基于ESC的電動汽車再生制動策略及能量回收

郝 磊，李 峰，李會杰，張學(xué)禮

（1.西安交通工程學(xué)院，機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710032；2.西安交通大學(xué)，機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710048；3.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 064099）

1 引言

隨著汽車尾氣排放量的增加，空氣質(zhì)量也發(fā)生了持續(xù)惡化［1-2］。同時因?yàn)槭褪且环N不可再生資源，在各國工業(yè)化發(fā)展過程中，石油被不斷消耗，全球范圍內(nèi)的石油儲量快速減小，也因此引起了油價的持續(xù)上升［3-4］。以新能源汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車已屬于一項(xiàng)非常急迫的研究工作。當(dāng)汽車處于城市運(yùn)行工況下時，約有40%的動能會在制動階段轉(zhuǎn)變成熱能而發(fā)生損耗［5］。為提升電動汽車節(jié)能效果，通常需要為其制動系統(tǒng)配備能量回收結(jié)構(gòu)，這也已經(jīng)成為電動汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以將電動汽車制動階段的動能以電能的形式儲存于蓄電池內(nèi)，制動過程結(jié)束后被蓄電池又可以將原先儲存的能量重新釋放為汽車提供后續(xù)行駛過程所需的動力［6-7］。因此，世界各國的汽車制造企業(yè)、科研學(xué)者都開展了制動能量回收系統(tǒng)方面的深入研究，也取得了較大的技術(shù)突破［8-10］。

電機(jī)回饋制動力可以為汽車制動過程提供所需制動力，同時為保障汽車制動可靠性，同樣也需設(shè)置合適的液壓制動力來達(dá)到理想的制動效果［11］。傳統(tǒng)動力形式的汽車進(jìn)行制動時，制動踏板跟液壓制動系統(tǒng)之間屬于一種非解耦的關(guān)系，須確保制動階段電機(jī)回饋制動過程和液壓制動過程達(dá)到相互協(xié)調(diào)狀態(tài)，以此提升制動階段對汽車動能的回收效率，因此需要為解耦模式建立線性控制結(jié)構(gòu)［12-13］。某制造商根據(jù)線性控制方式，構(gòu)建了電子制動系統(tǒng)（ECB），實(shí)現(xiàn)了對制動能量的高效回收，之后獲得了成功推廣。

這里構(gòu)建了可以對電機(jī)回饋制動以及液壓制動過程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的方案，能夠滿足對車輪輪缸的協(xié)調(diào)控制效果。通過仿真測試發(fā)現(xiàn)，隨著制動強(qiáng)度的變化，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)回饋制動力與液壓制動力間的良好協(xié)調(diào)，以此滿足制動過程的控制要求，實(shí)現(xiàn)制動能量的高效回收。監(jiān)測方式車輪存在抱死的情況時，ESC液壓制動過程可以實(shí)現(xiàn)輪缸制動力的動態(tài)控制，從而避免車輪發(fā)生抱死的問題。

2 電動汽車制動方案

電動汽車制動方案示意圖，如圖1所示。進(jìn)行制動操作時，液壓調(diào)節(jié)單元（HCU）先接收制動踏板產(chǎn)生的開度與輪速參數(shù)，之后將其傳輸至整車控制系統(tǒng)（VCU），VCU再結(jié)合電池和電機(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和液壓制動力的合理分配；利用電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的扭矩控制，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)與差速器將作用力傳輸至驅(qū)動輪；利用ESC液壓調(diào)節(jié)單元進(jìn)行車輪控制，實(shí)現(xiàn)液壓摩擦制動的效果，經(jīng)液壓管路將作用力傳輸至液壓輪缸［14］。將ESC液壓管路按照X型結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，其中，右前輪和左后輪液壓輪缸共同使用同一個液壓管路；左前輪和右后輪液壓輪缸也共用相同的液壓管路。

圖1 電動汽車制動方案示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electric Vehicle Braking Scheme

3 仿真建模

這里設(shè)計的電池組中為電池元件同時設(shè)置了串聯(lián)與并聯(lián)形式。控制單個電池容量為70A·h，電壓3.7V，內(nèi)阻0.0658Ω。每個分支串聯(lián)了96個電池元件，總共包含了2個并行分支?？梢愿鶕?jù)荷電狀態(tài)（SOC）來判斷電池電量，該參數(shù)表示電池剩余容量與額定容量比值。以下給出了SOC計算式：

式中：SOCinit—電池初期測試得到的SOC；CN—等效電容。對各工況開展仿真測試時，將SOC初始參數(shù)設(shè)定在95%，在SOC減小至5%時，仿真結(jié)束。

選擇交流感應(yīng)電機(jī)作為仿真模型，同時以一階慣性延時模型對電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出進(jìn)行仿真分析，得到以下所示的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)功率表達(dá)式［15］：

式中：Tm—電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行階段的轉(zhuǎn)矩；t—時間常數(shù)；Tlim—電機(jī)處于當(dāng)前轉(zhuǎn)速與電池SOC 條件下可以產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩；Pm—電機(jī)的功率；ω—電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)的具體工作模式：在Pm＞0的條件下，電動機(jī)保持驅(qū)動狀態(tài)；Pm＜0時，電動機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

