王春生，吳光耀，周升輝，李 偉

電動(dòng)汽車自適應(yīng)能量回收控制的分析

王春生，吳光耀*，周升輝，李 偉

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司 產(chǎn)品規(guī)劃及汽車新技術(shù)研究院，廣東 深圳 518118）

針對(duì)電動(dòng)汽車能量回收工況，研究了一種提高駕駛性和能量回收效率的策略。首先依據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)模型建立了預(yù)估車輛重量的模型，在滑行工況時(shí)，依照車重和道路坡度來確定不同的回饋扭矩系數(shù)，從而確定最終的目標(biāo)滑行回饋扭矩；在制動(dòng)工況，依據(jù)制動(dòng)深度確定目標(biāo)減速度，然后依據(jù)預(yù)估車重和目標(biāo)減速度確定制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)，從而確定最終的制動(dòng)回饋目標(biāo)扭矩，依據(jù)整車能力再進(jìn)行液壓制動(dòng)和電制動(dòng)的分配。通過實(shí)車對(duì)比驗(yàn)證，不僅提高了駕駛性，而且在一定程度上提高了能量回收率，節(jié)省了電量。

滑行回饋；制動(dòng)回饋；車重預(yù)估；扭矩分配；電動(dòng)汽車；能量回收控制

近年來電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量迅猛增加，作為其核心技術(shù)之一的能量回收技術(shù)備受關(guān)注。電動(dòng)汽車能量回收技術(shù)是一種汽車節(jié)能技術(shù)，當(dāng)電動(dòng)汽車處于滑行或者制動(dòng)工況時(shí)，將車輛動(dòng)能通過合適的控制方法來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，所產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，以備整車驅(qū)動(dòng)時(shí)使用，有效提高能量利用率、駕駛舒適性以及汽車行駛里程。因此，對(duì)電動(dòng)汽車的能量回收進(jìn)行深入的控制研究有著重要的意義[1]。

電動(dòng)汽車能量回收控制目前主要包括滑行工況能量回收和制動(dòng)工況能量回收[2]。滑行工況是在既沒有加速踏板也沒有制動(dòng)踏板開度時(shí)，車輛依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反向發(fā)電扭矩和各種阻力作用下逐漸減速的工況；制動(dòng)工況是在無加速踏板開度而有制動(dòng)踏板開度時(shí)，車輛依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反向發(fā)電扭矩、液壓制動(dòng)力和各組阻力共同作用下而逐漸減速的工況[3]。

無論是滑行工況下的能量回收還是制動(dòng)工況下的能量回收，目前市場(chǎng)上電動(dòng)車的控制策略都是在電機(jī)和電池的能力下，依照車速為基準(zhǔn)的查表回收扭矩。此種回收扭矩的獲取是有一些弊端的，如車輛的載重量不同時(shí)，仍然按照以車速為基準(zhǔn)查表的回收扭矩，在同樣的路況和車速下就會(huì)造成車輛的減速度不一致，載重量大時(shí)減速度偏大，而載重量小時(shí)減速度偏??；同樣，在不同的路面或者是在不同的坡度下，也會(huì)由于載重量的不同造成整車的減速度不一致[4]。此弊端會(huì)帶來兩個(gè)方面的影響，一是影響駕駛員的操作舒適性，駕駛員容易對(duì)減速度造成誤判從而影響駕駛安全；二是無法最大限度地利用車輛的慣性回收能量，造成能量浪費(fèi)。

1 車重預(yù)估模型研究

假如汽車在水平道路上等速行駛時(shí)，必須克服來自地面的摩擦阻力和來自空氣的空氣阻力，車輛才能等速行駛；當(dāng)汽車在坡道上行駛時(shí)，除考慮摩擦阻力和空氣阻力外，還必須考慮車輛重力沿著坡道的分力，即坡度阻力。

作用在驅(qū)動(dòng)輪的扭矩主要是驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳至車輪上的。對(duì)于裝有變速箱和減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)，傳至車輪端的扭矩還要考慮傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。

