电动汽车能量回馈的整车控制
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[ 摘要 ] 以 4 种典型循环工况为例对电动汽车进行能量分析 ,设计了基于常规汽车制动系统的整车能量回馈控 制方式 ,研究了控制策略 ,完成了车辆道路试验与标定优化 。试验表明 ,整车能量回馈控制方式与控制策略安全 、可 靠 ,且柔顺性良好 ;利用能量回馈技术 ,蓄电池能量消耗可减少 10 % ,能有效延长电动汽车的一次充电续驶里程 。
方式 方式描述 传感器输入
信号 影响参数 适用工况 硬件要求
控制方法
方式 1 [ 3 ,4 ]
方式 2
根据 制 动 踏 板 行 程 、制 手动 挡 位 启 用/ 停 止 能
动液 压 、车 速 复 合 作 用 量回馈的控制方式
的控制方式
制动 踏 板 行 程 信 号 、主 手动 挡 位 信 号 , 车 速 信 制动 油 缸 液 压 信 号 、车 号
界条件 。CB P 、CMO TOR 、CVEHICL E 分别为 0 ～ 1 之间的
数值 ,表征各自子系统的故障程度 ; Cvss 在实际车速 满足能量回馈的车速条件 、且实际回馈能量满足其
边界条件时 ,取值为 0 ,否则取值为 1 。
因此 ,当 CS ≥1 时说明系统故障严重或车辆行 驶状态不允许实施能量回馈 ;当 CS = 0 时表示系统 无任何故障 ;当 CS 为 0 ～ 1 之间的数值时表示系统 存在着相应程度的故障 。
411 柔顺性控制 在车辆制动工况 ,能量回馈对车辆产生的辅助
制动力矩将影响制动踏板感觉与驾驶柔顺性 ,需对 制动能量回馈力矩的大小进行优化控制 。为此 ,在 控制 策 略 中 根 据 车 速 vSS 设 定 了 2 个 评 判 因 子 d vSS / d t 与 d2 vSS / d t2 , 通过动态调节制动能量回馈 力矩的大小 ,确保实施能量回馈作用后的制动加速 度 、加速度变化率趋势与原车制动的效果相近 ,从而 使在能量回馈作用时的制动感觉与常规汽车相近 。
器信号判断制动力总需 能量回馈辅助力矩的大
求 ,通过对能量回馈辅 小 ,充电电流的强度根
助制动力矩与机械制动 据 车 速 、动 力 蓄 电 池
力矩 的 合 理 分 配 , 可 使 SOC 状 态 等 因 素 而 作
过渡柔和 ,但系统复杂 。 用 。
综合考虑表 1 中 2 种能量回馈控制方式 ,结合 样车的实际情况 ,作者设计了在原车制动系的基础 上 ,利用制动信号与车速信号复合作用的控制方式 , 其原理如图 2 所示 。
在图 2 中 ,制动踏板提供制动信号 ,信号传递到 整车控制模块 ,整车模块根据车辆运行状况及其它 控制模块的状态 ,决定是否进行制动能量回馈 ,并分 配能量回馈辅助制动力矩的大小 。
车辆在高速滑行或下坡滑行时 ,具有极大的动 能 ,许多情况下驾驶员都会通过踩下制动踏板对车
4 能量回馈的控制策略
能量回馈控制策略直接影响了能量回馈效率 、 制动安全性 、驾驶感觉等 ,是作者提出的基于常规汽 车制动系统的能量回馈控制方式的核心技术 ,需要 综合考虑各种因素 。
程控制 。电动汽车的能量回馈控制由整车控制与电 机控制交互作用而实现 ,作者在电动汽车制动能量 分析的基础上 ,设计一种能量回馈的整车控制方式 , 并进行相应控制策略的研究 。
2 制动能量分析
为了进行电动汽车能量回馈控制 ,需首先探明 其在各种用途中的制动能量回馈潜力 。作者分别以 美国 F TP 工况 、高速公路 HFET 工况 、欧洲城市循 环 ECE2EUDC 工况和日本 J P1015 4 种循环工况为 例 ,进行制动能量的分析 。
