新能源汽車(chē)再生制動(dòng)控制策略

張曉艷

摘要：以新能源汽車(chē)再生制動(dòng)為研究對(duì)象，分析了幾種比較有代表性的再生制動(dòng)控制策略，并結(jié)合當(dāng)前制動(dòng)控制的現(xiàn)狀和已有的研究成果，提出了組合優(yōu)化控制策略方案。同時(shí)指出，模糊控制理論在再生制動(dòng)控制中的應(yīng)用，使得新能源汽車(chē)領(lǐng)域的再生制動(dòng)朝著智能化的方向發(fā)展，且具有很好的研究前景與工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);再生制動(dòng)控制策略;能量回收

Abstract： Taking regenerative braking of new energy vehicles as the research object， several representative regenerative braking control strategies are analyzed， and combined with the current braking control status and existing research results， a combined optimal control strategy scheme is proposed . At the same time， it is pointed out that the application of fuzzy control theory in regenerative braking control makes the regenerative braking in the field of new energy vehicles develop in the direction of intelligence， and it has a good research prospect and engineering application prospect.

Key words： new energy vehicles;regenerative braking control strategy;energy recovery

0? 引言

環(huán)境問(wèn)題的日益突出，使得全球?qū)ζ?chē)的排放要求越來(lái)越高，新能源汽車(chē)的出現(xiàn)緩解了環(huán)境污染和能源短缺的問(wèn)題，同時(shí)以其優(yōu)越的性能獲得了快速的發(fā)展。但是從當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，在大部分新能源汽車(chē)的綜合續(xù)航能力一般，為了解決這一問(wèn)題，采用再生制動(dòng)技術(shù)，不僅可以緩解續(xù)航不足，而且成本較低且容易實(shí)現(xiàn)。再生制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)與液壓制動(dòng)互相影響，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的變化隨時(shí)調(diào)整再生制動(dòng)和液壓自動(dòng)的比例，電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)提供再生制動(dòng)能量，控制汽車(chē)運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)下降到無(wú)法繼續(xù)提供電磁制動(dòng)力時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)便全靠液壓自動(dòng)。在已有的再生制動(dòng)產(chǎn)品中，搭載BOSCH iBooster系統(tǒng)是比較著名卻可以代表世界量產(chǎn)水平的，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)百分之一百的能量回收，其他再生制動(dòng)系統(tǒng)則在滑行階段進(jìn)行能量回收。現(xiàn)階段，新能源汽車(chē)再生制動(dòng)的研究和發(fā)展主要集中于，如何在保證制動(dòng)穩(wěn)定與安全的基礎(chǔ)上來(lái)提高能量回收的效益、增加原來(lái)續(xù)航時(shí)間。常見(jiàn)的再生制動(dòng)控制策略有以下幾種：即最優(yōu)制動(dòng)能量回收控制、理想制動(dòng)力分配控制和并聯(lián)制動(dòng)能量回收控制，不同的控制策略對(duì)于制動(dòng)能量的回收會(huì)產(chǎn)生不同的效果。

1? 再生制動(dòng)控制

1.1 再生制動(dòng)控制的定義和構(gòu)成

再生制動(dòng)控制也叫作反饋制動(dòng)控制，當(dāng)新能源汽車(chē)電機(jī)速度下降時(shí)，汽車(chē)部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，該部分轉(zhuǎn)化的電能被存儲(chǔ)在蓄電池等存儲(chǔ)裝置中以增加汽車(chē)?yán)m(xù)航里程。在電機(jī)速度下降到無(wú)法提供電磁制動(dòng)力，這些儲(chǔ)能裝置全部充滿(mǎn)之后再生制動(dòng)就不能再發(fā)揮作用，所需的制動(dòng)力需要依靠傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)提供。

新能源汽車(chē)的再生制動(dòng)系統(tǒng)由帶再生制動(dòng)信息的組合儀表、帶伺服傳感器的制動(dòng)踏板、電動(dòng)伺服制動(dòng)動(dòng)能的電路控制器和調(diào)節(jié)器等構(gòu)成。

