài)，同時(shí)滿足以下條件：①車速＞X1km/h，其中X1是車輛允許進(jìn)入制動(dòng)回饋的最低車速；②整車處于Ready狀態(tài)；③加速踏板開度小于X2%，其中X2為加速踏板的最低有效值；④制動(dòng)踏板被踩下；⑤動(dòng)力電池的SOC應(yīng)小于X3%，其中X3為動(dòng)力電池允許充電的最大SOC值；⑥整車未發(fā)生3級(jí)故障；⑦邏輯擋位為D擋；⑧ABS無(wú)故障；⑨ABS未激活。

2.2.2 退出制動(dòng)回饋狀態(tài)條件

退出制動(dòng)能量回饋功能，滿足任意條件：①車速＜X4km/h；②為防止控制跳變，其中X4略大于其中X3；③非Ready狀態(tài)；④加速踏板狀態(tài)為踩下；⑤制動(dòng)踏板狀態(tài)被松開；⑥邏輯擋位非D擋；⑦SOC大于X5%，為防止控制跳變，其中X5略大于其中X3；⑧故障診斷發(fā)出整車3級(jí)故障 （最高級(jí)）；⑨ABS已激活；⑩ABS故障。

2.2.3 制動(dòng)回饋扭矩計(jì)算

實(shí)際制動(dòng)回饋扭矩計(jì)算，實(shí)際制動(dòng)回饋扭矩的計(jì)算方法如下：系統(tǒng)制動(dòng)能力扭矩=min （傳動(dòng)系統(tǒng)回饋扭矩限制，電機(jī)回饋扭矩限值，電池回饋扭矩限值）。

實(shí)際制動(dòng)回饋扭矩=系統(tǒng)制動(dòng)能力扭矩×制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)

系統(tǒng)制動(dòng)能力扭矩為傳動(dòng)系統(tǒng)中承受反向扭矩能力最弱部件的最大能夠承受的反向扭矩。

2.2.4 電機(jī)回饋扭矩限值

電機(jī)回饋扭矩限值，根據(jù)電機(jī)發(fā)電外特性圖得知電機(jī)所能產(chǎn)生的回饋扭矩最大值。所述外特性圖是將電機(jī)在測(cè)功機(jī)上進(jìn)行發(fā)電狀態(tài)的測(cè)量，即可得出電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)的外特性曲線，x軸是電機(jī)轉(zhuǎn)速，y軸是電機(jī)的扭矩。如圖2所示。

圖2 電機(jī)發(fā)電狀態(tài)外特性示例圖

2.2.5 電池回饋扭矩限值

電池回饋扭矩限值，根據(jù)BMS實(shí)時(shí)反饋的電池組當(dāng)前最大允許回饋電流和電池組總電壓計(jì)算出可充電功率，再通過(guò)電池組可充電功率得出對(duì)應(yīng)的回饋扭矩。計(jì)算方法如下：

式中：Pregan——電池可充電功率；n——電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2.6 制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)

根據(jù)不同的制動(dòng)踏板開度和車速，依據(jù)公式y(tǒng)=a×x2+b×x，獲得扭矩系數(shù)y，其中x為制動(dòng)踏板開度，取值范圍為［0，1］，a， b的取值是通過(guò)在不同車速下踩下制動(dòng)踏板，評(píng)價(jià)車輛的減速度，當(dāng)其滿足主觀評(píng)價(jià)的要求后確認(rèn)的值。

根據(jù)不同的制動(dòng)踏板開度和車速，通過(guò)查表得出需求的回饋扭矩系數(shù)。表1中未體現(xiàn)數(shù)據(jù)區(qū)域，采用線性插值法進(jìn)行計(jì)算，采集制動(dòng)踏板開度信號(hào)中，減少軟件處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)查詢，提高運(yùn)算速率，并保證扭矩輸出的平滑性。

表1 制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)表 （示例）

3 總結(jié)

本文中的方法設(shè)置了制動(dòng)能量回饋進(jìn)入或退出條件，保證在能量回收的過(guò)程中駕駛員的駕乘舒適性和電池的整體使用壽命；限制電機(jī)最大制動(dòng)回饋扭矩，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中的各部件在機(jī)械沖擊過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)限制了系統(tǒng)最大制動(dòng)回饋電流，對(duì)高壓回路中的元器件及動(dòng)力電池進(jìn)行保護(hù)；就解決制動(dòng)能量回饋過(guò)程中，制動(dòng)能量回饋控制模塊采集制動(dòng)踏板信號(hào)過(guò)程中，減少軟件處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)查詢，提高運(yùn)算速率，并保證扭矩輸出的平滑性。該方法還需要整車在市場(chǎng)上不斷地驗(yàn)證及優(yōu)化，才能滿足各工況的需求，保證整車的運(yùn)行的安全性、可靠性、平順性。