所以，汽車的行駛方程式為

t=f+w+i（1）

式中，t為作用于車輪的驅(qū)動(dòng)力；f為滾動(dòng)阻力；w為空氣阻力；i為坡度阻力。

t=tqg0/（2）

式中，tq為驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩；g為表示變速箱的傳動(dòng)比；0表示主減速器的傳動(dòng)比；表示傳動(dòng)系的機(jī)械效率；為車輪半徑。

f=?cos（3）

i=?sinα （5）

式中，為車輛重力；為道路摩擦系數(shù)；為道路傾角；D為空氣阻力系數(shù)；為迎風(fēng)面積；a為汽車車速。

1.1 驅(qū)動(dòng)工況與滑行工況

當(dāng)車輛處于驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，加速踏板信號(hào)不為零；當(dāng)車輛處于滑行工況時(shí)，加速踏板和制動(dòng)踏板都為零。此時(shí)，電機(jī)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)扭矩，由車輛動(dòng)力學(xué)分析可得[4]

式中，驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，tq為電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩；滑行工況時(shí)，tq為電機(jī)回饋扭矩。

1.2 制動(dòng)工況

當(dāng)車輛處于制動(dòng)工況時(shí)，若滿足能量回收條件，則此時(shí)的制動(dòng)力包括機(jī)械制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力矩兩部分，根據(jù)動(dòng)力學(xué)可得

式中，b為機(jī)械制動(dòng)力矩；tq為制動(dòng)工況下的電機(jī)回饋扭矩。

由于制動(dòng)工況下的機(jī)械制動(dòng)力矩?zé)o法準(zhǔn)確地獲得，所以整車車重的預(yù)估模型在整車驅(qū)動(dòng)和滑行工況時(shí)進(jìn)行。

當(dāng)車輛滿足：

（1）整車運(yùn)行工況為整車驅(qū)動(dòng)或者滑行工況；

（2）牽引力控制系統(tǒng)（Traction Control Sys- tem, TCS）及制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System, ABS）未激活；

（3）方向盤轉(zhuǎn)角在±40°范圍內(nèi)；

（4）制動(dòng)深度為0%，制動(dòng)深度百分比由制動(dòng)模塊控制器通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Netwok, CAN）總線發(fā)送至整車控制器；

（5）道路坡度≤10%。

當(dāng)以上條件滿足5秒后進(jìn)行整車質(zhì)量的預(yù)估，由于對(duì)于一款車輛來說，變速箱的傳動(dòng)比g、主減速器的傳動(dòng)比0、傳動(dòng)系的機(jī)械效率T、車輪半徑、空氣阻力系數(shù)D，迎風(fēng)面積都為固定值或者可確定范圍的參考值，電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩tq、汽車車速a和道路傾角可通過整車傳感器獲取，所以可預(yù)估得到整車的質(zhì)量。

2 滑行工況能量回收

根據(jù)實(shí)際的行駛狀況，汽車進(jìn)入滑行工況有3種途徑：（1）從驅(qū)動(dòng)到滑行，指汽車在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)迅速松掉加速踏板；（2）從制動(dòng)到滑行，指汽車在制動(dòng)減速狀態(tài)時(shí)迅速松掉制動(dòng)踏板；（3）從自然起步到滑行，指汽車在自動(dòng)起步后進(jìn)入長(zhǎng)下坡且車速大于自動(dòng)起步穩(wěn)定車速。

采用傳統(tǒng)的固定車速查表確定回收扭矩的方式無法保證滑行回饋減速度的一致性；同時(shí)對(duì)于載重量較大的貨車來說，在空載和滿載下采用同樣的滑行回饋扭矩?zé)o法保證前后駕駛感一致，也將使得回收效率大大降低。

本分析仍以車速為基準(zhǔn)，查表確定不同車速下的基礎(chǔ)回饋扭矩；但需要以整車的空載質(zhì)量 2 200 kg為基礎(chǔ)，如表1所示，匹配標(biāo)定不同載荷下的回饋扭矩系數(shù)，最終的目標(biāo)回饋扭矩為基礎(chǔ)回饋扭矩乘以回饋扭矩系數(shù)獲得。該系數(shù)的取值依據(jù)為基于任一種路面工況，不同的荷載下滑行回饋減速度與空載時(shí)的滑行減速度保持一致。

