制动能量回馈系统协调控制

制动能量回馈系统协调控制张俊智，张鹏君，陆欣，陈鑫清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084【摘要】本文为混合动力电动汽车设计了分层控制的制动能量回馈系统，该分层结构主要包括驾驶员意图识别、能量管理和元件协调控制三个部分。分层控制结构的采用，将复杂的制动能量回馈系统简化为若干部分，降低了控制难度，为研究提供了便利。所设计的系统已在一款串联混合动力客车上实现，并根据中国城市公交循环工况进行了道路测试。【关键词】混合动力电动汽车，制动能量回馈系统，分层控制结构，协调控制CoordinatedControlforRegenerativeBrakingSystemZhangJunzhi,ZhangPengjun,Luxin,ChenXinStateKeyLab.ofAutomotiveEnergyandSafety,TsinghuaUniversity,Beijing,China,100084Abstract:Thispaperpresentsadesignofregenerativebrakingsystem(RBS)forhybridelectricvehiclesusinghierarchicalcontrolstructureandmethod.Thehierarchicalmodelismainlycomposedofthreemodulesfordriverintentidentification,energymanagementandcoordinatedcontrolbasedoncomponentscontrol.Asaconsequence,RBS,acomplicatedhybriddynamicsystem,issuccessfullydecomposedbyseveralsimplemodules.ThecontrolsystemandstrategiesarecarriedoutonatypicalserialHEVbus,andtestedonroadbasedchinatypicalurbancycle..Keywords:hybridelectricvehicles,regenerativebrakingsystem,hierarchicalcontrolstructure,coordinatedcontrol1介绍车辆的动能通过制动能量回馈系统可转化为其它形式能量储存起来，并进一步用于车辆驱动。研究显示，在城市驾驶循环中，发动机发出能量的大约1/3至1/2被制动过程所消耗[1，2]。因此，回馈制动是车辆提高燃油经济性并降低排放的有效方法，有助于缓解能源危机和环境污染。然而，回馈制动受到动力系统结构、电池电机特性等的限制，控制较为复杂。很多学者对此问题进行了研究和讨论。针对不同类型车辆，已经有多种控制策略与硬件结构被设计出来[3，4]，为进一步的研究提供了基础，同时也增加了深入研究此问题的难度。由汽车理论可知，制动能量回馈系统的控制问题可归结为三个目标：（1）辨识驾驶员的制动强度需求；（2）在车辆部件承受范围内以提高燃油经济性为目标分配制动功率，满足驾驶员制动需求；（3）根据制动功率分配命令协调控制制动系统元件，实现良好的驾驶感觉并施加合适的制动力。本文采用分层控制结构研究制动能量回馈系统，以清晰的层次满足上述三个目标。所设计的控制系统，包括驾驶员意图识别、能量管理和制动元件控制等功能，制动能量回馈系统被分解为若干功能单一的子模块。其中，在驾驶员意图识别、基线式能量管理策略方面相对以往有了新的发展。制动力切换过程控制算法及其他算法与策略已在一款串联混合动力电动客车上被调试、分析、优化和验证。控制系统与控制策略在该串联混合动力电动客车上的测试，基于中国城市公交循环工况。测试结果表明，分层协调是回馈制动控制的有效方法，可有效回收能量、实现较好制动感觉并保证制动安全。所提出的结构、方法与策略，经过细微修改就可适用于其他结构的混合动力电动汽车。2动力系统结构制动能量回馈系统研究的目标车型，其动力系统结构如图1所示。动力系统主要包括燃料转化器、电池、电机和整车控制器等。图1串联式混合动力电动汽车动力系统结构电池燃料转化器电力附件电机电机制动时，原制动系统与动力系统共同组成制动能量回馈系统。这时，电机处于发电状态，将车辆动能转化为电能储存于电池中或直接被车载用电器，如空调等消耗。合理的能量分配策略应在满足制动力需求的同时保护电池、电机等电力和机械部件。而最根本的意图，还是在保证上述条件的情况下回收尽可能多的制动能量。因此，能量的分配与流动不仅需要在制动过程中调整，还要在整个驾驶循环中调整。例如，燃料转化器，通常为燃料电池或内燃机，在制动时应控制在一定输出功率之内，并使电池保持在较高充电效率的SOC下，以增强能量回馈效果。3分层控制结构为清晰地研究制动能量回馈系统结构，系统选用了分层控制结构。系统各部分的功能与结构各不相同，每个部分的复杂程度较低，便于调试与改进，并有利于保证程序的可靠性与安全性。如上所述，系统的控制策略包括驾驶员意图识别、能量管理和制动元件控制三个部分。每一部分有各自的控制目标并根据驾驶员、车辆等的反馈进行控制。输入、输出信号都经过信号处理系统的处理。图2展示了制动能量回馈系统的控制系统结构。驾驶员意图识别能量管理控制策略动力系统协调控制需求目标驾驶员与车辆反馈部件与车辆反馈控制通讯信号处理输入输出通讯信号处理部件与车辆反馈图2制动能量回馈系统分层结构3.1驾驶员意图识别这一部分通过驾驶模式、加速踏板位置及变化速度、制动踏板位置及变化速度识别驾驶员的驱动或制动需求。对制动能量回馈系统而言，驾驶员意图识别的逻辑如图3所示。为了保证安全，在逻辑之中加入了判断程序，例如在档位为空档或加速、制动踏板同时踩下时，不进行回馈制动而只进行摩擦制动。回馈制动模式开始换档手柄在前进档？回馈制动力=0Y制动踏板0？N加速踏板=0？