CN111688497B - 电动汽车电池高荷电状态下回馈制动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车回馈制动系统及控制方法，其包括制动力分配模块、电机限制模块、目标电流生成模块和电流控制器；制动力分配模块根据驾驶员制动行为得到整车制动需求，并分配电机实际制动力及前、后轴的总制动力和液压目标制动力；电机限制模块用于接收制动力分配模块分配至的前轴总制动力，且电机限制模块输出电机极限制动力矩；目标电流生成模块根据当前电池SOC值获得此时的期望回馈制动充电电流并与实际充电电流做差处理，得到的电流误差作为目标充电电流；限电流控制器用于输出电机目标制动力矩，并根据接收到的目标充电电流动态调节输出的电机目标制动力矩，以及电机限制模块输出的电机极限制动力矩，实现限电流回馈制动的目的。

Description

电动汽车电池高荷电状态下回馈制动系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车控制技术领域，特别是关于一种在电池高荷电状态下的电动汽车回馈制动系统及控制方法。

背景技术

电动汽车回馈制动系统可有效提升电动汽车续航里程与经济性，其基本思想是在汽车制动工况下，电机由驱动模式转化为发电机模式，反向输出电流至电池，实现制动能量回收。提高制动过程能量回收效率对于提升电动汽车整车经济性和续航里程有着巨大的意义。

在电动汽车的实际使用中，由于对电动汽车续驶里程的焦虑和用户日常用车习惯，很多电动汽车车主会在夜间将车载蓄电池充满，导致电动汽车电池每天运行的初始状态都处于高荷电状态。目前很多回馈制动系统为了保障充电安全性，通常不考虑在高荷电状态下运行，回馈制动功能的启动门限值通常限定在整车电池 SOC值90％以下。公开号为CN 105774566 A的文献中公开了一种用于纯电动汽车制动能量回馈控制方法，其控制方法考虑的电池SOC值位于20％-80％区间；公开号为CN 108001240 A的文献中公开了一种制动能量回收系统，其设计的能量回馈系统在电池SOC值高于90％之后不再对锂离子电池充电。上述这些做法虽然保证了回馈制动过程中充电安全性，但是使得高荷电状态下的制动能量被白白浪费，因此可通过扩展回馈制动门限提升制动过程能量回收效率。

电池高荷电状态对回馈制动系统的设计提出了更高的技术要求。在电池高荷电状态下，回馈制动系统需要兼顾充电安全性、回馈效率提升和制动平顺性等多项性能指标。因此如何在保证充电安全性和制动平顺性的条件下提高电动汽车回馈启动门限、提升回馈效率是亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种电动汽车电池高荷电状态下回馈制动系统及控制方法，其能在保证充电安全性和制动平顺性的条件下提高电动汽车回馈启动门限、提升回馈效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电动汽车回馈制动系统，其包括制动力分配模块、电机限制模块、目标电流生成模块和电流控制器；所述制动力分配模块根据驾驶员制动行为得到整车制动需求，并分配电机实际制动力及前、后轴的总制动力和液压目标制动力；所述电机限制模块用于接收所述制动力分配模块分配至的前轴总制动力，且所述电机限制模块输出电机极限制动力矩；所述目标电流生成模块根据当前电池SOC值获得此时的期望回馈制动充电电流并与实际充电电流做差处理，得到的电流误差作为目标充电电流；所述限电流控制器用于输出电机目标制动力矩，并根据接收到的目标充电电流动态调节输出的电机目标制动力矩，以及所述电机限制模块输出的电机极限制动力矩，实现限电流回馈制动的目的。

优选的，所述制动力分配模块将前轴总制动力分配至所述电机限制模块，并将前轴总制动力与电机实际制动力做差处理后与前轴液压目标制动力一同分配至液压制动阀块；将后轴总制动力和后轴液压目标制动力也分配至液压制动阀块。

优选的，所述限电流控制器将电机目标制动力矩与所述电机极限制动力矩相比较，两者取小并传输至电机控制器，确保电机运行的安全性。

优选的，所述限电流控制器包括跟踪微分器、非线性状态反馈律模块和扩张状态观测器；所述跟踪微分器将接收到的电流误差信号进行过渡处理，得到平滑的目标电流c₁和目标电流的微分c₂，并传输至所述非线性状态反馈律模块；所述非线性状态反馈律模块将接收到的目标电流c₁和目标电流的微分c₂与所述扩张观测器输出的系统估计状态通过非线性函数进行组合，得到电机初始控制量u₀；所述扩张观测器用于检测控制目标的扰动信息，并对电机初始控制量u₀补偿控制，输出电极控制量u，实现抗扰动控制。

