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電動汽車制動能量回饋控制策略的分析

2020-04-16 23:43:33·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：彭海蘭  
　
目前國內(nèi)再生制動能量回饋策略分為并行和串行，并行是在不改變原車制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上施加一部分電制動力，機械制動與電制動共同作用完成制動過程；串行是耦合機械
目前國內(nèi)再生制動能量回饋策略分為并行和串行，并行是在不改變原車制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上施加一部分電制動力，機械制動與電制動共同作用完成制動過程；串行是耦合機械制動和電制動，在滿足制動法規(guī)的前提下電機制動取代部分機械制動。文章采用電制動和機械制動聯(lián)合并聯(lián)制動策略，利用改善制動過程中能量的回饋率來提升其能量的利用率。整車基于Simulink 和Cruise 軟件平臺進行了系統(tǒng)建模和聯(lián)合仿真，探討了該控制策略下的制動能量回饋率和續(xù)駛里程等問題。
 
1 控制策略分析
1.1 制動能量回饋工作原理
圖1 示出制動能量回饋系統(tǒng)。從圖1 可以看出，制動控制ECU 通過檢測傳感器信號識別出駕駛?cè)说闹苿右鈭D及其所期望的制動強度，并從VCU（整車控制器）接收車速、動力電池荷電狀態(tài)（SOC）等信息。再生制動控制策略會根據(jù)當(dāng)前的電機狀態(tài)、動力電池狀態(tài)和車輛狀態(tài)計算出最佳的再生制動力和機械制動力，根據(jù)分配得到的機械制動力調(diào)節(jié)液壓控制單元，將分配到的再生制動力發(fā)送給電動機控制器，實施電機的回饋制動。
 
圖1 電動汽車制動能量回饋控制原理示意圖
1.2 制動能量回饋系統(tǒng)控制策略
設(shè)計制動能量回饋控制策略最基本的原則是在滿足制動安全的前提下最大化地提高能量回饋率，也就是在機械制動和電制動之間找到一個平衡點，以達到制動能量回饋過程中制動性、舒適性、能量回饋率的最佳狀態(tài)。能量回饋實現(xiàn)流程，如圖2 所示。
 
圖2 電動汽車制動能量回饋控制流程圖
當(dāng)車輛滿足能量回饋條件后，車輛進入能量回饋運行模式，電池管理系統(tǒng)（BMS）根據(jù)SOC 狀態(tài)及電池溫度表得到當(dāng)前工況下的最大充電電流，同時計算電池PACK 電壓，通過CAN 總線將其發(fā)送給VCU。
VCU 根據(jù)擋位、加速踏板狀態(tài)、制動踏板狀態(tài)、電機最大發(fā)電電流及電池PACK 電壓計算出目標回饋轉(zhuǎn)矩，電機控制器（MCU）根據(jù)VCU 提供的回饋轉(zhuǎn)矩控制電機發(fā)電輸出回饋轉(zhuǎn)矩，同時將電機最大發(fā)電轉(zhuǎn)矩、電機當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋給VCU。
 
控制策略依次實現(xiàn)2 個階段的控制目標。
1）在駕駛員松開油門踏板到踩制動踏板之間的滑行階段，考慮0.49～0.98 m/s2的滑行電機回饋減速度[1]。
根據(jù)駕駛模式智能調(diào)整回饋轉(zhuǎn)矩，為保證駕駛平順性，低車速時回饋轉(zhuǎn)矩較?。浑S車速提高回饋轉(zhuǎn)矩逐漸增大；車速達到一定值后，滑行能量回饋轉(zhuǎn)矩不再增大。圖3示出回饋轉(zhuǎn)矩與車速的關(guān)系曲線。
 
圖3 電動汽車回饋轉(zhuǎn)矩與車速的關(guān)系曲線圖
VCU 根據(jù)車速和擋位信息查表得到回饋轉(zhuǎn)矩，該回饋轉(zhuǎn)矩首先會受到電機最大回饋轉(zhuǎn)矩限制和電機峰值發(fā)電轉(zhuǎn)矩的限制，圖4 示出電機在不同電壓下的發(fā)電轉(zhuǎn)矩曲線圖。為了保證能量回饋功能在各擋位之間切換時的轉(zhuǎn)矩平滑，會對限制之后的回饋轉(zhuǎn)矩進行濾波，圖5 示出目標回饋轉(zhuǎn)矩計算算法。
 
