CN102166962A - 一种纯电动汽车制动能量回馈控制系统 - Google Patents

一种纯电动汽车制动能量回馈控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种纯电动汽车的制动能量回馈控制系统,本发明采用电气制动和机械制动两种类型的结合,电气制动是通过控制电机工作在发电状态来实现的,机械制动通过电子制动系统来实现。整车控制单元为制动能量回馈控制系统的核心控制单元,整车控制单元用于计算电机所需的制动力矩和电子制动系统所需的制动力,并分别向电机控制器控制电路和电子制动系统发送控制命令。本发明既能满足车辆在各种工况下的制动要求,又可保证车辆运行的平稳性和车辆制动减速的平滑性,同时又能使制动能量得到最有效的回收,提高整车能量的使用效率。

Description

一种纯电动汽车制动能量回馈控制系统
技术领域
[0001] 本发明属于纯电动汽车技术领域,涉及一种纯电动汽车的制动能量回馈控制系统,特别涉及一种前轴电驱动、电气与机械复合制动的纯电动汽车的制动能量回馈控制系统。
背景技术
[0002] 纯电动汽车的驱动电机在切断电源之后,不可能立即完全停止旋转,总是在其本身及所带负载的惯性作用下旋转一段时间之后才停止。因而,在能源供应紧张的今天,利用驱动电机制动过程中的剩余能源自然就成了研究开发的一个热点。
[0003] 电机制动的方法可以分为机械制动和电气制动两大类。电气制动中又可分为反接制动、能耗制动和回馈发电制动三种形式。纯电动汽车的制动方式应考虑机械制动和电气制动两种类型的结合,尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。在纯电动汽车刹车和下坡滑行时,通过控制系统将电机的状态改变为发电状态,并将电机发出的电能存储于蓄电池之中,这样既可减小机械刹车系统的损耗,又能提高整车能量的使用效率,达到节约能源和提高纯电动汽车续驶里程的目的,可得到一举多得的效果。
[0004] 现有的纯电动汽车制动能量回馈控制系统中,首先需要精确的辨识当前路面附着系数,这在实际应用中难以获得满意的效果;其次是在ABS工作后,制动能量回馈被动地停止,不能在ABS工作前主动避免车轮抱死的发生;最后是在车辆制动时或滑行时,不能主动避免车辆抖动的发生。
[0005] 本发明既不需要精确辨识路面附着系数,又能主动避免车轮抱死的发生,并可保证车辆运行的平稳性和车辆制动减速的平滑性,避免车辆抖动的发生,同时又实现了制动能量最有效的回收。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种用于前轴驱动、电气与机械复合制动的纯电动汽车的制动能量回馈控制系统,既能满足车辆在各种工况下的制动要求,又可保证车辆运行的平稳性和车辆制动减速的平滑性,不影响传统的驾驶体验;同时又能使制动能量得到最有效的回收,提高整车能量的使用效率。
[0007] 本发明中车辆的制动方式采用电气制动和机械制动两种类型的结合。电气制动是通过控制电机工作在发电状态来实现的,机械制动可用电子制动系统来实现,相比传统液压制动系统,电子制动系统省去了液压轮缸、驻车制动装置、制动主缸、真空助力器、液压制动力分配泵等部件,具有响应迅速、结构简单等特点,实现了制动系统的简化,节省了车内空间,对于空间资源紧张的纯电动汽车而言,这一点非常重要,并且电子制动系统能够减少制动距离,因此这里采用电子制动系统作为纯电动汽车的机械制动部分。在汽车的制动过程中,应尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。
[0008] 为实现纯电动汽车制动能量的回馈,本发明采用如下技术方案:一种纯电动汽车制动能量回馈控制系统,包括电子制动系统、整车控制单元、电机、电机控制器控制电路、电机控制器驱动电路、油门及刹车信号采集电路、蓄电池组、逆变器;其特征在于:
所述蓄电池组通过逆变器与电机相连,为整车系统的运行提供能量,并将整车制动时电机回馈的电能储存起来;
所述油门及刹车信号采集电路采集油门深度、刹车深度的模拟信号,并将其转变为数字信号,传送给整车控制单元;
所述整车控制单元为制动能量回馈控制系统的核心控制单元,整车控制单元用于计算电机所需的制动力矩和电子制动系统所需的制动力,并分别向电机控制器控制电路和电子制动系统发送控制命令;
所述电机控制器控制电路接收所述整车控制单元发送的控制命令,并通过电机控制器驱动电路对所述逆变器进行脉宽调制;