一种电动汽车回馈制动系统的控制方法，所述控制方法基于上述系统实现，包括以下步骤：(1)制动力分配模块根据预先设定的前、后轴制动力分配比获得前后轴总的制动力矩需求，同时根据现有的永磁电机数学模型和液压制动系统模型计算得到电机、液压制动力分配值；(2)目标电流生成模块根据电池当前SOC值计算得到当前期望的安全充电电流；(3)通过现有的电流传感器获得当前时刻的充电电流，与目标电流生成模块获取的目标充电电流做差，通过限电流控制器得到电机目标制动力矩；(4)限电流控制器得到的电机目标制动力矩与电机限制模块输出的电机极限制动力矩做比较，当电池在高SOC状态下回馈充电电流较小时，使用限电流控制器输出力矩作为电机目标力矩；其它情况则使用电机极限制动力矩作为电机目标力矩。

优选的，在制动过程中使用电机制动力，当电机制动力不足时使用液压制动力补足，以保证制动过程的平顺性。

优选的，所述限电流控制器采用自抗扰控制器，包括跟踪微分器、非线性状态反馈律模块和扩张状态观测器。

优选的，所述跟踪微分器的内部结构为：

d＝δh；d₀＝hd；y＝c₁+hc₂；

其中，c₁、c₂分别是目标电流及目标电流的微分，δ是快速因子，h是步长， a、d、d₀为可调参数。

优选的，所述非线性状态反馈律模块的内部结构为：

式中：

其中，e₁、e₂是状态反馈误差，u₀是误差反馈控制量，b是补偿因子。

优选的，所述扩张观测器的结构为：

其中，e是状态观测误差，z₁、z₂、z₃是观测器观测到的状态，β₀₁、β₀₂、β₀₃是观测器可调增益。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过制动力分配模块根据驾驶员制动需求获得车辆前后轴制动力分配和电机、液压制动力分配比，其与电机限制模块协同工作保证制动的安全性和平顺性；目标电流生成模块生成电池在该SOC值下的目标回馈电流并通过限电流控制器实现高电荷状态下的回馈制动，扩展了电动汽车能量回馈SOC门限值，提升了整车经济性，有效延长了电动汽车续驶里程，可广泛应用于各种电动汽车车型上。

附图说明

图1是现有典型的回馈制动系统结构示意图。

图2是本发明的限电流式回馈制动系统设计方案。

图3是本发明的限电流控制器方框图。

具体实施方式

本发明基于现有典型的电动汽车能量回馈制动系统进行设计。如图1所示，典型的能量回馈制动过程中制动控制器根据自身控制策略将电机制动目标力矩值发送到车辆驱动电机(PMSM)3。此时PMSM 3工作在回馈制动状态，产生的回馈扭矩通过车辆传动机构2作用在制动鼓1处，同时PMSM 3产生的回馈电流通过逆变器4向电池5充电。液压制动机构6同样接收制动控制器发出的指令，实时调节车轮制动鼓处的摩擦制动力。

以下结合附图和实施例对本发明进行详细的介绍。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图2所示，本发明提供一种在电池高荷电状态下的电动汽车回馈制动系统，其包括制动力分配模块1、电机限制模块2、目标电流生成模块3和电流控制器4。

制动力分配模块1根据驾驶员制动行为得到整车制动需求，并分配电机实际制动力及前、后轴的总制动力和液压目标制动力；将前轴总制动力分配至电机限制模块2，并将前轴总制动力与电机实际制动力做差处理后与前轴液压目标制动力一同分配至液压制动阀块；将后轴总制动力和后轴液压目标制动力也分配至液压制动阀块。

电机限制模块2用于接收制动力分配模块1分配至的前轴总制动力，且电机限制模块2在保证电机运行安全的前提下根据电机运行Map图尽可能提高电机制动力矩，输出电机极限制动力矩。

目标电流生成模块3根据当前电池SOC值获得此时的期望回馈制动充电电流并与实际充电电流做差处理，得到的电流误差作为目标充电电流，并将目标充电电流传输至限电流控制器4。

