電動汽車制動能量回饋控制系統(tǒng)及控制方法研究

楊志超， 吳麗娟， 楊凱祥， 原黎鵬

（大運汽車股份有限公司技術(shù)中心， 山西 運城 044000）

制動回饋功能的作用是當踩下制動踏板整車處于制動工況時，在一定的車速范圍內(nèi)，SOC低于某一閾值時，通過給電機發(fā)出負扭矩請求的形式發(fā)電，實現(xiàn)電量的回收，提升能量利用率，并協(xié)助整車進行制動。現(xiàn)階段，市場部分車型的扭矩控制策略中，制動能量回饋進入或退出條件設(shè)定不完善，在能量回收的過程中會影響駕駛員的駕乘舒適性或影響電池的使用壽命。在設(shè)計時，沒有考慮最大回饋扭矩及回饋電流限制，可能會出現(xiàn)傳動系統(tǒng)中的某個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，因回饋扭矩設(shè)置不合理，數(shù)據(jù)處理不平順，會出現(xiàn)扭矩抖動的情況。需要一種較完善的能量回饋控制系統(tǒng)和控制方法，解決以上的問題。

1 電動汽車控制系統(tǒng)架構(gòu)

一套完整的制動能量回饋控制系統(tǒng)不僅包含本身的制動回饋控制模塊，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等信號處理模塊及軟件控制模塊。如圖1所示。

圖1 電動汽車制動回饋控制系統(tǒng)框圖

2 制動能量回饋控制方法

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

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

2.1 信號采集

在整車運行過程中，怎樣識別駕駛員的意圖或整車當前狀態(tài)呢？制動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。

1）上下電模塊將ready信號發(fā)送至制動回饋控制模塊。

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

3）加速踏板、制動踏板處理模塊分別將加速踏板信號和制動踏板信號發(fā)送到制動回饋控制模塊。

4）故障處理模塊將整車故障等級信號發(fā)送給制動回饋控制模塊。

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

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

7）MCU將電機轉(zhuǎn)速信號發(fā)送至制動回饋控制模塊。

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

2.2 信號處理與輸出

制動回饋模塊接收到其他模塊提供的信號后，依據(jù)各信號對整車狀態(tài)及駕駛員意圖進行判斷處理，條件滿足時，進入制動回饋狀態(tài)，并經(jīng)過扭矩計算，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最后將信息傳遞給扭矩仲裁模塊。

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

1）完善制動能量回饋進入或退出條件。不會在低車速時進入回饋狀態(tài)，并且進入和退出回饋狀態(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)定進入和退出回饋狀態(tài)的動力電池SOC閾值，防止動力電池過充影響到整體使用壽命；與整車最高級故障及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，對傳動系統(tǒng)中的各部件在機械沖擊過程中進行保護，同時限制了系統(tǒng)最大制動回饋電流，對高壓回路中的元器件及動力電池進行保護。

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

2.2.1 進入制動回饋狀態(tài)條件

進入制動能量回饋狀態(tài)，同時滿足以下條件：①車速＞X1km/h，其中X1是車輛允許進入制動回饋的最低車速；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制動踏板被踩下；⑤動力電池的SOC應(yīng)小于X3%，其中X3為動力電池允許充電的最大SOC值；⑥整車未發(fā)生3級故障；⑦邏輯擋位為D擋；⑧ABS無故障；⑨ABS未激活。

2.2.2 退出制動回饋狀態(tài)條件

退出制動能量回饋功能，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級故障 （最高級）；⑨ABS已激活；⑩ABS故障。

2.2.3 制動回饋扭矩計算

實際制動回饋扭矩計算，實際制動回饋扭矩的計算方法如下：系統(tǒng)制動能力扭矩=min （傳動系統(tǒng)回饋扭矩限制，電機回饋扭矩限值，電池回饋扭矩限值）。

實際制動回饋扭矩=系統(tǒng)制動能力扭矩×制動回饋扭矩系數(shù)

系統(tǒng)制動能力扭矩為傳動系統(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 電機回饋扭矩限值

電機回饋扭矩限值，根據(jù)電機發(fā)電外特性圖得知電機所能產(chǎn)生的回饋扭矩最大值。所述外特性圖是將電機在測功機上進行發(fā)電狀態(tài)的測量，即可得出電機在發(fā)電狀態(tài)的外特性曲線，x軸是電機轉(zhuǎn)速，y軸是電機的扭矩。如圖2所示。

圖2 電機發(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實時反饋的電池組當前最大允許回饋電流和電池組總電壓計算出可充電功率，再通過電池組可充電功率得出對應(yīng)的回饋扭矩。計算方法如下：

式中：Pregan——電池可充電功率；n——電機轉(zhuǎn)速。

2.2.6 制動回饋扭矩系數(shù)

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

根據(jù)不同的制動踏板開度和車速，通過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，采用線性插值法進行計算，采集制動踏板開度信號中，減少軟件處理過程中的數(shù)據(jù)查詢，提高運算速率，并保證扭矩輸出的平滑性。

表1 制動回饋扭矩系數(shù)表 （示例）

3 總結(jié)

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