所述电机采用永磁同步电机,为整车运行提供动力,并在车辆制动时工作于发电状态, 通过所述蓄电池组储能实现制动能量的回收。
[0009] 本方法既能满足车辆在各种工况下的制动要求,又可保证车辆运行的平稳性和车辆制动减速的平滑性,同时又能使制动能量得到最有效的回收,提高整车能量的使用效率。
附图说明
[0010] 以下,结合附图来详细说明本发明的实施,其中: 图1是制动能量回馈再生制动原理图;
图2是本发明中制动能量回馈控制系统的简要结构图; 图3是用于前轴驱动的纯电动汽车制动能量回馈控制实施流程图;
图4是前轴车轮滑移率力的变化特性示意图;
图5是能量回馈制动与车辆滑行速度FHO关系示意图。
具体实施方式
[0011] 下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
[0012] 如图1所示制动能量回馈再生制动原理图。一般而言,制动能量回馈发电系统发电电压总是低于蓄电池电压,因此为了使制动能量回馈发电系统发出的电能充入蓄电池, 必须采用专门的控制系统,使电动机工作于再生制动模式。制动能量回馈再生制动原理如
图1所示。图中为电阻,JJji为制动限流电阻,U为蓄电池的电压,J5为电机的感应电势, L为电机电枢的电感。工作时,将电动机电枢驱动电流断开,电枢两端接入一个开关电路。 由于电动机属感性器件,感应电势£与感应电流ί随时间ί的变化率作如下关系:
Figure CN102166962AD00051
当开关闭合时,电动机感应电势引起的感应电流经开关K形成回路,感应电流^为制动电流,其大小为
Figure CN102166962AD00061
当开关K断开时,di/dt的绝对值迅速增大,导致感应电势E迅速上升,直到E>U时, 实现能量反馈。假定电流回馈电路的等效电阻为Rd,则回馈电流为制动电流i2即
Figure CN102166962AD00062
于是,电机再生制动过程的电能便充入蓄电池储存起来。
[0013] 图2是表示作为本发明一个实施方式的纯电动汽车制动能量回馈控制系统的简要结构图。如图2所示,实施例中的纯电动汽车能量回馈控制系统包括:电池组1 ;滤波电容2 ;突波吸收电容3 ;油门踏板4 ;刹车踏板5 ;油门、刹车信号采集电路6 ;整车控制单元 7 ;电子制动系统8 ;ABS控制器9 ;电机控制器控制电路10 ;光耦隔离电路11 ;电机控制器驱动电路12 ;逆变器13 ;电压传感器14 ;电流传感器15 ;电机16 ;旋转变压器17。
[0014] 其中,电池组1采用大功率蓄电池组,电压范围为200V〜400V,是整车最主要的储能装置,其作用是为整车系统的运行提供能量,并将整车制动时电机回馈的电能储存起来; 滤波电容2采用大容值的铝电解电容或金属膜电容,其正负两端分别与电池组1的正极母线和负极母线相连接,其作用是滤除直流母线上的低频纹波,平滑直流电压波形;突波吸收电容3采用无感电容,其两端也分别与电池组1的正极母线和负极母线相连接,其作用是吸收直流母线上的高频冲击电压;油门踏板4和刹车踏板5固定在与传统汽车相同的位置, 其作用是向油门、刹车信号采集电路6传递油门深度、刹车深度的模拟信号;油门、刹车信号采集电路6的作用是采集油门、刹车的模拟信号,并将其转变为数字信号,传送给整车控制单元7 ;整车控制单元7是制动能量回馈控制系统的核心控制单元,其作用是根据油门深度、刹车深度、当前车速以及车辆加速度等信号计算电机16所需的力矩和电子制动系统8 所需的制动力,并向电机控制器控制电路10和电子制动系统8发送控制命令,在整车制动时,整车控制单元7需实时监测ABS控制器9的状态信号,当ABS控制器9工作时,整车控制单元7控制电机控制器控制电路10停止工作;电子制动系统8负责整车的机械式制动, 其作用是协助电机系统完成整车的制动要求;ABS控制器9的作用是防止整车出现抱死状况;电机控制器控制电路10的作用是根据整车控制单元7发送的力矩信号计算PWM信号, 并通过电机控制器驱动电路12送入逆变器13 ;光耦隔离电路11的作用是实现弱电控制电路和强电驱动电路之间的隔离;电机控制器驱动电路12的作用是控制逆变器13工作;逆变器13采用IGBT模块,也可采用IPM、晶体管等功率器件,其作用是控制电机16工作;电压传感器14的作用是检测直流母线电压,并将检测所得信号传送给电机控制器控制电路;电流传感器15的作用是检测三相交流电流,并将检测所得信号传送给电机控制器控制电路; 电机16采用永磁同步电机,其作用是为整车运行提供动力,并在车辆制动时工作于发电状态,实现制动能量的回收;旋转变压器17的作用是检测电机16转子的旋转角度位置,并传送给电机控制器控制电路10。
