电动汽车制动能量回收控制系统和策略研究

摘要：作为新能源汽车的核心功能，能量回收对汽车的制动系统提出了新的要求。基于对同行线控制动系统产品的分析，文章设计了一款新型电子制动助力器，并从整车层面构建了电动汽车的制动能量回收控制系统，该系统包括电子制动助力器、整车控制器、电池管理器、电机控制器、防抱死制动系统（ABS）和电子稳定性控制系统（ESC）。利用Matlab/Simulink软件，以整车目标制动力、电池荷电状态（SOC）、车速和驱动电机状态参数为输入变量，以目标液压制动力和目标电机制动力为输出变量，搭建了制动能量回收控制策略模型，并将其嵌入AVL Cruise整车模型，进行联合仿真分析。仿真结果表明，控制策略具有良好的制动能量回收效果，新欧洲驾驶循环（NEDC）工况下的能量回收率达到12.8%，续驶里程贡献度达到15%。文章的研究可以为电动汽车的线控制动系统产品及其能量回收控制系统的开发提供参考。

近年来，新能源汽车行业得到了世界多国政府的政策扶持。在政策导向下，新能源汽车的发展逐步迈入快速成长期。新能源汽车的发展对制动系统提出了新的需求，制动能量回收是新能源汽车制动系统的核心功能之一。

制动能量回收是指汽车在制动减速过程中，电机切换到发电机的工作状态，汽车的动能转化为电能存储到动力电池等储能装置中，同时电机产生的反向力矩作为制动力矩对汽车进行制动。制动能量回收是提高电动汽车续驶里程的重要手段。在行驶期间，车辆有大量的能量被消耗在制动过程中，这部分能量以热量的形式耗散，未得到充分的回收利用。研究表明，世界各地典型城市工况下，车辆在制动过程中消耗的能量占驱动能量的比例普遍达到 60%左右。使用制动能量回收功能，一方面可以在同等电池电量的情况下，增加汽车的续驶里程，降低单位里程的耗电量，改善整车的能量经济性，另一方面可以减轻汽车刹车机构的负荷，减缓刹车的磨损，延长刹车的使用寿命。

在汽车电动化和智能化的背景下，线控制动正成为新能源汽车的主流制动系统。国内外汽车零部件厂商纷纷开发了各自的线控制动系统产品，其中有代表性的是博世的TWOBOX，该产品由电子制动助力器（ibooster）和ESC-hev组成，具备制动能量回收功能。根据制动能量回收的要求，本文设计了一款线控制动产品，并在此基础上开发了电动汽车的制动能量回收控制系统和控制策略。

1 线控制动系统产品设计

传统的汽车制动系统结构无法满足制动能量回收的要求，需要进行重新设计。目前，较成熟的技术方案是博世的TWOBOX，该产品利用ESC- hev调节制动液压，配合电子制动助力器（ibooster）实现制动能量回收。其他的方案包括采用双制动主缸、在制动回路中额外设置蓄能器和增加电子制动助力器空行程。在博世的方案中，需要联合使用其ibooster和ESC hev这两个产品才能实现能量回收功能；双制动主缸和增设蓄能器的方案对原有制动回路的改造较大，且对安装位置的要求较高；增加电子制动助力器空行程的方案则会影响用户的使用体验和行车安全。

基于对同行产品的分析，本文设计了一款电子制动助力器（Qbooster），样件外观见图1。如图2和图3所示，产品的结构主要包括油壶、制动主缸缸体、储液腔、电磁阀、控制器、助力电机、齿轮、丝母、丝杆、出力杆、输入杆、推杆和行程传感器等。输入杆通过连接机构与制动踏板相连以传递制动意图，而与出力杆之间无机械连接。

图1 Qbooster样件实物图

当制动踏板被踩下时，输入杆带动推杆移动，行程传感器感应到位移而生成相应的信号。控制器根据行程传感器的信号，决策出助力电机应当输出的扭矩，再将相应的控制信号发送到助力电机，控制电机动作。助力电机通过齿轮机构带动丝母转动，推动丝杆前进，从而带动出力杆，推动制动主缸活塞加压，产生制动所需的液压力。在控制器电信号的控制下，可对制动液压进行主动地调节。当需要增加制动液压时，控制器控制助力电机正转推动制动主缸加压；当需要减压时，助力电机反转释放压力。

图2 Qbooster三维爆炸图

图3 Qbooster内部结构图

该产品通过制动主缸自带储液腔和电磁阀的方式实现制动系统解耦，无需对原有制动系统回路进行其他改动，即可配合整车实现制动能量回收（图4）。储液腔由活塞、弹性体和端盖构成，设计储液压力低于常规制动液压。踩下制动踏板时，在助力电机的推动下，制动主缸中的液压升高，同时车辆接收到制动需求，判断是否需要进行能量回收。进行能量回收时，控制器控制制动主缸上的电磁阀打开，将储液腔接入液压回路，制动液经电磁阀流入储液腔。在储液腔的分流作用下，制动回路的液压上升幅度很小，不产生液压制动力，此时车辆的制动力由驱动电机提供；不进行能量回收时，制动主缸上的电磁阀关闭，将储液腔隔离，制动液经ABS/ESC进入制动轮缸，产生液压制动力。