表1 回饋扭矩系數(shù)標(biāo)定匹配表

在道路坡度為0時(shí)，則滑行回饋需求扭矩等于不同車速下查表確定回饋扭矩與回饋扭矩系數(shù)乘積。

當(dāng)有道路坡度時(shí)，以整車的空載質(zhì)量為基礎(chǔ)，匹配標(biāo)定不同道路坡度的坡度回饋扭矩系數(shù)如表2所示。該坡度回饋系數(shù)的確定原則類似于回饋扭矩系數(shù)，以車輛空載時(shí)在平直路面的滑行回饋減速度為基準(zhǔn)，保持不同坡度的滑行減速度一致。

在有道路坡度時(shí)，則滑行回饋需求扭矩等于不同車速下查表確定回饋扭矩與回饋扭矩系數(shù)和坡度回饋系數(shù)乘積。

3 制動(dòng)工況能量回收

傳統(tǒng)的制動(dòng)控制為電機(jī)回饋制動(dòng)和液壓制動(dòng)疊加作用的，并且液壓制動(dòng)是不可控的。為提高汽車回收制動(dòng)能量的效率，采用傳統(tǒng)的制動(dòng)能量回饋形式是無法滿足要求的。因此，采用可控制的液壓制動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)耦合而成的液電混合制動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)行駛工況和制動(dòng)強(qiáng)度合理地協(xié)調(diào)制動(dòng)力分配關(guān)系才可以最終提高制動(dòng)能量回收效率。主要包括兩方面內(nèi)容：一方面是有效地將前后輪的制動(dòng)力進(jìn)行合理分配，保證行駛的安全性和穩(wěn)定性；另一方面是合理地建立液壓制動(dòng)力和回饋制動(dòng)力之間的比例關(guān)系，以保證最大的制動(dòng)能量回收率[5-6]。

本分析采用方案如表3所示，由制動(dòng)深度百分比查表確定制動(dòng)目標(biāo)減速度，制動(dòng)深度越大，需求減速度就越大，該需求減速度的取值依據(jù)為原車輛的制動(dòng)減速度測(cè)試和人為需求。如表4所示，再由制動(dòng)減速度和預(yù)估整車質(zhì)量查表確定制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)。

表3 制動(dòng)深度百分比確定制動(dòng)減速度標(biāo)定匹配表

表4 制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)標(biāo)定匹配表

則制動(dòng)回饋需求扭矩等于不同車速下查表確定回饋扭矩與制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)乘積。

整車制動(dòng)回饋需求目標(biāo)扭矩得到后，需要合理地分配液壓制動(dòng)和回饋制動(dòng)的關(guān)系。如圖1所示，回饋制動(dòng)能力受諸多因素的影響，在考慮回饋能力的同時(shí)，需要留有余量分配以合適的回饋制動(dòng)扭矩，以防止電池的過充損壞電池；同時(shí)，為了保證能量回收效率，又不能分配以嚴(yán)重低于需求和能力的回饋制動(dòng)扭矩。

圖1 回饋扭矩分配示意圖

4 整車驗(yàn)證

為驗(yàn)證自適應(yīng)能量回收控制策略的效果，選擇的車輛參數(shù)如表5所示。效果驗(yàn)證采用了兩組對(duì)比測(cè)試，兩輛同型號(hào)車輛在滿電情況下同時(shí)出發(fā)，以同樣的路況和車速行駛。第一組為車輛空載負(fù)荷下傳統(tǒng)能量回收控制方式與自適應(yīng)能量回收方式的對(duì)比；第二組為車輛滿載下傳統(tǒng)能量回收控制方式與自適應(yīng)能量回收方式的對(duì)比。

表5 測(cè)試車輛技術(shù)參數(shù)