1.2 再生制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

再生制動(dòng)技術(shù)的核心機(jī)能是電動(dòng)伺服制動(dòng)，其工作原理分為以下幾種情況：第一，在非工作狀態(tài)，即駕駛員沒(méi)有踩下踏板時(shí)，MCV閥門(mén)打開(kāi)，上部制動(dòng)液管路和下部液管路相通，而PESV閥門(mén)閉合，所以PFS沒(méi)反饋液壓給制動(dòng)操作系統(tǒng)，操控中心也沒(méi)有發(fā)指令給電機(jī)所以電機(jī)不作為，整個(gè)制動(dòng)液管路處于自由的狀態(tài)。其次在正常制動(dòng)時(shí)，即駕駛員踩下踏板，踏板發(fā)生位移并同時(shí)推動(dòng)操作系統(tǒng)液壓缸，PFSV閥門(mén)打開(kāi)，制動(dòng)液填充到PFS并建立制動(dòng)。在ECU的指令下，PFS反饋液壓到自動(dòng)操作系統(tǒng)，這個(gè)反饋力作用在踏板上，形成和駕駛員制動(dòng)意圖以及踏板力相對(duì)應(yīng)的踏板反力，該踏板反作用力的作用是使駕駛員不會(huì)有太大的制動(dòng)感覺(jué)。同時(shí)，MCV閥關(guān)閉，切斷了上下流的制動(dòng)液管路，電機(jī)按照指令要求正向轉(zhuǎn)動(dòng)，并推動(dòng)制動(dòng)主缸發(fā)生活塞運(yùn)動(dòng)，使制動(dòng)液從制動(dòng)主缸到制動(dòng)管路再到輪缸建立液壓，完成對(duì)制動(dòng)盤(pán)夾緊力的整車(chē)制動(dòng)。在再生協(xié)調(diào)，即在制動(dòng)中期0壓再生制動(dòng)時(shí)，能量回收的過(guò)程中總輪缸指向制動(dòng)主缸，液壓推動(dòng)主缸活塞運(yùn)動(dòng)，再將之部分制動(dòng)力傳向電機(jī)，電機(jī)在該作用力下發(fā)生反向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓能向電能轉(zhuǎn)換的目標(biāo)。最后，在電動(dòng)伺服制動(dòng)失效的情況下，電機(jī)停止工作，制動(dòng)主缸與制動(dòng)管路的液壓無(wú)法依靠電機(jī)建立，這時(shí)MCV閥門(mén)打開(kāi)，使上下流液壓管理連通，駕駛?cè)藛T踩下踏板推動(dòng)BOS活塞，將制動(dòng)液壓向TMOC建立制動(dòng)管路液壓，從而達(dá)到制動(dòng)的效果[1]。

2? 新能源汽車(chē)再生制動(dòng)控制策略分析

2.1 最優(yōu)制動(dòng)能量回收控制

制動(dòng)能量回收控制的工作原理是，在制動(dòng)力矩足夠、滿(mǎn)足新能源汽車(chē)制動(dòng)安全距離與制動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化。在制動(dòng)需求較小時(shí)，制動(dòng)全部由再生制動(dòng)系統(tǒng)完成，且確保制動(dòng)的安全穩(wěn)定。當(dāng)提出更大的制動(dòng)需求，即地面附著力增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)力不足，能提供的最大制動(dòng)力只能滿(mǎn)足部分制動(dòng)需求，其他制動(dòng)力則由液壓制動(dòng)提供。將再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)相結(jié)合時(shí)，關(guān)于制動(dòng)力的分配問(wèn)題比較復(fù)雜，必須在確保運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行分配就會(huì)對(duì)控制效果產(chǎn)生影響，很可能會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)控制不穩(wěn)的問(wèn)題，并不是能一直達(dá)到理論上控制的效果，也不能完全實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化，在制動(dòng)的同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)安全隱患。為此，在研究新能源汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能與汽車(chē)實(shí)際對(duì)制動(dòng)力的需求關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了一種能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量最大化回收和控制的策略，該策略的實(shí)施可在確保汽車(chē)制動(dòng)安全和運(yùn)行安全的同時(shí)，又能進(jìn)一步提高能量回收效率。