在图 2 所示的回馈控制方式中 ,制动力矩实际 包含机械制动力矩与能量回馈辅助制动力矩 。由于 机械制动力矩由制动踏板行程决定 ,能量回馈控制 系统无法干预 。因此 ,如何在这样的系统约束条件 下获得最高能量回馈效率 ,同时确保制动安全性以 及过程过渡的柔顺性 ,是能量回馈控制策略的设计 要点 。图 3 是基于该控制方式的能量回馈策略基本 逻辑 。在该控制逻辑中 ,将能量回馈辅助制动力矩 (简称回馈力矩) 设计为车速的函数 ,车辆当前的运 行状态经过回馈模式辨识器实时判断是否进入能量 回馈控制过程以及是制动能量回馈模式还是滑行能 量回馈模式 。在能量回馈控制过程中 ,制动能量回 馈力矩的允许值由柔顺控制模块实时确定 ,滑行能 量回馈力矩的允许值由柔顺控制模块与效率动态寻
速信号
蓄电池 SOC 水平 、电压 、蓄电池 SOC 水平 、电压 、
温度 、电机状态 …… 温度 、电机状态 ……
车辆制动工况
车辆滑行工况
加装制动踏板行程传感 增加手动挡位
器 、主 制 动 油 缸 液 压 传
感器
根据制动踏板行程传感 由驾驶员手动启用或停
器 、制 动 油 缸 液 压 传 感 止滑 行 能 量 回 馈 充 电 ,
[ Abstract] The energy consumption in four typical vehicle testing cycles ( FTP , HWEFT , ECE2EUDC and J P1015) is analyzed for EV. Based on the traditional vehicle braking system , a new regenerative braking scheme and its control strategy are designed. The road testing , calibration and optimization are performed. Test results show that the control scheme and strategy is safe , reliable. Using the regenerating scheme , the energy consumption of battery can re2 duce by 10 percent and the driving range of EV in one charge can increase effectively.
4 种循环工况的驱动与制动能量如图 1 所示 , 可见在这 4 种循环工况中 ,制动能量都占了不小的 比例 ,其中 J P1015 工况为 2517 % , ECE2EUDC 工况 为 18 % ,HFET 工况为 6 % ,F TP 为 25 %。
回馈能量还与制动方式和回馈系统各环节的效 率因子有关[2 ] 。电动汽车的制动方式包括 :电气制
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
·26 ·
汽 车 工 程 2005 年 (第 27 卷) 第 1 期
优模块共同确定 ,实际能量回馈力矩的有/ 无及大小 受系统安全性约束条件的限制 。
在实际系统中 ,还涉及许多其它控制参数 ,各控制参 数可通过标定工具随车在线标定与优化 。
412 能量回馈效率寻优 在车辆制动能量回馈工况中 ,保持制动踏板的感
觉及驾驶柔顺性是首先要考虑的 ,而对于滑行工况能 量回馈 ,效率与加强柔顺性须首先考虑、同时兼顾。
能量回馈效率的优化是个动态寻优过程 ,不仅 需使电机发电效率 、逆变器工作效率 、动力蓄电池充
因此 ,图 2 控制方式同时具备目前电动汽车能 量回馈的 2 种控制方式的功能 ,通用性较强 。控制 机构简单 ,对常规汽车的制动系统无需改动 ,实施方 便 ,可普遍适用于各类电动汽车 。
3 能量回馈的控制方式
目前 ,电动汽车能量回馈的整车控制主要有 2 种方式 ,见表 1 。
表 1 电动汽车能量回馈控制方式
2005 年
(第 27 卷)
第1期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2005 (Vol. 27) No. 1
2005005
电动汽车能量回馈的整车控制
