考虑能量回收控制的新能源汽车串联式制动系统

李奎 闫丽君 杨洪振

黄河交通学院，汽车工程学院 河南省焦作市 454950

1 引言

制动系统作为汽车行驶中必不可少的部分，对汽车的行驶安全与稳定具有重要意义。汽车制动系统能够根据汽车的实际行驶情况，及时作出对应的响应，帮助汽车行驶更加稳定[1]。汽车制动系统具有多样化特点，根据功能、能量传输方式不同，其种类与形式也不同[2]。汽车制动系统对于汽车行驶驱动机构的可靠性具有一定保障[3]。汽车制动系统在运行过程中，通常情况下，车辆的运动能量会发生一定的变化，运动能量会逐渐转化为热量，通过释放作用释放到大气中[4]。随着能量回收技术的不断发展，如何将制动系统产生的热能经过回收控制，转变为汽车蓄电池的电能，进而提升车辆的续驶能力，是我国新能源汽车研究的重点问题。

朱波[5]等人建立并联式制动能量回收系统模型，引入制动踏板开度修正系数，提出了一种制动能量回收转矩的控制方法。该方法有效提高了能量回收效率，但也因此制约了汽车的续航能力的提升。

本研究在传统汽车制动系统的基础上，提出了新能源汽车串联式制动系统的研究，引入能量回收控制技术，对系统的硬件与软件进行优化设计，在保证新能源汽车行驶平稳性的同时，实现能量回收控制，提高新能源汽车的续驶能力与续驶里程。

2 系统硬件设计

本文设计的基于能量回收控制的新能源汽车串联式制动系统采用C/S 硬件架构，具有良好的性能，能够为制动系统内各个硬件的运行提供保障。制动系统采用ECU 控制器，作为系统的核心硬件，在车载网络的连接下，能够控制汽车运行的车载[6]。ECU控制器的运行示意图，如图1 所示。

图1 ECU 控制器运行示意图

本文选用了ECU 控制器的运行结构。系统的微处理器采用DSP 嵌入式数字信号处理器，内部集成数据存储器、计数器与A/D 转换器，微处理器的体积较小，且集成度较高，在运行中可靠性较高，能够实现汽车行驶数据的大规模处理。系统的存储器采用型号为S5850-24T16B 的存储器，在汽车进行制动操作时，存储器设备的能耗较少，能够实现汽车行驶信息的同步操作，在制动系统简化网络和配置方面具有一定优势。

系统内汽车的倾角传感器采用SCA58T型号的传感器，抗冲击能力相对较强，用于测量系统内执行器施加给制动盘压力的大小。然后根据汽车的实际行驶状况，调整继电器输入边的线圈形式，提高系统内电路的感性特性。在系统硬件中设置行星齿轮机构作为汽车减速装置，整体结构较紧凑，在汽车冲击与振动抵抗方面的能力较强，运行效率较高。

综上所述，为本文设计的基于能量回收控制的新能源汽车串联式制动系统中的硬件结构，能够为制动系统的稳定运行提供基础保障。

3 系统软件设计

3.1 确定汽车动力源总功率

汽车动力源总功率在汽车串联式制动系统中至关重要，是衡量新能源汽车动力性能的关键指标[7]。本文在汽车制动系统软件设计中，首先通过系统计算，确定汽车动力源总功率，为能量回收控制的汽车串联式制动系统提供参数依据。

汽车动力源总功率指标包括汽车的最高行驶速度、汽车的加速时间以及最大爬坡度[8]。首先，根据汽车行驶的最高速度确定动力源总功率，计算公式为：

其中，rη表示新能源汽车的动力源系数；m表示新能源汽车的整备质量；g表示新能源汽车的重力加速度；f表示新能源汽车的滚动阻力系数；umax表示新能源汽车行驶的最高车速；CD表示汽车行驶过程中的空气阻力系数；A表示汽车行驶中受到的迎风面积。汽车最大爬坡度动力源总功率的计算公式为：

其中，amax表示新能源汽车行驶过程中的最大爬坡角；ua表示当新能源汽车达到最大爬坡度时对应的稳定车速。汽车加速时间动力源总功率计算公式为：

其中，δ表示新能源汽车旋转质量转换系数；u表示新能源汽车在加速过程中产生的瞬时车速；表示新能源汽车行驶的加速度。

综合上述计算公式，系统能够获取到新能源汽车在行驶过程中的动力源总功率，根据动力源总功率的变化情况，为后续制动系统的能量回收控制奠定基础。

3.2 基于串联式制动策略设计协调控制层

在设计系统协调控制层时，应当综合考虑串联式制动控制策略，实现协调控制层切换制动模式的目标。

本文系统协调控制层中包括ESP 控制模块，可以实时监测新能源汽车行驶中潜在的故障点。协调控制层中的控制器通过实时接收上层控制器发送的汽车制动期望压力信号，对上层控制器的运行模式进行指令切换操作。根据制动系统各个执行器发出的动作指令，进行新能源汽车串联式制动操作，本文设计的新能源汽车串联式制动策略，如图2 所示。

