王若飛

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

電動(dòng)汽車制動(dòng)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(shù)有限公司，上海 201800；合肥工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，安徽合肥 230009）

通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的策略控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整車能量利用率，從而進(jìn)一步提升整車經(jīng)濟(jì)性，提升顧客滿意度。

能量回收；策略；純電動(dòng)汽車

1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)由液壓制動(dòng)系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)控制器、電機(jī)及其控制器、動(dòng)力蓄電池、整車控制器、電動(dòng)真空泵、儲(chǔ)氣罐等組成，如圖1所示。

圖1 能量回饋式液壓制動(dòng)系統(tǒng)方案

將壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)置于連接主缸與輪缸的液壓管路中，由制動(dòng)控制器控制壓力調(diào)節(jié)閥塊中各個(gè)電磁閥的開(kāi)通和閉合，從而調(diào)節(jié)各輪缸的制動(dòng)壓力。電機(jī)控制器負(fù)責(zé)控制電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，整車控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)制動(dòng)控制器和電機(jī)控制器的工作。對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車來(lái)說(shuō)，真空助力器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管相連，從而保證真空助力器內(nèi)腔的真空。對(duì)電動(dòng)汽車而言，面臨著真空源的問(wèn)題，因此在回饋制動(dòng)系統(tǒng)中需要增加電動(dòng)真空泵和儲(chǔ)氣罐，來(lái)保證真空助力器內(nèi)的真空度。

2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制算法

2.1 不改變駕駛習(xí)慣的疊加式回饋控制策略

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

2.2 改變駕駛習(xí)慣的單踏板回饋控制策略

改變駕駛習(xí)慣的單踏板回饋控制策略的思路是：車輛的減速或制動(dòng)主要依靠加速踏板的回饋制動(dòng)作用，收加速踏板過(guò)程中電機(jī)在驅(qū)動(dòng)軸施加回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電機(jī)進(jìn)入低轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，不再使用電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)需要駕駛員踩下制動(dòng)踏板繼續(xù)制動(dòng)。

2種回饋控制策略均涉及到收加速踏板、滑行、踩制動(dòng)踏板過(guò)程的電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，下面對(duì)過(guò)程中的制動(dòng)力分配方法和電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法進(jìn)行說(shuō)明。

2.3 制動(dòng)力分配方法

制動(dòng)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(jī)提供的制動(dòng)力，后軸無(wú)制動(dòng)力。在滑行階段，仍然只有前軸獲得電機(jī)提供的制動(dòng)力，后軸無(wú)制動(dòng)力。在踩制動(dòng)踏板階段，前后軸均獲得來(lái)自摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力，且前軸額外獲得了來(lái)自電機(jī)的回饋制動(dòng)力。

圖2 制動(dòng)力分配方法

2.4 操縱加速踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)

2.4.1 加速踏板開(kāi)度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

圖3 加速踏板和電機(jī)轉(zhuǎn)矩關(guān)系示意圖

圖3所示為制定的加速踏板開(kāi)度與電機(jī)轉(zhuǎn)矩關(guān)系的示意圖。文中提到的“電機(jī)轉(zhuǎn)矩”為矢量，正值表示驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，負(fù)值表示回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩均為標(biāo)量。

駕駛員踩下加速踏板，當(dāng)加速踏板開(kāi)度大于門限值A(chǔ)2時(shí)，隨著踏板開(kāi)度的增加，電機(jī)輸出逐漸增大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖3中實(shí)線所示。在駕駛員收加速踏板過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸減小，當(dāng)加速踏板開(kāi)度小于門限值A(chǔ)1時(shí)，電機(jī)開(kāi)始輸出回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且隨著踏板開(kāi)度的減小，回饋制動(dòng)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(guò)程中，回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸減小，當(dāng)加速踏板開(kāi)度大于門限值A(chǔ)2后，電機(jī)開(kāi)始輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖3中實(shí)線所示。利用加速踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)的控制策略流程圖如圖4所示，其中ACC為加速踏板開(kāi)度，Tdrv為電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Treg為電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，A1、A2為加速踏板開(kāi)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(jìn)行回饋制動(dòng)控制策略流程圖

2.4.2 利用加速踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)的回饋轉(zhuǎn)矩算法

利用加速踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)的回饋轉(zhuǎn)矩與加速踏板的動(dòng)作密切相關(guān)，加速踏板開(kāi)度的大小可以反映駕駛員需求制動(dòng)強(qiáng)度的大小，而加速踏板開(kāi)度變化率的符號(hào)表示駕駛員對(duì)加速踏板的操縱，加速踏板開(kāi)度變化率＞0表示駕駛員正在踩加速踏板，加速踏板開(kāi)度變化率＜0表示駕駛員正在收加速踏板，加速踏板開(kāi)度變化率絕對(duì)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(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由加速踏板開(kāi)度和加速踏板開(kāi)度變化率來(lái)決定。設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器如圖5所示。