图4 制动系统结构示意图

2 制动能量回收控制系统设计

基于电子制动助力器（Qbooster），从整车层面设计了电动汽车的制动能量回收控制系统（图5），该控制系统包括电子制动助力器、整车控制器、电池管理器、电机控制器、ABS或ESC，组件之间通过控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）线进行通讯连接。当驾驶员踩下制动踏板，电子制动助力器上的踏板行程传感器生成踏板行程信号，得到驾驶员制动需求，即整车目标制动力。整车控制器根据驾驶员制动需求、车速、电池状态参数和驱动电机状态参数，通过算法计算，得到电机目标制动力值和整车目标液压制动力值。电机控制器获取电机目标制动扭矩，并控制驱动电机输出相应的扭矩。电子制动助力器获取整车目标液压制动力值并提供相应的制动液压。

图5 制动能量回收控制系统结构示意图

3 制动能量回收控制策略设计

电动汽车的制动能量回收过程受到车速、制动力大小、动力电池状态和驱动电机状态等多重因素的影响。车速较低时，为提高行驶稳定性，应减少电机制动的参与；电池SOC过高或过低时，为保护电池，也应减少电机制动；大强度紧急制动时，为提高制动安全性，应关闭电机制动。本文通过Matlab/Simulink软件搭建了制动能量回收控制策略模型，表1为模型的输入输出接口定义，图6为模型的制动模块。

表1 控制策略模型接口定义

图6 制动控制策略模型

图7 电机制动力分配策略图

控制策略根据输入的整车目标制动力、电池SOC和车速，经过模糊控制算法计算，输出电机制动力分配系数。电机制动力分配策略如图7所示。将电机制动力分配系数与整车目标制动力值相乘得到电机目标制动力计算值。再将电机目标制动力计算值与电机当前可提供的最大制动力值进行比较，若电机目标制动力计算值小于电机当前可提供的最大制动力值，则电机目标制动力等于电机目标制动力计算值，否则电机目标制动力等于电机当前可提供的最大制动力值。整车目标液压制动力值等于整车目标制动力值减去电机目标制动力值。

4 制动能量回收控制策略仿真分析

结合某主机厂车型的车辆参数（表2），基于AVL Cruise仿真软件，完成车辆传动系统、制动系统、驱动电机和动力电池等模块的建模，建立整车仿真模型（图8）。将通过Matlab/Simulink搭建的控制策略模型嵌入整车模型，建立联合仿真平台。仿真计算模式设定为SOC目标模式（SOC Target），SOC的变化范围设定为98%～5%，仿真算法设定为FSS Bogacki/Shampine。选取NEDC和FTP75作为试验循环的工况条件，对控制策略的制动能量回收效果进行验证和评价。NEDC和FTP75工况的对比如图9所示，可以看到，NEDC工况是恒速和恒加减速的结合，速度变化较为平缓，而FTP75为瞬态工况，加减速更频繁，对电池能量的消耗更大。

图8 整车模型

图9 仿真试验工况

表2 车辆基本参数

制动能量回收效果通过能量回收率和续驶里程贡献度指标进行评价。其中，能量回收率ηreg（%）是指在给定的试验工况下，由再生制动系统回收并输入至蓄电池的能量Ein（kJ）与蓄电池消耗输出的能量Eout（kJ）之间的比值；续驶里程贡献度δreg（%）是指在给定的循环工况和电池能量下，车辆开启制动能量回收时的行驶里程Sreg_on（m）相比关闭制动能量回收时行驶里程Sreg_off（m）所增加的百分比。两者的计算公式如下：

 （1）

 （2）

图10为仿真试验中电池能量输出和能量输入的变化曲线。由图可知，带制动能量回收时，电池有能量输入，而无制动能量回收时的电池能量输入为零，在相同的电池SOC变化下，带制动能量回收时的电池累积能量输出相比无制动能量回收时的要高，这表明本文设计的控制策略可以有效地回收制动能量。

循环工况仿真试验结果详见表3。仿真结果显示，NEDC工况下的能量回收率达到12.8%，续驶里程贡献度达到15%；FTP75工况下的能量回收率达到11.2%，续驶里程贡献度达到12.7%。仿真结果表明本文的控制策略具有良好的制动能量回收效果。

图10 仿真试验电池能量输出和输入变化

表3 仿真试验结果

5 结论

基于对同行线控制动系统产品的分析，本文设计了一款具备能量回收功能的电子制动助力器，并从整车层面搭建了电动汽车的制动能量回收控制系统和控制策略模型。通过Matlab/Simulink与AVL Cruise的联合仿真分析，表明设计的控制策略具有良好的制动能量回收效果。

作者：葛柳钦，林国贤，邱宝象，俞小莉

来源：1.万向钱潮股份公司.2.浙江大学能源工程学院