圖2 車輛輕載對(duì)比

由圖2可以看出，輕載負(fù)荷下，自適應(yīng)能量回收控制策略更節(jié)省電量，而且隨著行駛里程增多，節(jié)省效果更明顯，在120 km的測(cè)試?yán)锍讨校晒?jié)省3%的電量；由圖3可以看出，重載負(fù)荷下，由于采用了自適應(yīng)能量回收，比輕載負(fù)荷下有更明顯的省電效果，在120 km的測(cè)試?yán)锍讨?，可?jié)省5%的電量。

圖3 車輛滿載對(duì)比

5 結(jié)論

針對(duì)目前電動(dòng)汽車能量回收策略單一，無法自適應(yīng)載重量變化較大從而造成駕駛性能和能量回收效率降低的情況，研究了一種提高駕駛性和能量回收效率的策略。本研究以汽車動(dòng)力學(xué)模型建立了預(yù)估車輛重量的模型，在滑行工況時(shí)，依照車重和道路坡度來確定不同的回饋扭矩系數(shù)，從而確定最終的目標(biāo)滑行回饋扭矩；在制動(dòng)工況，依據(jù)制動(dòng)深度百分比確定目標(biāo)減速度，然后依據(jù)預(yù)估車重和目標(biāo)減速度確定制動(dòng)回饋扭矩系數(shù)，從而確定最終的制動(dòng)回饋目標(biāo)扭矩。依據(jù)整車能力再進(jìn)行液壓制動(dòng)和電制動(dòng)的分配。通過實(shí)車對(duì)比驗(yàn)證，不僅提高了駕駛性，而且在一定程度上提高了能量回收率，節(jié)省了電量。

[1] 譚密.電動(dòng)汽車能量回收控制策略研究[D].十堰:湖北汽車工業(yè)學(xué)院,2018.

[2] 譚密,羅永革,黃兵峰,等.電動(dòng)汽車滑行工況能量回收規(guī)律探究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2017,31(4): 58-61.

[3] 孫慶樂,于海波,李賀龍,等.電動(dòng)汽車滑行工況能量回收策略探究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2020(2):1-5.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[5] 王浩.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制策略研究[D].沈陽:沈陽理工大學(xué),2020.

[6] 張洪威,段恒,穆凱寧,等.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)探究[J].工程技術(shù)研究,2018(13):74-75.

Analysis of Adaptive Energy Recovery Control for Electric Vehicles

WANG Chunsheng, WU Guangyao*, ZHOU Shenghui, LI Wei

( Product Planning and New Technology Research Institute, BYD Auto Industry Company Limited,Shenzhen 518118, China )

Research on adaptive energy recovery control of electric vehicles a strategy to improve driving performance and energy recovery efficiency is studied for the energy recovery condition of electric vehicles. Firstly, a model to estimate the vehicle weight is established based on the vehicle dynamics model. In the coasting condition, different feedback torque coefficients are determined according to the vehicle weight and road slope to determine the final target coasting feedback torque.In the braking condition, the target deceleration is determined according to the braking depth, and then the brake feedback torque coefficient is determined according to the estimated vehicle weight and target deceleration to determine the final brake feedback target torque, and then the hydraulic braking and electric braking are distributed according to the vehicle capacity.Through the comparison and verification of real vehicles, it not only improves the driving performance, but also improves the energy recovery rate to a certain extent and saves electricity.

Sliding feedback;Braking feedback;Vehicle weight estimation;Torque distribution;Electric vehicle;Energy recovery

U467

A

1671-7988(2022)23-25-04

U467

A

1671-7988(2022)23-25-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.005

王春生（1981—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌囌嚳刂葡到y(tǒng)策略制定、軟件開發(fā)與標(biāo)定、整車能量管理、整車仿真技術(shù)，E-mail:wang.chunsheng@byd.com。

吳光耀（1984—），男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉凑嚳刂破鬈浖_發(fā)，標(biāo)定匹配及軟件集成測(cè)試，E-mail:guangyao610@126.com。