图2 串联式制动策略示意图

通过该制动策略，系统能够快速地判断出汽车行驶过程中存在的问题。通常情况下，汽车行驶出现异常的原因主要包括：汽车压力源部分故障、汽车轮缸电磁阀的制动管路故障，以及新能源汽车的车载电源出现异常等[9]。根据不同的故障类型，系统的协调控制层能够采用对应的切换指令，在系统非制动的工况下，过渡ESP 控制模块，避免制动时减速度波动范围较大，导致不利于检测轮缸压力传感器运行效果的情况发生[10]。

综上所述，基于串联式控制策略的协调控制层设计，能够根据汽车实际的行驶情况，不断切换对应的控制指令，对系统接管制动控制具有一定的帮助。

3.3 基于能量回收控制的汽车制动力分配设计

在新能源汽车制动系统中，汽车行驶制动力的合理分配至关重要，与汽车能量回收控制具有直接关联。本文结合约束优化与能量回收控制的原理，对汽车制动力分配模块进行了全方位地设计。首先，通过EMB 控制模块获取汽车行驶过程中平面的受力情况，并对受力情况进行具体地分析，得出汽车车轮的侧向力与纵向力[11]。根据车轮的侧向力与纵向力结果，采用反馈控制的方式，减少车轮侧向力变化给制动力分配带来的控制误差[12]。汽车制动力控制分配的纵向力计算公式为：

其中，Fu d表示汽车制动力控制分配的纵向力；M f表示制动力控制效率矩阵参数；u cf表示汽车车轮的初始纵向力。

在此基础上，对分配控制的纵向力结果进行松弛处理，降低制动力期望目标的跟随误差。设置汽车车轮纵向力分配的可行域，结合车轮摩擦圆的约束作用，对系统内的制动执行器进行约束处理，保证车轮纵向力分配可行域的稳定。在系统制动力轮间分配时，控制制动力分配模块的执行效率。在制动力分配模块中布设可行点，实时记录在对制动力分配控制时，可行点的迭代变化，再根据可行点的迭代次数，调节汽车轮胎的目标附加横摆力矩效率。接下来，针对制动系统对新能源汽车的制动过程进行设计：

1）系统收到视觉信号后作出动作反应；

2）系统内的制动器发出警报，此时车速不发生变化；

3）系统持续制动阶段，制动系统开始制动汽车车轮，此时，车轮轮速持续降低，直至抱死；

4）汽车车轮抱死直至停止，此时，系统针对路面的制动力保持不变，通过不断调节路面附着系数，将汽车运动的能量转化为热量，实现在有限距离内制动汽车目标的同时，将制动系统产生的热能经过回收控制，转变为汽车蓄电池的电能，进而提升新能源汽车的续驶能力。

系统的汽车制动力分配模块通过对车轮滑移率与路面附着系数进行模拟计算，得出新能源汽车在整个制动过程中的最佳滑移率。

4 系统测试

4.1 测试准备

为了对本文提出的基于能量回收控制的新能源汽车串联式制动系统的可行性作出进一步客观分析，进行了如下文所示的系统测试。首先，搭建适合本文设计系统运行的试验台。搭建的试验台的组成及其对应功能设置，如表1 所示。

表1 试验台各个部分组成及对应功能

本次测试选取10 辆性能不同的新能源汽车，分别获取每辆汽车的行驶状态与数字量输出形式，设置系统内目标机的采样时间为1.5s，实时记录系统内传感器的电压信号转化情况。

根据汽车行驶过程中的制动需求，综合考虑电机的制动转矩，实时调节系统内各个车轮的气压制动转矩，对车轮制动力矩进行合理分配，进而提高汽车行驶的稳定性与安全性。由系统内的制动计算模块，根据制动踏板的位移与速度变化，判断车辆行驶是否需要启动紧急制动或常规制动。

设定新能源汽车电机的再生制动力矩，结合紧急制动策略，实时监测汽车行驶中各个车轮的滑移率变化，当汽车滑移率的变化较大时，系统自动采用滑模控制的方式，进行车轮的防抱死控制，满足汽车驾驶员制动需求的同时，实现能量回收的最大化控制。

4.2 结果分析

为了更加清晰地获取本文设计系统的应用效果，将本文设计的基于能量回收控制的汽车串联式制动系统与并联式汽车制动系统进行对比，设置汽车的行驶车速为110 km/h，对比汽车在不同工况行驶下，两种制动系统对车速的制动效果，如表2 所示。

表2 两种制动系统车速制动结果对比

根据表2 的实验结果可知，在两种汽车制动系统中，本文提出的基于能源回收控制的串联式制动系统，在不同行驶工况下，车速制动优势明显，与并联式汽车制动系统相比，能在短时间内实现快速制动车速的目标，进而达成提升汽车续航能力的最终目的。

5 结束语

本文在传统制动系统的基础上，引入能量回收控制原理，提出了全新的制动系统设计。通过本文的研究设计，有效地提高了制动系统的运行质量，降低了汽车制动过程中，车速降低过快对其他元件运行产生的影响，当汽车在行驶过程中出现异常，制动系统能够及时作出响应，在汽车车速制动效果方面存在明显优势，也对汽车续航能力的提升作出了一定的贡献。