张 毅 , 杨 林 , 朱建新 , 冒晓建 , 卓 斌
(上海交通大学汽车电子研究所 ,上海 200030)
原稿收到日期为 2003 年 12 月 29 日 ,修改稿收到日期为 2004 年 3 月 8 日 。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
2005 年 (第 27 卷) 第 1 期 汽 车 工 程
·25 ·
图 1 4 种典型工况的能量分析
动 、机械制动或两者同时作用的复合制动 ,其中机械 制动会导致一部分制动能量以热量的形式散失掉 。 能量回馈系统各个环节的效率因子主要包括逆变器 的效率 、电机的效率 、蓄电池的充电效率等 。
辆实现机械制动 ,达到缩短滑行距离或限制车速的 目的 ,但这部分动能以热量的形式被散失掉了 。采 用图 2 所示的控制方式 ,还可方便地实现在车辆处 于滑行状态时的滑行能量回馈 。
电效率均处于高效区 ,而且还与车辆动力学有关 ,同 时还必须满足车辆控制实时性的要求 。因此 ,算法 非常复杂 。限于篇幅 ,将另文介绍这部分内容 。 413 系统安全性约束条件
电动汽车是个复杂的电力电子控制系统 ,由多个 控制器组成 ,各控制器之间采用交互式分层控制 ,整 车控制器为主控制器 ,处于分层控制网络中的最上 层 。整车能量回馈控制必须充分考虑动力蓄电池 、驱
据此 , 在控制策略中设计的系统安全性约束条 件为 :如果 CS ≥1 则禁止能量回馈 ;如果 CS = 0 则 允许能量回馈 ,且实际能量回馈力矩为柔顺性控制 模块 / 效率寻优模块确定的允许值 ;如果 CS 为 0 ～ 1 之间的数值 ,则允许能量回馈 , 但实际能量回馈力 矩根据 CS 的大小进行限制 。
关键词 :电动汽车 ,能量回馈 ,控制策略
The Cont rol St rategy of Energy Regeneration for Elect ric Vehicle
Zhang Yi ,Yang Lin , Zhu Jianxin , Mao Xiaojian & Zhuo Bin
I nstit ute of A utomotive Elect ronic Technology , S hanghai Jiaotong U niversity , S hanghai 200030
动电机、高压电路、各控制系统状态 ,以及能量回馈对 各子Baidu Nhomakorabea统和整车的电气安全与行驶安全可能造成的
各种影响 ,为此策略中设立了系统安全权系数
CS = CB P + CMO TOR + CV EHICL E + Cvss
(1)
式中 , CB P 是根据动力蓄电池的电压 、电流 、温度 、
S O C 、高压电路及管理控制器的状态确定的故障权
Keywords :Electric vehicle , Energy regeneration , Control strategy
1 前言
电动汽车采用了新型的汽车动力 ,如何充分提 高车辆行驶能量效率 ,进而延长车辆续驶里程 ,是电 动汽车需要解决的一个关键问题 。能量回馈是解决 该问题的主要技术措施 。
能量回馈包括车辆制动能量回馈与车辆滑行能 量回馈两种 。此时 ,驱动电机按发电机运行 ,将车辆 行驶动能转化为电能 ,可以起到 3 个作用 : 辅助制 动 ;回收能量给动力蓄电池充电 ,从而延长车辆续驶 里程 ;在车辆有供热需求时 ,直接利用这部分电能供 热取暖 。
能量回馈制动与电动汽车其它电气制动方式 (主要有能耗制动 、反接制动[1 ] ) 比较 ,无须改变系 统硬件结构 ,回馈电流可柔性控制 ,可使制动效果与 能量回收效果综合最佳 。因此 ,能量回馈是最适合 电动汽车的电气制动方式 ,其关键是能量回馈的过
系数 ; CMOTOR 是根据电机及逆变器的温度 、电压 、电 流 、绝缘性能 、控制器的状态确定的故障权系数 ;
CVEHICL E 是根据车辆其它部件 (如油门 、制动系统 、
