葛柳欽，林國賢，邱寶象，俞小莉

電動汽車制動能量回收控制系統(tǒng)和策略研究

葛柳欽1，林國賢1，邱寶象1，俞小莉2

（1.萬向錢潮股份公司，浙江 杭州 311215；2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310007）

作為新能源汽車的核心功能，能量回收對汽車的制動系統(tǒng)提出了新的要求?；趯ν芯€控制動系統(tǒng)產(chǎn)品的分析，文章設(shè)計了一款新型電子制動助力器，并從整車層面構(gòu)建了電動汽車的制動能量回收控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電子制動助力器、整車控制器、電池管理器、電機控制器、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）和電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）。利用Matlab/Simulink軟件，以整車目標(biāo)制動力、電池荷電狀態(tài)（SOC）、車速和驅(qū)動電機狀態(tài)參數(shù)為輸入變量，以目標(biāo)液壓制動力和目標(biāo)電機制動力為輸出變量，搭建了制動能量回收控制策略模型，并將其嵌入AVL Cruise整車模型，進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。仿真結(jié)果表明，控制策略具有良好的制動能量回收效果，新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）工況下的能量回收率達(dá)到12.8%，續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度達(dá)到15%。文章的研究可以為電動汽車的線控制動系統(tǒng)產(chǎn)品及其能量回收控制系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

電動汽車；制動能量回收；線控制動；控制策略

近年來，新能源汽車行業(yè)得到了世界多國政府的政策扶持。在政策導(dǎo)向下，新能源汽車的發(fā)展逐步邁入快速成長期。新能源汽車的發(fā)展對制動系統(tǒng)提出了新的需求，制動能量回收是新能源汽車制動系統(tǒng)的核心功能之一。

制動能量回收是指汽車在制動減速過程中，電機切換到發(fā)電機的工作狀態(tài)，汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能存儲到動力電池等儲能裝置中，同時電機產(chǎn)生的反向力矩作為制動力矩對汽車進(jìn)行制動。制動能量回收是提高電動汽車?yán)m(xù)駛里程的重要手段。在行駛期間，車輛有大量的能量被消耗在制動過程中，這部分能量以熱量的形式耗散，未得到充分的回收利用。研究表明，世界各地典型城市工況下，車輛在制動過程中消耗的能量占驅(qū)動能量的比例普遍達(dá)到 60%左右[1]。使用制動能量回收功能，一方面可以在同等電池電量的情況下，增加汽車的續(xù)駛里程，降低單位里程的耗電量，改善整車的能量經(jīng)濟(jì)性，另一方面可以減輕汽車剎車機構(gòu)的負(fù)荷，減緩剎車的磨損，延長剎車的使用壽命[2]。

在汽車電動化和智能化的背景下，線控制動正成為新能源汽車的主流制動系統(tǒng)。國內(nèi)外汽車零部件廠商紛紛開發(fā)了各自的線控制動系統(tǒng)產(chǎn)品，其中有代表性的是博世的TWOBOX，該產(chǎn)品由電子制動助力器（ibooster）和ESC-hev組成，具備制動能量回收功能[3]。根據(jù)制動能量回收的要求，本文設(shè)計了一款線控制動產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了電動汽車的制動能量回收控制系統(tǒng)和控制策略。

1 線控制動系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計

傳統(tǒng)的汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法滿足制動能量回收的要求，需要進(jìn)行重新設(shè)計。目前，較成熟的技術(shù)方案是博世的TWOBOX，該產(chǎn)品利用ESC- hev調(diào)節(jié)制動液壓，配合電子制動助力器（ibooster）實現(xiàn)制動能量回收[3]。其他的方案包括采用雙制動主缸、在制動回路中額外設(shè)置蓄能器和增加電子制動助力器空行程。在博世的方案中，需要聯(lián)合使用其ibooster和ESC hev這兩個產(chǎn)品才能實現(xiàn)能量回收功能；雙制動主缸和增設(shè)蓄能器的方案對原有制動回路的改造較大，且對安裝位置的要求較高；增加電子制動助力器空行程的方案則會影響用戶的使用體驗和行車安全。

基于對同行產(chǎn)品的分析，本文設(shè)計了一款電子制動助力器（Qbooster），樣件外觀見圖1。如圖2和圖3所示，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主要包括油壺、制動主缸缸體、儲液腔、電磁閥、控制器、助力電機、齒輪、絲母、絲桿、出力桿、輸入桿、推桿和行程傳感器等[4-5]。輸入桿通過連接機構(gòu)與制動踏板相連以傳遞制動意圖，而與出力桿之間無機械連接。