圖4 電機在不同電壓下的發(fā)電轉(zhuǎn)矩曲線圖
 
圖5 電動汽車目標回饋轉(zhuǎn)矩計算示意圖
2）在制動踏板的空行程結(jié)束后，機械制動的開始作用階段，合理分配電機制動與液壓制動兩者之間的制動力[2]。
踩下制動踏板后，根據(jù)VCU 給出最大可執(zhí)行的回饋力矩、車輛減速度以及制動踏板的位置，優(yōu)化電機制動和機械制動的最佳關(guān)系。通過動態(tài)控制VCU 調(diào)整回饋力矩大小，以提高制動能量回饋率。
當(dāng)車速低于10 km/h 時，以液壓制動為主，電機制動不參與；當(dāng)車速低于80 km/h 時，且制動強度小于1.2 m/s2 時，優(yōu)先使用電機制動力，最大制動力取決于車速、制動踏板的開度、電池SOC 和電機狀態(tài)。如果最大電機制動力大于所需制動力，車輛制動全部由電機提供；如果最大電機制動力小于所需制動力，需液壓制動力進行補償。
2 基于Simulink控制模型建立
2.1 Simulink模型
基于Simulink 建立整車控制系統(tǒng)模型，如圖6 所示。
 
圖6 整車控制系統(tǒng)模型示意圖
2.2 Cruise模型
基于Cruise 軟件建立整車動力系統(tǒng)分析模型，如圖7 所示。
 
圖7 整車動力系統(tǒng)模型顯示界面
2.3 參數(shù)輸入
表1～表3 分別示出整車性能參數(shù)、電機系統(tǒng)發(fā)電效率MAP 數(shù)據(jù)、電池回饋SOP 曲線表，將其輸入Cruise 模型。
表1 整車性能參數(shù)表
 
表2 電機系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速下的發(fā)電效率MAP 數(shù)據(jù)表 %
 
表3 電動汽車在不同溫度及荷電狀態(tài)下電池回饋SOP 曲線數(shù)據(jù)表kW
 
3 仿真結(jié)果分析
基于Simulink 和Cruise 建立某車型的動力學(xué)仿真模型，按照NEDC 工況（如圖8 所示）進行續(xù)駛里程仿真分析，分析結(jié)果，如表4 所示，其續(xù)駛里程增加了16 km。
 
圖8 汽車NEDC 標準循環(huán)工況圖
表4 電動汽車NEDC 仿真分析表
 
4 臺架驗證
為了驗證能量回饋控制策略對續(xù)駛里程的改善程度，采用了轉(zhuǎn)鼓試驗臺進行NEDC 續(xù)駛里程試驗，圖9示出樣車在AVL 轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進行續(xù)駛里程試驗[4]。
 
 
圖9 AVL 轉(zhuǎn)鼓試驗臺試驗示意圖
NEDC 試驗結(jié)果，在轉(zhuǎn)鼓臺上進行NEDC 續(xù)駛里程試驗，續(xù)駛里程361 km，接近仿真分析結(jié)果。
 
5 結(jié)論
文章建立了整車制動能量回饋仿真模型，綜合考慮汽車制動穩(wěn)定性、制動效能、電機特性和電池特性等因素的影響，提出了機械制動和電機制動聯(lián)合控制制動能量回饋策略，并以典型的NEDC 工況仿真分析了該策略對續(xù)駛里程的貢獻度。同時基于某款實車進行NEDC 工況續(xù)駛里程測試，其續(xù)駛里程接近仿真分析結(jié)果，不僅驗證了模型的準確性，同時也驗證了并行制動能量控制策略在一定程度上提升了能量回饋率，對實際工程設(shè)計中電動汽車續(xù)駛里程問題的解決具有積極的參考意義。
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