制动能量回馈系统协调
控制精编版
MQS system office room 【MQS16H-TTMS2A-MQSS8Q8-MQSH16898】
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
Coordinated Control for Regenerative
Braking System
Zhang Junzhi, Zhang Pengjun, Luxin, Chen Xin
State Key Lab. of Automotive Energy and Safety, Tsinghua University, Beijing, China, 100084
Abstract: This paper presents a design of regenerative braking system(RBS) for hybrid electric vehicles using hierarchical control structure and method. The hierarchical model is mainly composed of three modules for driver intent identification, energy management and coordinated control based on components control. As a consequence, RBS, a complicated hybrid dynamic system, is successfully decomposed by several simple modules. The control system and strategies are carried out on a typical serial HEV bus, and tested on road based china typical urban cycle..
Key words: hybrid electric vehicles, regenerative braking system, hierarchical control structure, coordinated control
1 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
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。
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。
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。