12V 蓄电池等) 的状态确定的故障权系数 ; Cvss 用于 将能量回馈控制与车辆行驶状态联系 , 为制动回馈
预限制权系数 ,综合反映车速条件与能量回馈的边
方式 方式描述 传感器输入
信号 影响参数 适用工况 硬件要求
控制方法
方式 1 [ 3 ,4 ]
方式 2
根据 制 动 踏 板 行 程 、制 手动 挡 位 启 用/ 停 止 能
动液 压 、车 速 复 合 作 用 量回馈的控制方式
的控制方式
制动 踏 板 行 程 信 号 、主 手动 挡 位 信 号 , 车 速 信 制动 油 缸 液 压 信 号 、车 号
界条件 。CB P 、CMO TOR 、CVEHICL E 分别为 0 ～ 1 之间的
数值 ,表征各自子系统的故障程度 ; Cvss 在实际车速 满足能量回馈的车速条件 、且实际回馈能量满足其
边界条件时 ,取值为 0 ,否则取值为 1 。
因此 ,当 CS ≥1 时说明系统故障严重或车辆行 驶状态不允许实施能量回馈 ;当 CS = 0 时表示系统 无任何故障 ;当 CS 为 0 ～ 1 之间的数值时表示系统 存在着相应程度的故障 。
411 柔顺性控制 在车辆制动工况 ,能量回馈对车辆产生的辅助
制动力矩将影响制动踏板感觉与驾驶柔顺性 ,需对 制动能量回馈力矩的大小进行优化控制 。为此 ,在 控制 策 略 中 根 据 车 速 vSS 设 定 了 2 个 评 判 因 子 d vSS / d t 与 d2 vSS / d t2 , 通过动态调节制动能量回馈 力矩的大小 ,确保实施能量回馈作用后的制动加速 度 、加速度变化率趋势与原车制动的效果相近 ,从而 使在能量回馈作用时的制动感觉与常规汽车相近 。
器信号判断制动力总需 能量回馈辅助力矩的大
求 ,通过对能量回馈辅 小 ,充电电流的强度根
助制动力矩与机械制动 据 车 速 、动 力 蓄 电 池
力矩 的 合 理 分 配 , 可 使 SOC 状 态 等 因 素 而 作
过渡柔和 ,但系统复杂 。 用 。
综合考虑表 1 中 2 种能量回馈控制方式 ,结合 样车的实际情况 ,作者设计了在原车制动系的基础 上 ,利用制动信号与车速信号复合作用的控制方式 , 其原理如图 2 所示 。
在图 2 中 ,制动踏板提供制动信号 ,信号传递到 整车控制模块 ,整车模块根据车辆运行状况及其它 控制模块的状态 ,决定是否进行制动能量回馈 ,并分 配能量回馈辅助制动力矩的大小 。
车辆在高速滑行或下坡滑行时 ,具有极大的动 能 ,许多情况下驾驶员都会通过踩下制动踏板对车
4 能量回馈的控制策略
能量回馈控制策略直接影响了能量回馈效率 、 制动安全性 、驾驶感觉等 ,是作者提出的基于常规汽 车制动系统的能量回馈控制方式的核心技术 ,需要 综合考虑各种因素 。
程控制 。电动汽车的能量回馈控制由整车控制与电 机控制交互作用而实现 ,作者在电动汽车制动能量 分析的基础上 ,设计一种能量回馈的整车控制方式 , 并进行相应控制策略的研究 。
2 制动能量分析
为了进行电动汽车能量回馈控制 ,需首先探明 其在各种用途中的制动能量回馈潜力 。作者分别以 美国 F TP 工况 、高速公路 HFET 工况 、欧洲城市循 环 ECE2EUDC 工况和日本 J P1015 4 种循环工况为 例 ,进行制动能量的分析 。
在图 2 所示的回馈控制方式中 ,制动力矩实际 包含机械制动力矩与能量回馈辅助制动力矩 。由于 机械制动力矩由制动踏板行程决定 ,能量回馈控制 系统无法干预 。因此 ,如何在这样的系统约束条件 下获得最高能量回馈效率 ,同时确保制动安全性以 及过程过渡的柔顺性 ,是能量回馈控制策略的设计 要点 。图 3 是基于该控制方式的能量回馈策略基本 逻辑 。在该控制逻辑中 ,将能量回馈辅助制动力矩 (简称回馈力矩) 设计为车速的函数 ,车辆当前的运 行状态经过回馈模式辨识器实时判断是否进入能量 回馈控制过程以及是制动能量回馈模式还是滑行能 量回馈模式 。在能量回馈控制过程中 ,制动能量回 馈力矩的允许值由柔顺控制模块实时确定 ,滑行能 量回馈力矩的允许值由柔顺控制模块与效率动态寻
