考慮能量回收控制的新能源汽車串聯式制動系統

李奎 閆麗君 楊洪振

黃河交通學院，汽車工程學院 河南省焦作市 454950

1 引言

制動系統作為汽車行駛中必不可少的部分，對汽車的行駛安全與穩定具有重要意義。汽車制動系統能夠根據汽車的實際行駛情況，及時作出對應的響應，幫助汽車行駛更加穩定[1]。汽車制動系統具有多樣化特點，根據功能、能量傳輸方式不同，其種類與形式也不同[2]。汽車制動系統對于汽車行駛驅動機構的可靠性具有一定保障[3]。汽車制動系統在運行過程中，通常情況下，車輛的運動能量會發生一定的變化，運動能量會逐漸轉化為熱量，通過釋放作用釋放到大氣中[4]。隨著能量回收技術的不斷發展，如何將制動系統產生的熱能經過回收控制，轉變為汽車蓄電池的電能，進而提升車輛的續駛能力，是我國新能源汽車研究的重點問題。

朱波[5]等人建立并聯式制動能量回收系統模型，引入制動踏板開度修正系數，提出了一種制動能量回收轉矩的控制方法。該方法有效提高了能量回收效率，但也因此制約了汽車的續航能力的提升。

本研究在傳統汽車制動系統的基礎上，提出了新能源汽車串聯式制動系統的研究，引入能量回收控制技術，對系統的硬件與軟件進行優化設計，在保證新能源汽車行駛平穩性的同時，實現能量回收控制，提高新能源汽車的續駛能力與續駛里程。

2 系統硬件設計

本文設計的基于能量回收控制的新能源汽車串聯式制動系統采用C/S 硬件架構，具有良好的性能，能夠為制動系統內各個硬件的運行提供保障。制動系統采用ECU 控制器，作為系統的核心硬件，在車載網絡的連接下，能夠控制汽車運行的車載[6]。ECU控制器的運行示意圖，如圖1 所示。

圖1 ECU 控制器運行示意圖

本文選用了ECU 控制器的運行結構。系統的微處理器采用DSP 嵌入式數字信號處理器，內部集成數據存儲器、計數器與A/D 轉換器，微處理器的體積較小，且集成度較高，在運行中可靠性較高，能夠實現汽車行駛數據的大規模處理。系統的存儲器采用型號為S5850-24T16B 的存儲器，在汽車進行制動操作時，存儲器設備的能耗較少，能夠實現汽車行駛信息的同步操作，在制動系統簡化網絡和配置方面具有一定優勢。

系統內汽車的傾角傳感器采用SCA58T型號的傳感器，抗沖擊能力相對較強，用于測量系統內執行器施加給制動盤壓力的大小。然后根據汽車的實際行駛狀況，調整繼電器輸入邊的線圈形式，提高系統內電路的感性特性。在系統硬件中設置行星齒輪機構作為汽車減速裝置，整體結構較緊湊，在汽車沖擊與振動抵抗方面的能力較強，運行效率較高。

綜上所述，為本文設計的基于能量回收控制的新能源汽車串聯式制動系統中的硬件結構，能夠為制動系統的穩定運行提供基礎保障。

3 系統軟件設計

3.1 確定汽車動力源總功率

汽車動力源總功率在汽車串聯式制動系統中至關重要，是衡量新能源汽車動力性能的關鍵指標[7]。本文在汽車制動系統軟件設計中，首先通過系統計算，確定汽車動力源總功率，為能量回收控制的汽車串聯式制動系統提供參數依據。

汽車動力源總功率指標包括汽車的最高行駛速度、汽車的加速時間以及最大爬坡度[8]。首先，根據汽車行駛的最高速度確定動力源總功率，計算公式為：

其中，rη表示新能源汽車的動力源系數；m表示新能源汽車的整備質量；g表示新能源汽車的重力加速度；f表示新能源汽車的滾動阻力系數；umax表示新能源汽車行駛的最高車速；CD表示汽車行駛過程中的空氣阻力系數；A表示汽車行駛中受到的迎風面積。汽車最大爬坡度動力源總功率的計算公式為：

其中，amax表示新能源汽車行駛過程中的最大爬坡角；ua表示當新能源汽車達到最大爬坡度時對應的穩定車速。汽車加速時間動力源總功率計算公式為：

其中，δ表示新能源汽車旋轉質量轉換系數；u表示新能源汽車在加速過程中產生的瞬時車速；表示新能源汽車行駛的加速度。

綜合上述計算公式，系統能夠獲取到新能源汽車在行駛過程中的動力源總功率，根據動力源總功率的變化情況，為后續制動系統的能量回收控制奠定基礎。

3.2 基于串聯式制動策略設計協調控制層

在設計系統協調控制層時，應當綜合考慮串聯式制動控制策略，實現協調控制層切換制動模式的目標。

本文系統協調控制層中包括ESP 控制模塊，可以實時監測新能源汽車行駛中潛在的故障點。協調控制層中的控制器通過實時接收上層控制器發送的汽車制動期望壓力信號，對上層控制器的運行模式進行指令切換操作。根據制動系統各個執行器發出的動作指令，進行新能源汽車串聯式制動操作，本文設計的新能源汽車串聯式制動策略，如圖2 所示。