2.2 理想制動(dòng)力分配控制策略

理想制動(dòng)力分配指的是以理想型的動(dòng)力分配曲線(xiàn)為基礎(chǔ)，考慮的是在確保制動(dòng)安全性的前提下進(jìn)行制動(dòng)力的合理分配和控制。首先，在制動(dòng)力需求較低的情況下，電機(jī)再生制動(dòng)能提供足夠的制動(dòng)力，能由電機(jī)單獨(dú)制動(dòng)，但是隨著汽車(chē)對(duì)制動(dòng)力需求的提高，再生制動(dòng)需和液壓制動(dòng)系統(tǒng)互相配合，這時(shí)根據(jù)理想制動(dòng)分配曲線(xiàn)的特點(diǎn)，利用路面的附著條件，根據(jù)制動(dòng)實(shí)際需求合理分配，從而有效提高了能量回收率，同時(shí)能提升電機(jī)制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。不過(guò)在理想制動(dòng)分配控制模式下，提高了對(duì)前后車(chē)軸方向載荷和制動(dòng)時(shí)所需的制動(dòng)力矩監(jiān)測(cè)要求，必須采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的方式確保所或數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，只有精確控制前后軸在和與制動(dòng)力矩，才能確保該制動(dòng)控制策略的實(shí)現(xiàn)，所以真正能實(shí)現(xiàn)的難度較大。在深入研究以后得出，在理想制動(dòng)力分配控制下能回收的能量和實(shí)際回收的能量效率分別是53%和18%左右。

2.3 模糊控制策略

模糊制動(dòng)控制策略以模糊控制理論為基礎(chǔ)，將控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)為定性模糊的控制規(guī)則，具有適應(yīng)性好、容錯(cuò)性好的特征。通過(guò)新能源汽車(chē)再生制動(dòng)控制系統(tǒng)的建模能清楚地表達(dá)再生制動(dòng)控制中無(wú)法準(zhǔn)確定量表達(dá)的規(guī)則，同時(shí)對(duì)于影響再生制動(dòng)控制的電池也能清楚顯示出來(lái)，對(duì)存在偏差的測(cè)量和部件在發(fā)生變化時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性。假設(shè)電池SOC、制動(dòng)強(qiáng)度和車(chē)速為輸入變量，以電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比例為輸出變量，以及隨著車(chē)速和制動(dòng)強(qiáng)度變化而變化的模糊控制器，該模糊控制器在不同的制動(dòng)需求和行駛工況下對(duì)于能量回收的效率不同。試驗(yàn)表明，制動(dòng)能量回收率達(dá)到65%。此外，假設(shè)以實(shí)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度和電池SOC、車(chē)速為輸入變量，以再生制動(dòng)前輪制動(dòng)力占比為輸出變量，使用梯形函數(shù)將制動(dòng)強(qiáng)度取值設(shè)定在[0，1]，電池SOC取值同為[0，1]，在路面識(shí)別的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)調(diào)整再生控制策略，以確保足夠的制動(dòng)安全距離和續(xù)航里程。