速信号
蓄电池 SOC 水平 、电压 、蓄电池 SOC 水平 、电压 、
温度 、电机状态 …… 温度 、电机状态 ……
车辆制动工况
车辆滑行工况
加装制动踏板行程传感 增加手动挡位
器 、主 制 动 油 缸 液 压 传
感器
根据制动踏板行程传感 由驾驶员手动启用或停
器 、制 动 油 缸 液 压 传 感 止滑 行 能 量 回 馈 充 电 ,
[ Abstract] The energy consumption in four typical vehicle testing cycles ( FTP , HWEFT , ECE2EUDC and J P1015) is analyzed for EV. Based on the traditional vehicle braking system , a new regenerative braking scheme and its control strategy are designed. The road testing , calibration and optimization are performed. Test results show that the control scheme and strategy is safe , reliable. Using the regenerating scheme , the energy consumption of battery can re2 duce by 10 percent and the driving range of EV in one charge can increase effectively.
4 种循环工况的驱动与制动能量如图 1 所示 , 可见在这 4 种循环工况中 ,制动能量都占了不小的 比例 ,其中 J P1015 工况为 2517 % , ECE2EUDC 工况 为 18 % ,HFET 工况为 6 % ,F TP 为 25 %。
回馈能量还与制动方式和回馈系统各环节的效 率因子有关[2 ] 。电动汽车的制动方式包括 :电气制
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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汽 车 工 程 2005 年 (第 27 卷) 第 1 期
优模块共同确定 ,实际能量回馈力矩的有/ 无及大小 受系统安全性约束条件的限制 。
在实际系统中 ,还涉及许多其它控制参数 ,各控制参 数可通过标定工具随车在线标定与优化 。
412 能量回馈效率寻优 在车辆制动能量回馈工况中 ,保持制动踏板的感
觉及驾驶柔顺性是首先要考虑的 ,而对于滑行工况能 量回馈 ,效率与加强柔顺性须首先考虑、同时兼顾。
能量回馈效率的优化是个动态寻优过程 ,不仅 需使电机发电效率 、逆变器工作效率 、动力蓄电池充
因此 ,图 2 控制方式同时具备目前电动汽车能 量回馈的 2 种控制方式的功能 ,通用性较强 。控制 机构简单 ,对常规汽车的制动系统无需改动 ,实施方 便 ,可普遍适用于各类电动汽车 。
3 能量回馈的控制方式
目前 ,电动汽车能量回馈的整车控制主要有 2 种方式 ,见表 1 。
表 1 电动汽车能量回馈控制方式
2005 年
(第 27 卷)
第1期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2005 (Vol. 27) No. 1
2005005
电动汽车能量回馈的整车控制
张 毅 , 杨 林 , 朱建新 , 冒晓建 , 卓 斌
(上海交通大学汽车电子研究所 ,上海 200030)
原稿收到日期为 2003 年 12 月 29 日 ,修改稿收到日期为 2004 年 3 月 8 日 。