限电流控制器4用于输出电机目标制动力矩，并根据接收到的目标充电电流动态调节输出的电机目标制动力矩，将电机目标制动力矩与电机限制模块2输出的电机极限制动力矩相比较，两者取小并传输至电机控制器，以确保电机运行的安全性，从而达到限电流回馈制动的目的。

上述实施例中，如图3所示，本发明采用的电池高电荷状态下的限电流控制器4包括跟踪微分器5、非线性状态反馈律模块6和扩张状态观测器7。跟踪微分器5将接收到的电流目标值c_t进行过渡处理，得到平滑的目标电流c₁和目标电流的微分c₂，并传输至非线性状态反馈律模块6。非线性状态反馈律模块6将接收到的目标电流c₁和目标电流的微分c₂与扩张观测器7输出的系统观测状态z₁、z₂做差获得系统状态误差e₁、e₂并通过非线性函数进行组合，得到电机初始控制量u₀。扩张观测器7用于检测控制目标的扰动信息，根据电机控制量u和实际电流值c_r获得系统扰动状态z₃，并对电机初始控制量u₀补偿控制，实现自抗扰控制，其中，b是补偿因子。

本发明还提供一种电动汽车电池高荷电状态下回馈制动系统控制方法，该方法通过对整车蓄电池充电电流进行闭环控制，限制充电电流大小以确保系统在高荷电状态下的充电安全性，同时对电机回馈扭矩和液压制动力进行协调控制以确保制动过程平顺性。本发明的控制方法包括以下步骤：

(1)制动力分配模块1根据预先设定的前、后轴制动力分配比获得前后轴总的制动力矩需求，同时根据现有的永磁电机数学模型和液压制动系统模型计算得到电机、液压制动力分配值。

在制动过程中优先使用电机制动力，当电机制动力不足时使用液压制动力补足，以保证制动过程的平顺性。

其中，预先设定的前、后轴制动力分配比可以按照固定比例分配，也可按照理想制动力分配曲线分配前、后轴制动力，该分配方式并不局限于此。

(2)目标电流生成模块3根据电池当前SOC值计算得到当前期望的安全充电电流，以确保回馈过程的充电安全性。

(3)通过现有的电流传感器获得当前时刻的充电电流，与目标电流生成模块 3获取的目标充电电流做差，通过限电流控制器4得到电机目标制动力矩，实现电流闭环控制以实现高荷电状态下能量回馈。

(4)限电流控制器4得到的电机目标制动力矩与电机限制模块2输出的电机极限制动力矩做比较，当电池在高SOC状态下回馈充电电流较小时，优先保证充电安全性，使用限电流控制器4输出力矩作为电机目标力矩；其它情况则使用当前解算的电机极限制动力矩作为电机目标力矩。

上述步骤中，限电流控制器4以电流误差作为控制器输入。考虑到回馈扭矩和回馈电流存在较强的非线性关系，而且电子器件的性能受温度的影响较大，采用基于模型的控制方法过于复杂。本发明的限电流控制器4采用自抗扰控制器用于限电流控制。自抗扰控制器包括跟踪微分器5、非线性状态反馈律模块6和扩张状态观测器7。跟踪微分器(TD)5的内部结构如下：

d＝δh；d₀＝hd；y＝c₁+hc₂；

其中，c₁、c₂分别是目标电流及目标电流的微分，δ是快速因子，h是步长， a、d、d₀为可调参数。

非线性状态反馈律(NF)模块6的内部结构如下：

式中：

其中，e₁、e₂是状态反馈误差，u₀是误差反馈控制量，b是补偿因子。

扩张观测器(ESO)7的结构如下：

其中，e是状态观测误差，z₁、z₂、z₃是观测器观测到的状态，β₀₁、β₀₂、β₀₃是观测器可调增益。

综上，本发明在使用时，本发明的整体限电流式回馈制动系统根据自身控制策略将电机目标扭矩值发送到车辆驱动电机。此时驱动电机工作在回馈制动状态，产生的回馈制动力矩通过车辆传动系统作用在车轮处，同时电机产生的回馈电流通过逆变器向电池充电。液压控制单元同样接收制动控制器发出的指令，实时调节车轮处的摩擦制动力，实现电池高电荷状态下的限电流回馈制动，扩展了电动汽车能量回馈SOC门限值，提升了整车经济性，有效延长了电动汽车续驶里程，可广泛应用于各种电动汽车车型上。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，例如，上述研究对象为装备永磁电机的前驱纯电动汽车，但不仅仅局限于此。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种电动汽车回馈制动系统，其特征在于包括：制动力分配模块、电机限制模块、目标电流生成模块和限电流控制器；