3? 其他控制策略

除了上述這些制動(dòng)控制策略以外，為了滿(mǎn)足更復(fù)雜的制動(dòng)需求，同時(shí)又要確保最大的制動(dòng)安全和續(xù)航里程，還要考慮制動(dòng)時(shí)對(duì)車(chē)內(nèi)人員的影響等等，將上述制動(dòng)控制策略根據(jù)實(shí)際制動(dòng)需要有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成復(fù)合型控制策略，同時(shí)對(duì)上述制動(dòng)控制策略進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，比如基于遺傳算法對(duì)模糊控制策略進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)制動(dòng)力的合理配置，在遵循理想制動(dòng)力分配的原則上實(shí)現(xiàn)對(duì)前后軸制動(dòng)力的分配，即前后制動(dòng)力分配保持一致，同時(shí)為了達(dá)到最佳的制動(dòng)控制效果，采用高度自適應(yīng)的全局優(yōu)化遺傳算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。優(yōu)化以后的控制策略，不僅提高了能量回收率，而且在車(chē)速很高的情況下回收的能量也比單一模糊控制策略和理想控制策略高得多。其次，模糊PID控制策略，將PID控制和模糊控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的優(yōu)化，使用二維結(jié)構(gòu)和函數(shù)控制，使優(yōu)化以后的汽車(chē)制動(dòng)能量回收率提高了20%，續(xù)航里程提升了6%[2]。此外，將理想制動(dòng)力分配控制策略與固定比值控制結(jié)合起來(lái)，在汽車(chē)空載運(yùn)行和滿(mǎn)載運(yùn)行兩種行駛工況下，形成變比值優(yōu)化算法分配控制策略，使前后輪能更充分地利用好地面附著條件，使制動(dòng)力的分配也更加科學(xué)合理。現(xiàn)階段，還出現(xiàn)了將幾種基本控制策略結(jié)合起來(lái)的新型復(fù)合制動(dòng)控制策略，比如將并行控制、最大再生制動(dòng)控制和理想制動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度的變化而變化，該控制策略不僅實(shí)現(xiàn)了能量回收的最大化，而且制動(dòng)穩(wěn)定性、安全性也大大提高。

4? 對(duì)于新能源汽車(chē)再生制動(dòng)控制策略的研究

對(duì)新能源汽車(chē)再生制動(dòng)控制的研究有很多，除了研究基本控制策略和新型制動(dòng)控制策略外，還對(duì)影響制動(dòng)能量回收的因素、電機(jī)與汽車(chē)制動(dòng)關(guān)系、如何提高能量回收效率和續(xù)航里程等進(jìn)行了廣泛而深入的研究。首先，對(duì)能量回收問(wèn)題的研究，為盡可能提高能量回收效率，提出了一種基于改進(jìn)NMPC策略的新能源汽車(chē)再生制動(dòng)能量管理策略，通過(guò)建模實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)力分配的預(yù)測(cè)[3]。其次，提出一種基于多邊界約束優(yōu)化再生制動(dòng)力控制的策略，該控制策略在保證制動(dòng)安全和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，將該系統(tǒng)中的各個(gè)部件工作效率與邊界約束作為參考條件進(jìn)行制動(dòng)力的分配調(diào)整，在頻繁制動(dòng)的行駛工況中有突出的制動(dòng)能量回收效果。

另外，對(duì)駕駛制動(dòng)識(shí)別也進(jìn)行了深入的研究，提出了一種基于制動(dòng)意圖識(shí)別的制動(dòng)控制策略，通過(guò)對(duì)制動(dòng)意圖的識(shí)別，以及車(chē)速和電池SOC等條件形成前軸復(fù)合制動(dòng)分配控制策略，該控制策略的作用是，能正確識(shí)別制動(dòng)意圖且速度極快，能在接收制動(dòng)信號(hào)的半秒之內(nèi)就能快速識(shí)別制動(dòng)意圖并進(jìn)行制動(dòng)控制，大大提高了再生制動(dòng)的效率，也使得制動(dòng)控制更加靈活和安全穩(wěn)定，同時(shí)使得能量回收效率更高。

5? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文從橫向的角度分析了新能源汽車(chē)的幾種再生制動(dòng)控制策略，指出這些基本控制策略有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如果能將幾種策略有機(jī)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成復(fù)合型控制策略，對(duì)于制動(dòng)效率的提高、制動(dòng)安全穩(wěn)定性的提高以及制動(dòng)能量回收效率的提高都有很大的幫助。新能源汽車(chē)制動(dòng)控制變得越來(lái)越智能化，控制效果也更加準(zhǔn)確。未來(lái)，還會(huì)繼續(xù)朝著智能化控制的方向不斷發(fā)展，而再生制動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也會(huì)促進(jìn)新能源汽車(chē)的進(jìn)一步普及推廣。

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