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
2005 年 (第 27 卷) 第 1 期 汽 车 工 程
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图 1 4 种典型工况的能量分析
动 、机械制动或两者同时作用的复合制动 ,其中机械 制动会导致一部分制动能量以热量的形式散失掉 。 能量回馈系统各个环节的效率因子主要包括逆变器 的效率 、电机的效率 、蓄电池的充电效率等 。
辆实现机械制动 ,达到缩短滑行距离或限制车速的 目的 ,但这部分动能以热量的形式被散失掉了 。采 用图 2 所示的控制方式 ,还可方便地实现在车辆处 于滑行状态时的滑行能量回馈 。
电效率均处于高效区 ,而且还与车辆动力学有关 ,同 时还必须满足车辆控制实时性的要求 。因此 ,算法 非常复杂 。限于篇幅 ,将另文介绍这部分内容 。 413 系统安全性约束条件
电动汽车是个复杂的电力电子控制系统 ,由多个 控制器组成 ,各控制器之间采用交互式分层控制 ,整 车控制器为主控制器 ,处于分层控制网络中的最上 层 。整车能量回馈控制必须充分考虑动力蓄电池 、驱
据此 , 在控制策略中设计的系统安全性约束条 件为 :如果 CS ≥1 则禁止能量回馈 ;如果 CS = 0 则 允许能量回馈 ,且实际能量回馈力矩为柔顺性控制 模块 / 效率寻优模块确定的允许值 ;如果 CS 为 0 ～ 1 之间的数值 ,则允许能量回馈 , 但实际能量回馈力 矩根据 CS 的大小进行限制 。
关键词 :电动汽车 ,能量回馈 ,控制策略
The Cont rol St rategy of Energy Regeneration for Elect ric Vehicle
Zhang Yi ,Yang Lin , Zhu Jianxin , Mao Xiaojian & Zhuo Bin
I nstit ute of A utomotive Elect ronic Technology , S hanghai Jiaotong U niversity , S hanghai 200030
动电机、高压电路、各控制系统状态 ,以及能量回馈对 各子Baidu Nhomakorabea统和整车的电气安全与行驶安全可能造成的
各种影响 ,为此策略中设立了系统安全权系数
CS = CB P + CMO TOR + CV EHICL E + Cvss
(1)
式中 , CB P 是根据动力蓄电池的电压 、电流 、温度 、
S O C 、高压电路及管理控制器的状态确定的故障权
Keywords :Electric vehicle , Energy regeneration , Control strategy
1 前言
电动汽车采用了新型的汽车动力 ,如何充分提 高车辆行驶能量效率 ,进而延长车辆续驶里程 ,是电 动汽车需要解决的一个关键问题 。能量回馈是解决 该问题的主要技术措施 。
能量回馈包括车辆制动能量回馈与车辆滑行能 量回馈两种 。此时 ,驱动电机按发电机运行 ,将车辆 行驶动能转化为电能 ,可以起到 3 个作用 : 辅助制 动 ;回收能量给动力蓄电池充电 ,从而延长车辆续驶 里程 ;在车辆有供热需求时 ,直接利用这部分电能供 热取暖 。
能量回馈制动与电动汽车其它电气制动方式 (主要有能耗制动 、反接制动[1 ] ) 比较 ,无须改变系 统硬件结构 ,回馈电流可柔性控制 ,可使制动效果与 能量回收效果综合最佳 。因此 ,能量回馈是最适合 电动汽车的电气制动方式 ,其关键是能量回馈的过
系数 ; CMOTOR 是根据电机及逆变器的温度 、电压 、电 流 、绝缘性能 、控制器的状态确定的故障权系数 ;
CVEHICL E 是根据车辆其它部件 (如油门 、制动系统 、
12V 蓄电池等) 的状态确定的故障权系数 ; Cvss 用于 将能量回馈控制与车辆行驶状态联系 , 为制动回馈
预限制权系数 ,综合反映车速条件与能量回馈的边