所述制动力分配模块根据驾驶员制动行为得到整车制动需求，并分配电机实际制动力及前、后轴的总制动力和液压目标制动力；

所述电机限制模块用于接收所述制动力分配模块分配至的前轴总制动力，且所述电机限制模块输出电机极限制动力矩；

所述目标电流生成模块根据当前电池SOC值获得此时的期望回馈制动充电电流并与实际充电电流做差处理，得到的电流误差作为目标充电电流；

所述限电流控制器用于输出电机目标制动力矩，并根据接收到的目标充电电流动态调节输出的电机目标制动力矩，与所述电机限制模块输出的电机极限制动力矩配合，实现限电流回馈制动的目的；

所述限电流控制器得到的电机目标制动力矩与电机限制模块输出的电机极限制动力矩做比较，当电池在高SOC状态下回馈充电电流较小时，使用限电流控制器输出力矩作为电机目标力矩；其它情况则使用电机极限制动力矩作为电机目标力矩。

2.如权利要求1所述电动汽车回馈制动系统，其特征在于：所述制动力分配模块将前轴总制动力分配至所述电机限制模块，并将前轴总制动力与电机实际制动力做差处理后作为前轴液压目标制动力分配至液压制动阀块；将后轴总制动力作为后轴液压目标制动力也分配至液压制动阀块。

3.如权利要求1至2任一项所述电动汽车回馈制动系统，其特征在于：所述限电流控制器包括跟踪微分器、非线性状态反馈律模块和扩张状态观测器；所述跟踪微分器将接收到的电流误差信号进行过渡处理，得到平滑的目标电流c₁和目标电流的微分c₂，并传输至所述非线性状态反馈律模块；所述非线性状态反馈律模块将接收到的目标电流c₁和目标电流的微分c₂与所述扩张状态观测器输出的系统估计状态通过非线性函数进行组合，得到电机初始控制量u₀；所述扩张状态观测器用于检测控制目标的扰动信息，并对电机初始控制量u₀补偿控制，输出电极控制量u，实现抗扰动控制。

4.一种电动汽车回馈制动系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法基于如权利要求1至3任一项所述系统实现，包括以下步骤：

(1)制动力分配模块根据预先设定的前、后轴制动力分配比获得前后轴的总制动力需求，同时根据现有的永磁电机数学模型和液压制动系统模型计算得到电机、液压制动力分配值；

(2)目标电流生成模块根据电池当前SOC值计算得到当前期望的回馈制动充电电流；

(3)通过现有的电流传感器获得当前时刻的实际充电电流，与目标电流生成模块得到的回馈制动充电电流做差，得到的电流误差作为目标充电电流，传输至限电流控制器，通过限电流控制器得到电机目标制动力矩；

(4)限电流控制器得到的电机目标制动力矩与电机限制模块输出的电机极限制动力矩做比较，当电池在高SOC状态下回馈充电电流较小时，使用限电流控制器输出力矩作为电机目标力矩；其它情况则使用电机极限制动力矩作为电机目标力矩。

5.如权利要求4所述控制方法，其特征在于：在制动过程中使用电机制动力，当电机制动力不足时使用液压制动力补足，以保证制动过程的平顺性。

6.如权利要求4所述控制方法，其特征在于：所述限电流控制器采用自抗扰控制器，包括跟踪微分器、非线性状态反馈律模块和扩张状态观测器。

7.如权利要求6所述控制方法，其特征在于：所述跟踪微分器的内部结构为：

(P1)

(P2)

(P3)

d＝δh；d₀＝hd；y＝c₁+hc₂；

其中，c₁、c₂分别是目标电流及目标电流的微分，δ是快速因子，h是步长，a、d、d₀为可调参数。

8.如权利要求6所述控制方法，其特征在于：所述非线性状态反馈律模块的内部结构为：

式中：

其中，e₁、e₂是状态反馈误差，u₀是误差反馈控制量，b是补偿因子。

9.如权利要求6所述控制方法，其特征在于：所述扩张状态观测器的结构为：

其中，e是状态观测误差，z₁、z₂、z₃是观测器观测到的状态，β₀₁、β₀₂、β₀₃是观测器可调增益。

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