[0015] 用于前轴驱动的纯电动汽车的制动能量回馈控制方法实施流程如图3所示,包括以下步骤:
1实时采集油门信号、刹车信号、车轮转速和车辆加速度等信号; 2判断是否采集到刹车信号; 2. 1如果采集到刹车信号,则判断ABS是否在工作;2. 1. 1如果ABS在工作(即发生车轮抱死),则使电机制动力4 =0,前轴电子制动力
Pf与后轴电子制动力巧转交由ABS调节;
2. 1. 2 如果ABS未工作,则根据刹车踏板行程、电机转矩、车轮转速和车辆加速度等信号,计算驾驶员的需求制动力F1,并根据当前车速、电池S0C、电机功率等参数确定电机
当前能提供的最大制动力巧》,判断电机当前能提供的最大制动力是否满足驾驶员的制动要求的阈值F(该阈值可设置为:最大制动力接近需求制动力巧即认为满足驾驶员的制动要求,本实施流程中,设定阈值F为需求制动力,r的90%,便认为其满足驾驶员的要求);
2. 1.2. 1如果Fm大于0.9巧,即电机制动力能满足驾驶员的制动要求,则依据刹车踏板行程、电机转矩、车轮转速和车辆加速度等信号,计算满足驾驶员制动要求的电机制动力&,并控制电机给出制动力A ;然后依据当前车速、车轮转速等信号,计算前轴车轮滑移率S/ ;
2. 1. 2. 1. 1 如果前轴车轮滑移率&小于滑移率阈值S ( 一般滑移率阈值S的取值范围为0. 15〜0. 2),则电机制动力i5;与上一时刻相同;
2. 1.2. 1.2 如果前轴车轮滑移率Sf大于或等于滑移率阈值S,则减小电机制动力F· ,并控制电子制动系统增加后轴电子制动力巧,使前轴车轮滑移率〜减小;
2. 1. 2. 2如果JL1小于或等于0. 9巧,即电机制动力不能满足驾驶员的制动要求,则控制电机给出制动力,并控制电子制动系统给出合适的前轴电子制动力巧与后轴电子制动力巧,以满足驾驶员的制动要求;然后依据当前车速、车轮转速等信号,计算前轴车轮滑移率&;
2. 1.2.2. 1如果前轴车轮滑移率S/小于滑移率阈值S,则调节前轴电子制动力巧与
后轴电子制动力巧,使工作点(4 +力,巧)与I曲线(即理想的前、后制动力分配曲线)的距离最短;
2. 1. 2. 2. 2 如果前轴车轮滑移本S,大于或等于滑移率阈值S,则减小前轴电子制动
力Α,增加后轴电子制动力Fi,使前轴车轮滑移率Sf减小;
2. 2 如果没有采集到刹车信号,则判断车辆是否处于滑行状态(即当油门踏板松开到一定值时的车辆运行状态,本实施流程中,设定滑行状态为油门深度在8%以内时的车辆运行状态);
2. 2. 1 如果车辆处于滑行状态,则判断当前车速F是否大于滑行速度阈值& ( 一般滑行速度阈值%的取值范围为13〜16km/h);2. 2. 1. 1 如果当前车速F大于滑行速度阈值K,则根据车轮转速、车辆加速度、电机转矩等信号,计算车辆过速滑行所需的电机制动力A (电机制动力J^需满足车辆运行的平稳性、车辆制动减速的平滑性以及小于电机当前能提供的最大制动力Fe,并且使制动能量得到最有效的回收),并控制电机给出制动力巧;
2. 2. 1. 2 如果当前车速P小于或等于滑行速度阈值凡,即车辆满足滑行时的速度限
制,则无需对车辆进行制动;
2. 2. 2如果车辆没有处于滑行状态,则返回步骤1继续执行步骤1-2 ; 3重复执行步骤1-2,直到驾驶员踩下加速踏板或车辆停止行走,制动结束。
[0016] 上述实施流程中的滑移率阈值S的取值可设定为上限值爲和下限值禺,由于滑移率阈值S的取值范围一般为0. 15〜0.2,因此可设上限值禺=0.2,下限值S3 =0. 15。图4为前轴车轮滑移率^的变化特性示意图。如图4所示,在前轴车轮滑移率^Sj增大到^ =0. 2 之前,车辆的控制系统不会调节各制动力使&减小,只有当&增大到爲=0. 2时,控制系统才会通过调节前轴制动力&、后轴制动力巧及电机制动力F» i'liSf减小;在控制系统调节各制动力使Sf减小的过程中,只有当&减小到.S3 =0. 15时,控制系统才会停止控制Sf减小。这样就能保证制动过程中车辆运行的平稳性,并使制动减速过程更具平滑性。
[0017] 上述实施流程中的滑行速度阈值矹如果为特定值(如& =15km/h),则当车辆处