圖2 串聯式制動策略示意圖

通過該制動策略，系統能夠快速地判斷出汽車行駛過程中存在的問題。通常情況下，汽車行駛出現異常的原因主要包括：汽車壓力源部分故障、汽車輪缸電磁閥的制動管路故障，以及新能源汽車的車載電源出現異常等[9]。根據不同的故障類型，系統的協調控制層能夠采用對應的切換指令，在系統非制動的工況下，過渡ESP 控制模塊，避免制動時減速度波動范圍較大，導致不利于檢測輪缸壓力傳感器運行效果的情況發生[10]。

綜上所述，基于串聯式控制策略的協調控制層設計，能夠根據汽車實際的行駛情況，不斷切換對應的控制指令，對系統接管制動控制具有一定的幫助。

3.3 基于能量回收控制的汽車制動力分配設計

在新能源汽車制動系統中，汽車行駛制動力的合理分配至關重要，與汽車能量回收控制具有直接關聯。本文結合約束優化與能量回收控制的原理，對汽車制動力分配模塊進行了全方位地設計。首先，通過EMB 控制模塊獲取汽車行駛過程中平面的受力情況，并對受力情況進行具體地分析，得出汽車車輪的側向力與縱向力[11]。根據車輪的側向力與縱向力結果，采用反饋控制的方式，減少車輪側向力變化給制動力分配帶來的控制誤差[12]。汽車制動力控制分配的縱向力計算公式為：

其中，Fu d表示汽車制動力控制分配的縱向力；M f表示制動力控制效率矩陣參數；u cf表示汽車車輪的初始縱向力。

在此基礎上，對分配控制的縱向力結果進行松弛處理，降低制動力期望目標的跟隨誤差。設置汽車車輪縱向力分配的可行域，結合車輪摩擦圓的約束作用，對系統內的制動執行器進行約束處理，保證車輪縱向力分配可行域的穩定。在系統制動力輪間分配時，控制制動力分配模塊的執行效率。在制動力分配模塊中布設可行點，實時記錄在對制動力分配控制時，可行點的迭代變化，再根據可行點的迭代次數，調節汽車輪胎的目標附加橫擺力矩效率。接下來，針對制動系統對新能源汽車的制動過程進行設計：

1）系統收到視覺信號后作出動作反應；

2）系統內的制動器發出警報，此時車速不發生變化；

3）系統持續制動階段，制動系統開始制動汽車車輪，此時，車輪輪速持續降低，直至抱死；

4）汽車車輪抱死直至停止，此時，系統針對路面的制動力保持不變，通過不斷調節路面附著系數，將汽車運動的能量轉化為熱量，實現在有限距離內制動汽車目標的同時，將制動系統產生的熱能經過回收控制，轉變為汽車蓄電池的電能，進而提升新能源汽車的續駛能力。

系統的汽車制動力分配模塊通過對車輪滑移率與路面附著系數進行模擬計算，得出新能源汽車在整個制動過程中的最佳滑移率。

4 系統測試

4.1 測試準備

為了對本文提出的基于能量回收控制的新能源汽車串聯式制動系統的可行性作出進一步客觀分析，進行了如下文所示的系統測試。首先，搭建適合本文設計系統運行的試驗臺。搭建的試驗臺的組成及其對應功能設置，如表1 所示。

表1 試驗臺各個部分組成及對應功能

本次測試選取10 輛性能不同的新能源汽車，分別獲取每輛汽車的行駛狀態與數字量輸出形式，設置系統內目標機的采樣時間為1.5s，實時記錄系統內傳感器的電壓信號轉化情況。

根據汽車行駛過程中的制動需求，綜合考慮電機的制動轉矩，實時調節系統內各個車輪的氣壓制動轉矩，對車輪制動力矩進行合理分配，進而提高汽車行駛的穩定性與安全性。由系統內的制動計算模塊，根據制動踏板的位移與速度變化，判斷車輛行駛是否需要啟動緊急制動或常規制動。

設定新能源汽車電機的再生制動力矩，結合緊急制動策略，實時監測汽車行駛中各個車輪的滑移率變化，當汽車滑移率的變化較大時，系統自動采用滑模控制的方式，進行車輪的防抱死控制，滿足汽車駕駛員制動需求的同時，實現能量回收的最大化控制。

4.2 結果分析

為了更加清晰地獲取本文設計系統的應用效果，將本文設計的基于能量回收控制的汽車串聯式制動系統與并聯式汽車制動系統進行對比，設置汽車的行駛車速為110 km/h，對比汽車在不同工況行駛下，兩種制動系統對車速的制動效果，如表2 所示。

表2 兩種制動系統車速制動結果對比

根據表2 的實驗結果可知，在兩種汽車制動系統中，本文提出的基于能源回收控制的串聯式制動系統，在不同行駛工況下，車速制動優勢明顯，與并聯式汽車制動系統相比，能在短時間內實現快速制動車速的目標，進而達成提升汽車續航能力的最終目的。

5 結束語

本文在傳統制動系統的基礎上，引入能量回收控制原理，提出了全新的制動系統設計。通過本文的研究設計，有效地提高了制動系統的運行質量，降低了汽車制動過程中，車速降低過快對其他元件運行產生的影響，當汽車在行駛過程中出現異常，制動系統能夠及時作出響應，在汽車車速制動效果方面存在明顯優勢，也對汽車續航能力的提升作出了一定的貢獻。