圖5 由加速踏板定義的電機(jī)轉(zhuǎn)矩模糊邏輯控制器

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

式中：T0——Treg的初值；t——時(shí)間；Freg_acc——收加速踏板階段車輛獲得的制動(dòng)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?yàn)椋?，12］，量化因子kAcc=0.5，論域X={0，1，2，3，4，5，6}，語(yǔ)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?yàn)椋?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(yǔ)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(kāi)度隸屬度函數(shù)

圖7 加速踏板開(kāi)度變化率隸屬度函數(shù)

對(duì)應(yīng)不改變駕駛習(xí)慣的疊加式回饋控制策略，k的基本論域?yàn)椋?200，200］，比例因子kk=200／6；對(duì)應(yīng)于改變駕駛習(xí)慣的單踏板回饋控制策略，k的基本論域?yàn)椋?750，750］，比例因子kk=750／6。2種回饋控制策略對(duì)應(yīng)k的論域Y={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+ 2，+3，+4，+5，+6}，語(yǔ)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(jī)回饋制動(dòng)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(kāi)度越小，電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大；加速踏板開(kāi)度變化率越小，電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大”的思路進(jìn)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(guān)系如圖9所示。反模糊化采用重心法，至此，利用加速踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)的回饋轉(zhuǎn)矩計(jì)算已經(jīng)完成。

圖9 加速踏板開(kāi)度及其變化率與電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化率的關(guān)系

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

2.6 操縱制動(dòng)踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)

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

Freg_brk_1根據(jù)下式確定

Freg_brk_1根據(jù)車速、制動(dòng)踏板開(kāi)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(jī)回饋制動(dòng)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(wú)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用，只有前軸有回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在踩制動(dòng)踏板階段，前、后軸均有摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此外前軸還受到回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用。在收加速踏板階段、滑行階段和踩制動(dòng)踏板階段，由于前軸上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于原摩擦制動(dòng)系統(tǒng)提供給前軸的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此有必要討論：在制動(dòng)安全的前提下，能夠施加在前軸的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最大值。

由汽車?yán)碚摽芍瑸榱朔乐购筝S發(fā)生抱死危險(xiǎn)的側(cè)滑，β線應(yīng)總是在I曲線下方；為了減少制動(dòng)時(shí)前輪抱死而失去轉(zhuǎn)向能力的機(jī)會(huì)，提高附著效率，β線應(yīng)越靠近I曲線越好。為了防止后輪抱死并提高制動(dòng)效率，前軸利用附著系數(shù)曲線應(yīng)總在45°對(duì)角線上方，同時(shí)還應(yīng)靠近對(duì)角線φ=z。根據(jù)GB 21670—2008對(duì)車軸間的制動(dòng)力分配要求，在車輛所有載荷狀態(tài)下，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z處于0.15～0.18之間時(shí)，后軸附著系數(shù)利用曲線不應(yīng)位于前軸上方；當(dāng)附著系數(shù)φ在0.2～0.8之間時(shí)，制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.1+0.7（φ-0.2）。

表2 再生制動(dòng)MAP

根據(jù)上述約束條件，分別在空載和滿載狀態(tài)下對(duì)策略的前軸回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大值進(jìn)行計(jì)算。

按照前后軸制動(dòng)力分配方式的不同，可以將制動(dòng)過(guò)程分為2個(gè)階段，分別為phase1，phase2，如圖2所示。制動(dòng)力分配系數(shù)

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

2.7.1 空載狀態(tài)

空載時(shí)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(shí)，滿足z≥0.1+0.7（φ-0.2）。由此得出在phase1時(shí)電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能超過(guò)134.84Nm。

圖10 空載phase1利用附著系數(shù)曲線

當(dāng)kreg=1時(shí)，空載時(shí)phase2的利用附著系數(shù)曲線如圖11所示，前后制動(dòng)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(shí)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(shí)，滿足z≥0.1+0.7（φ=0.2）。由此得出phase1電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能超過(guò)105.43 Nm。

圖12 滿載phase1利用附著系數(shù)曲線

當(dāng)kreg=1，滿載時(shí)phase2的利用附著系數(shù)曲線如圖13所示，前后制動(dòng)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(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能超過(guò)105.43 Nm。

3 結(jié)論

本文的研究對(duì)象為電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，提出了對(duì)應(yīng)方案及算法。貴航公司在研的某款電動(dòng)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(yàn)證階段，有針對(duì)性的對(duì)本文所述系統(tǒng)進(jìn)行了整車試驗(yàn)研究，整車經(jīng)濟(jì)性的提升明顯，為2016年10月整車上市打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］陳樹勇，陳全世.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)匹配與控制策略研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2009，26（3）：276-280.

［2］張光亞.城市電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)匹配及電機(jī)控制器設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

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［5］王若飛，高立新，趙明，等.純電動(dòng)汽車制動(dòng)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(guó)家科技支撐計(jì)劃課題：奇瑞高性能A級(jí)電動(dòng)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(kāi)發(fā)工作，主要負(fù)責(zé)純電動(dòng)汽車整車項(xiàng)目推進(jìn)、整車性能、質(zhì)量管理，三電系統(tǒng)集成工作。