以AMNSim構(gòu)建的ESC液壓模型，如圖2所示。可以利用上述模型對車輪輪缸實(shí)施主動增壓。在駕駛員未踩下制動踏板的情況下，為制動主缸設(shè)置的輸入壓力ESC模型能夠?qū)崿F(xiàn)車輪防抱死的效果，制動踏板被踩下之后，輪缸依次經(jīng)過增壓、保壓以及減壓的不同階段。ESC系統(tǒng)按照與常規(guī)過程一致的方式實(shí)施增壓，主缸壓力逐漸增大，此時ESC單元依然處于初始狀態(tài)，輪缸中開始流入制動液，同時減壓閥與吸入閥方式關(guān)閉。進(jìn)入保壓階段后，增壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)，輪缸中獲得恒定的制動液，同時輪缸壓力也不發(fā)生變化。減壓過程中，增壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)，減壓閥開啟，這時制動液經(jīng)減壓閥到達(dá)蓄能器，實(shí)際流量為0，ESC對電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行控制，為柱塞泵提供驅(qū)動力，制動液從蓄能器中經(jīng)吸入閥與增壓閥到達(dá)制動輪缸，限壓閥受到ESC 控制后保持關(guān)閉狀態(tài)，同時減壓閥也處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖2 ESC模型Fig.2 ESC Model

4 控制策略

4.1 制動力分配方案

在滿足制動安全性的條件下合理分配各運(yùn)動軸的制動力，確保制動力達(dá)到最優(yōu)分配狀態(tài)，同時實(shí)現(xiàn)制動能量的高效回收。制動力的實(shí)際分配情況，如圖3所示。粗實(shí)線為分配方案。

圖3 基于ECE的前后軸制動力分配方案Fig.3 Braking Force Distribution Scheme for Front and Rear Axles Based on ECE

為實(shí)現(xiàn)制動能量的高效回收過程，處于較低制動強(qiáng)度下時，電機(jī)回饋制動力可以達(dá)到前軸制動制要求。當(dāng)電機(jī)制動力小于前軸制動力的實(shí)際要求時，可以利用ESC液壓系統(tǒng)使車輪獲得相應(yīng)的液壓制動力。

4.2 協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)以上制動力的分配方式，在當(dāng)前車速條件下判斷車輛應(yīng)選擇的最優(yōu)制動狀態(tài)。當(dāng)車速未超過控制門限時，選擇常規(guī)的液壓制動模式；當(dāng)車速超過控制門限時，首先分析其是否屬于緊急制動，進(jìn)入緊急制動階段時，不對能量實(shí)施回收，只施加液壓制動作用，反之發(fā)生再生制動過程。再生制動的具體控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 再生制動控制邏輯Fig.4 Regenerative Braking Control Logic

5 仿真結(jié)果分析

5.1 制動能量回收

進(jìn)行仿真測試時，需這對各制動強(qiáng)度，使電機(jī)回饋和液壓制動過程達(dá)到協(xié)調(diào)匹配的過程，再分析采用的制動控制策略所實(shí)現(xiàn)的能量回收效率。當(dāng)車輛速度由100km/h降低至0的過程中，設(shè)定電池最初SOC值為95%。此時路面附著系數(shù)為0.8，控制車輛制動強(qiáng)度介于（0.1～0.7），仿真參數(shù)，如表1所示。

表1 制動能量回收效率結(jié)果Tab.1 Braking Energy Recovery Efficiency Results

分別以根據(jù)ECE方法與固定比值方式進(jìn)行制動能量回收仿真測試，以ECE實(shí)現(xiàn)的制動能量回收方案效率更高，同時發(fā)現(xiàn)這種差異隨著制動減速度的降低變得更加顯著。這是因?yàn)殡S著制動減速度提高至某一臨界值，電機(jī)獲得了最高回饋制動力，能量回收狀態(tài)在這兩種控制策略下基本相近。

5.2 制動過程分析

為分析ESC液壓制動過程以及電機(jī)回饋制動期間ESC對車輪防抱死方面的控制效果，在路面附著系數(shù)為0.5的條件下，對車輛速度由最初的100km/h減速至0過程開展仿真測試結(jié)果，如圖5所示。

圖5 ESC防抱死控制過程Fig.5 ESC Anti-Lock Locking Control Process

當(dāng)車輛減速度為5m/s2時，液壓與電機(jī)制動力同時發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的效果；2.9s時發(fā)生了電機(jī)制動力的明顯波動，液壓制動力也一起參與控制，左前輪形成了更大的滑移率，ESC液壓制動系統(tǒng)進(jìn)入防抱死階段，當(dāng)主缸壓強(qiáng)保持恒定時，左前輪增壓閥與減壓閥進(jìn)入動態(tài)控制過程，實(shí)現(xiàn)輪缸壓力的調(diào)節(jié)功能，避免車輪發(fā)生抱死的情況。

5.3 制動能量回收潛力分析

依次針對NDEC、WLTP與ECE各個工況開展仿真測試。不同工況下進(jìn)行仿真測試所得能量回收結(jié)果，如表2所示。本控制方案可以達(dá)到更優(yōu)的車輛控制性能，并實(shí)現(xiàn)車輛制動能量的高效回收。這里的控制方式可以使NDEC 工況下的續(xù)駛里程提升9.35%，WLTP工況下上升37.2%，ECE工況下上升15.2%。

表2 不同控制策略的能量回收結(jié)果Tab.2 Energy Recovery Results of Different Control Strategies

6 結(jié)論

（1）以ECE實(shí)現(xiàn)的制動能量回收方案效率更高，并且隨著制動減速度的降低變得更加顯著。（2）當(dāng)車輛減速度為5m/s2時，液壓與電機(jī)制動力同時發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的效果，且輪缸壓力的調(diào)節(jié)功能，避免車輪發(fā)生抱死的情況。（3）這里的方案可以達(dá)到更優(yōu)的車輛控制性能，實(shí)現(xiàn)車輛制動能量的高效回收?？梢允筃DEC工況下的續(xù)駛里程提升9.35%，WLTP工況下上升37.2%，ECE工況下上升15.2%。