圖1 Qbooster樣件實物圖

當(dāng)制動踏板被踩下時，輸入桿帶動推桿移動，行程傳感器感應(yīng)到位移而生成相應(yīng)的信號?？刂破鞲鶕?jù)行程傳感器的信號，決策出助力電機應(yīng)當(dāng)輸出的扭矩，再將相應(yīng)的控制信號發(fā)送到助力電機，控制電機動作。助力電機通過齒輪機構(gòu)帶動絲母轉(zhuǎn)動，推動絲桿前進(jìn)，從而帶動出力桿，推動制動主缸活塞加壓，產(chǎn)生制動所需的液壓力。在控制器電信號的控制下，可對制動液壓進(jìn)行主動地調(diào)節(jié)。當(dāng)需要增加制動液壓時，控制器控制助力電機正轉(zhuǎn)推動制動主缸加壓；當(dāng)需要減壓時，助力電機反轉(zhuǎn)釋放壓力。

圖2 Qbooster三維爆炸圖

圖3 Qbooster內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

該產(chǎn)品通過制動主缸自帶儲液腔和電磁閥的方式實現(xiàn)制動系統(tǒng)解耦，無需對原有制動系統(tǒng)回路進(jìn)行其他改動，即可配合整車實現(xiàn)制動能量回收（圖4）。儲液腔由活塞、彈性體和端蓋構(gòu)成，設(shè)計儲液壓力低于常規(guī)制動液壓。踩下制動踏板時，在助力電機的推動下，制動主缸中的液壓升高，同時車輛接收到制動需求，判斷是否需要進(jìn)行能量回收。進(jìn)行能量回收時，控制器控制制動主缸上的電磁閥打開，將儲液腔接入液壓回路，制動液經(jīng)電磁閥流入儲液腔。在儲液腔的分流作用下，制動回路的液壓上升幅度很小，不產(chǎn)生液壓制動力，此時車輛的制動力由驅(qū)動電機提供；不進(jìn)行能量回收時，制動主缸上的電磁閥關(guān)閉，將儲液腔隔離，制動液經(jīng)ABS/ESC進(jìn)入制動輪缸，產(chǎn)生液壓制動力。

圖4 制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 制動能量回收控制系統(tǒng)設(shè)計

基于電子制動助力器（Qbooster），從整車層面設(shè)計了電動汽車的制動能量回收控制系統(tǒng)（圖5），該控制系統(tǒng)包括電子制動助力器、整車控制器、電池管理器、電機控制器、ABS或ESC，組件之間通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network,）線進(jìn)行通訊連接。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，電子制動助力器上的踏板行程傳感器生成踏板行程信號，得到駕駛員制動需求，即整車目標(biāo)制動力。整車控制器根據(jù)駕駛員制動需求、車速、電池狀態(tài)參數(shù)和驅(qū)動電機狀態(tài)參數(shù)，通過算法計算，得到電機目標(biāo)制動力值和整車目標(biāo)液壓制動力值。電機控制器獲取電機目標(biāo)制動扭矩，并控制驅(qū)動電機輸出相應(yīng)的扭矩。電子制動助力器獲取整車目標(biāo)液壓制動力值并提供相應(yīng)的制動液壓。

圖5 制動能量回收控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 制動能量回收控制策略設(shè)計

電動汽車的制動能量回收過程受到車速、制動力大小、動力電池狀態(tài)和驅(qū)動電機狀態(tài)等多重因素的影響。車速較低時，為提高行駛穩(wěn)定性，應(yīng)減少電機制動的參與；電池SOC過高或過低時，為保護(hù)電池，也應(yīng)減少電機制動；大強度緊急制動時，為提高制動安全性，應(yīng)關(guān)閉電機制動。本文通過Matlab/Simulink軟件搭建了制動能量回收控制策略模型，表1為模型的輸入輸出接口定義，圖6為模型的制動模塊。

表1 控制策略模型接口定義

圖6 制動控制策略模型

控制策略根據(jù)輸入的整車目標(biāo)制動力、電池SOC和車速，經(jīng)過模糊控制算法計算，輸出電機制動力分配系數(shù)。電機制動力分配策略如圖7所示。將電機制動力分配系數(shù)與整車目標(biāo)制動力值相乘得到電機目標(biāo)制動力計算值。再將電機目標(biāo)制動力計算值與電機當(dāng)前可提供的最大制動力值進(jìn)行比較，若電機目標(biāo)制動力計算值小于電機當(dāng)前可提供的最大制動力值，則電機目標(biāo)制動力等于電機目標(biāo)制動力計算值，否則電機目標(biāo)制動力等于電機當(dāng)前可提供的最大制動力值。整車目標(biāo)液壓制動力值等于整車目標(biāo)制動力值減去電機目標(biāo)制動力值。