YY遛车状态回馈制动YNN正常回馈制动钥匙开关上3档？N图3驾驶员意图识别在这一部分中，根据加速踏板与制动踏板的位置，制动过程被分为两类，正常制动与紧急制动，ABS的状态也被用于判断制动过程的类型。当进行紧急制动时，电机的回馈制动被禁止，避免摩擦制动系统及其防抱死制动功能受到干扰。3.2能量管理策略在确定驾驶员意图之后，应采用合理的能量管理策略，在保证不损坏车辆元件的基础上实现最佳的燃油消耗。在制动时，电机工作在发电状态，将车辆动能转化为电能储存于电池或用于车载附件。能量转化器，如内燃机、燃料电池的功率应该受到限制，且电池SOC应被维持在充电效率较高的范围内。在本文所述的设计中，控制系统考虑车速、电池SOC、总线电压与电流、电机状态等对回馈制动与摩擦制动进行协调控制。其目的是在不损失制动性能的前提下尽可能回收制动能量。在后面的实验中，电池SOC分别调整到不同水平（30%和60%）进行对比，以寻找更好的燃油利用效率。燃料转化器在制动时也受到功率的限制，使电池能够更多地吸收制动能量。一种基线式能量管理策略被建立起来，如图4。βAPUpowerMaximumenergyabsorbedbybatteryandelectricequipmentsMaximumRBSpoweraccordingmotorVehiclespeedOAPUandmotorbrakingPowertime图4制动过程中的能量分配图4中的阴影部分是制动过程中辅助功率单元（APU，由燃料转化器和发电机组成）的目标功率。不同的SOC水平会导致制动过程中不同的APU目标功率。若APU目标功率为零或负值，则其没有为车辆提供能量，这种情况下电机提供的功率也要受到电池最大充电功率的限制。能量管理策略中，总线电流、电压等因素也被考虑，以实现燃油经济性和元件安全。3.3元件控制策略在控制策略中，电机、调节阀（用于调节摩擦制动）、辅助功率单元和防抱死制动系统之间都应进行协调。基本的逻辑是将总的制动力根据能量管理的目标进行分配。其关键技术是利用响应较快的电机补偿摩擦制动力。前、后轮制动力之间的分配也应合理，避免后轮先于前轮抱死的情况。当车轮有抱死趋势时，防抱死制动系统可有效控制摩擦制动力，防止危险发生。当电池SOC低于最佳充电效率区时，辅助功率单元也可通过为电池充电升高SOC。在制动力分配方面有三种策略，本文采用基于策略的规则进行描述。图5展示了这种策略在一款后轮电机驱动车辆上的实现。两种主要的回馈制动策略，串联策略和并联策略[6，7]，在本文中被详细设计以研究前述的控制系统。图5制动力分配在串联策略中，制动力分配曲线跟随图5中的粗实线。在OA段，减速度很小，电机回馈制动力足以满足制动需求。这时仅有后轮施加了制动力。在AB段，电机回馈制动力无法满足制动需求，需要前轮恢复摩擦制动力。在B点，前、后轮的制动力分配关系恢复到原摩擦制动系统的状态，故B点以后前后轮摩擦制动力随制动强度需求的增加而同时增加。另外一种串联策略，则完全按照理想的前后制动力分配曲线调节前后轮摩擦制动力和后轮回馈制动力。并联回馈策略，则如图5中的O-P曲线。回馈制动力直接施加在原摩擦制动力之上，不对摩擦制动力进行调节。回馈制动强度随着摩擦制动强度一起增长。4道路实验采用上述方法，为目标车型设计了控制策略。车辆在不同控制策略下根据中国城市公交循环工况进行了测试。中国城市公交循环工况用于测试实验车的燃料消耗，其目标车速如图6所示。其主要参数见表1。图6同时还展示了一组测试结果，目标车速与实际车速的差在3%以内。表1中国城市公交循环工况参数持续时间(s)1314距离(km)5.8平均车速(km/h)15.9最高车速(km/h)60最大加速度(m/s2)0.914最大减速度(m/s2)-1.543停止时间(s)381图6中国城市公交循环工况及测试结果表2中的结果表明，串联回馈制动策略在这类车上有更好的表现。在制动阶段，串联策略相比并联策略使用了更多的回馈制动。相比较而言，较低的电池SOC可使回馈效率提高，因为较低的SOC将使电池可充电的容积更大。表2中国城市公交循环工况测试结果SOC电机回馈能量/KJ能量回馈效率串联回馈制动策略30%635465.4%串联回馈制动策略60%594861.3%并联回馈制动策略30%210022.6%串联回馈制动策略的驾驶感觉也较好。如图7所示，车辆减速度根据制动踏板位置而变化。制动踏板力随着踏板位置变化而没有明显冲击，减速过程中车速（驱动电机转速）平稳下降。图7串联回馈制动策略下的测试结果5结论本文将制动能量回馈系统按照分层控制结构分解成若干部分，简化了研究的难度。提出的回馈制动策略与方法可在保证安全的前提下尽可能地回收制动能量，并有较好的制动感觉。下一步的研究之中，可以考虑全驾驶循环下的驱动与制动一体化策略，并研究制动能量回馈系统与防抱死制动系统、电子稳定程序的结合。参考文献1YinminGao,LipingChen,MehrdadEhsani.InvestigationoftheEffectivenessofRegenerativeBrakingforEVandHEV.SAEInternationalSP-1466.1999-01-2910.1999.2MehrdadEhsani,YiminGao,KarenLButler.ApplicationofElectricallyPeakingHybrid(ELPH)PropulsionSystemToAFullSizePassengerCarWithSimulatedDesignVerification.IEEETransactionOnVehicularTechnology.Vol.48,No.6,Nov.1999.3JieYao;ZaiminZhong;SunZechang.AFuzzyLogicBasedRegenerativeBrakingRegulationForaFuelCellBusVehicularElectronicsandSafety,2006.ICVE