在下坡滑行状态时,若当前车速P人\ V0,能量回馈制动的作用将使当前车速F逐渐降到 ^o,到车速F小于巧时,不再进行能量回馈制动,车辆在自身重力作用下又会加速超过巧 ,但超过该点时能量回馈制动的作用又将使车速F再次小于%,如此电机转速就会波动, 导致车辆下坡滑行时产生抖动。为解决这个问题,可把滑行速度阈值K的取值设定为上限值、和下限值化,由于滑行速度阈值&的取值范围一般为13〜16km/h,因此可设上限值 Vm =16km/h,下限值P02 =13km/h。图5为能量回馈制动与车辆滑行速度F的关系示意图。 如图5所示,在车辆滑行速度F增大到Ki =16km/h之前,能量回馈制动系统不会工作,只有当K堦大到^ =16km/h时,能量回馈制动系统才会工作使滑行速度F减小;在能量回馈制
动的作用使滑行速度F逐渐减小的过程中,只有当P减小到& =13km/h时,能量回馈制动
系统才会停止工作。这样就保证了车辆下坡滑行时不会产生抖动。
[0018] 上述实施流程中,当车速很小时如果再回馈能量,回馈的能量很少,此时的能量回馈制动已经没有意义,并且车辆速度为零的瞬间如果电机还处于能量回馈制动的状态,电
机转子的转速会在零左右波动,导致电机抖动。因此需要设定最小能量反馈速度4,本例设〜=4km/h,当车速F小于4时,能量回馈制动系统停止工作。

Claims (10)

1. 一种纯电动汽车制动能量回馈控制系统,包括电子制动系统、整车控制单元、电机、 电机控制器控制电路、电机控制器驱动电路、油门及刹车信号采集电路、蓄电池组、逆变器; 其特征在于:所述蓄电池组通过逆变器与电机相连,为整车系统的运行提供能量,并将整车制动时电机回馈的电能储存起来;所述油门及刹车信号采集电路采集油门深度、刹车深度的模拟信号,并将其转变为数字信号,传送给整车控制单元;所述整车控制单元为制动能量回馈控制系统的核心控制单元,整车控制单元用于计算电机所需的制动力矩和电子制动系统所需的制动力,并分别向电机控制器控制电路和电子制动系统发送控制命令;所述电机控制器控制电路接收所述整车控制单元发送的控制命令,并通过电机控制器驱动电路对所述逆变器进行脉宽调制;所述电机采用永磁同步电机,为整车运行提供动力,并在车辆制动时工作于发电状态, 通过所述蓄电池组储能实现制动能量的回收。
2.根据权利要求1所述的纯电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述整车控制单元输入端还连接ABS控制器以监测ABS控制器的状态信号;所述ABS控制器输出端与电子制动系统相连;当ABS控制器工作时,整车控制单元控制电机控制器控制电路停止工作,由ABS控制器控制电子制动系统负责整车的机械式制动。
3.根据权利要求2所述的纯电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:当ABS控制器不工作时,电子制动系统由所述整车控制单元控制协助电机控制器控制电路完成整车的制动要求。
4.根据权利要求1所述的电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述控制系统还进一步包括滤波电容,其正负两端分别与蓄电池组的正极母线和负极母线相连接。
5.根据权利要求4所述的电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述滤波电容优选铝电解电容或金属膜电容。
6.根据权利要求1或4所述的电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述系统还进一步包括突波吸收电容,所述突波吸收电容采用无感电容,其两端分别与蓄电池组的正极母线和负极母线相连接。
7.根据权利要求1所述的电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述系统还进一步包括电压传感器和电流传感器,所述电压传感器检测直流母线电压,并将检测所得信号传送给电机控制器控制电路;所述电流传感器1检测电机的三相交流电流,并将检测所得信号传送给电机控制器控制电路。
8.根据权利要求1所述的电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述系统还进一步包括旋转变压器,所述旋转变压器与电机相连,用于检测电机转子的旋转角度位置,并传送给电机控制器控制电路。
9.根据权利要求1所述的电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述系统进一步包括光耦隔离电路,所述光耦隔离电路连接在电机控制器控制电路和电机控制器驱动电路之间。
10.根据权利要求1或9所述的电动汽车制动能量回馈控制系统,其特征在于:所述逆变器采用IGBT模块、IPM或晶体管功率器件。
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