4 制動能量回收控制策略仿真分析

結(jié)合某主機廠車型的車輛參數(shù)（表2），基于AVL Cruise仿真軟件，完成車輛傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、驅(qū)動電機和動力電池等模塊的建模，建立整車仿真模型（圖8）。將通過Matlab/Simulink搭建的控制策略模型嵌入整車模型，建立聯(lián)合仿真平臺。仿真計算模式設(shè)定為SOC目標(biāo)模式（SOC Target），SOC的變化范圍設(shè)定為98%～5%，仿真算法設(shè)定為FSS Bogacki/Shampine。選取NEDC和FTP75作為試驗循環(huán)的工況條件，對控制策略的制動能量回收效果進(jìn)行驗證和評價。NEDC和FTP75工況的對比如圖9所示，可以看到，NEDC工況是恒速和恒加減速的結(jié)合，速度變化較為平緩，而FTP75為瞬態(tài)工況，加減速更頻繁，對電池能量的消耗更大。

圖8 整車模型

圖9 仿真試驗工況

表2 車輛基本參數(shù)

制動能量回收效果通過能量回收率和續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度指標(biāo)進(jìn)行評價。其中，能量回收率reg（%）是指在給定的試驗工況下，由再生制動系統(tǒng)回收并輸入至蓄電池的能量in（kJ）與蓄電池消耗輸出的能量out（kJ）之間的比值；續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度reg（%）是指在給定的循環(huán)工況和電池能量下，車輛開啟制動能量回收時的行駛里程reg_on（m）相比關(guān)閉制動能量回收時行駛里程reg_off（m）所增加的百分比[6]。兩者的計算公式如下：

圖10為仿真試驗中電池能量輸出和能量輸入的變化曲線。由圖可知，帶制動能量回收時，電池有能量輸入，而無制動能量回收時的電池能量輸入為零，在相同的電池SOC變化下，帶制動能量回收時的電池累積能量輸出相比無制動能量回收時的要高，這表明本文設(shè)計的控制策略可以有效地回收制動能量。

循環(huán)工況仿真試驗結(jié)果詳見表3。仿真結(jié)果顯示，NEDC工況下的能量回收率達(dá)到12.8%，續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度達(dá)到15%；FTP75工況下的能量回收率達(dá)到11.2%，續(xù)駛里程貢獻(xiàn)度達(dá)到12.7%。仿真結(jié)果表明本文的控制策略具有良好的制動能量回收效果。

圖10 仿真試驗電池能量輸出和輸入變化

表3 仿真試驗結(jié)果

5 結(jié)論

基于對同行線控制動系統(tǒng)產(chǎn)品的分析，本文設(shè)計了一款具備能量回收功能的電子制動助力器，并從整車層面搭建了電動汽車的制動能量回收控制系統(tǒng)和控制策略模型。通過Matlab/Simulink與AVL Cruise的聯(lián)合仿真分析，表明設(shè)計的控制策略具有良好的制動能量回收效果。

[1] 張靖巖.基于制動踏板開度傳感器的電動汽車制動能量回收控制[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2019.

[2] 李華.淺析Tiguan L PHEV制動能量回收系統(tǒng)[J].汽車實用技術(shù),2022,47(1):14-18.

[3] 王景天.乘用車新型電子機械制動助力器變助力特性研究[D].長春:吉林大學(xué),2020.

[4] 崔繼波,林國賢,王勇,等.帶儲液腔的制動主缸: CN 210116498U[P].2020-02-28.

[5] 林國賢,任博,邱寶象,等.電子助力制動系統(tǒng): CN214 689435U [P]. 2021-11-12.

[6] 楊行.FSEC電動方程式賽車制動能量回收控制策略的研究[D].西安:長安大學(xué),2019.

Control System and Strategy of Braking Energy Recovery for Electric Vehicle

GE Liuqin1, LIN Guoxian1, QIU Baoxiang1, YU Xiaoli2

( 1.Wanxiang Qianchao Company Limited, Hangzhou 311215, China;2.College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310007, China )

As for the electric vehicle, the design of its braking system must be adapted to the requirements of energy recovery. Based on the research toward brake-by-wire system products on the market, a kind of new electronic brake booster is designed in this article. Then, a control system of braking energy recovery for electric vehicles is constructed, which includes the electronic brake booster, vehicle controller, battery management system, motor controller, antilock brake system (ABS) or electronic stability controller (ESC). A control strategy model of braking energy recovery is built in Matlab/Simulink software, with the target braking force, battery state of charge (SOC), vehicle speed, and motor parameters taken as input variables, and the target hydraulic braking force and target motor braking force taken as output variables. Furthermore, the control strategy is evaluated by simulation of Matlab/Simulink and AVL Cruise, and a good energy recovery performance is exhibited on the electric vehicle with the control strategy. Under the new european driving cycle (NEDC) working condition, the energy recovery rate reaches 12.8% and the driving range is increased by 15%. Through the study of this paper, a meaningful guidance can be provided for the development of brake-by-wire system and energy recovery control system of electric vehicles.

Electric vehicle; Braking energy recovery; Brake-by-wire; Control strategy

U469.72

A

1671-7988(2022)23-19-06

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.004

葛柳欽（1990—），男，博士，工程師，研究方向為汽車電子控制技術(shù)，E-mail:gliuqin@163.com。