2.2
制动能量回收系统软件方案

2.2.1 系统功能架构

为了在汽车制动时实现能量回收，在系统硬件的基础上，系统软件应包含回收能力计算、制动意图识别、制动力分配、稳定性协调控制、电机制动力控制和制动压力控制等功能。本节仅对各功能模块的整体架构做简要介绍，具体到各功能模块的工作原理与设计方法，将在后续章节进行详细分析论述。

图2.39所示为制动能量回收系统功能架构示意图，其软件功能架构分为三层：感知层、逻辑层和执行层，感知层主要包括回收能力计算和制动意图识别模块，回收能力计算和制动意图识别模块接收经过信号处理的踏板位移、制动压力、电机转速等信号，给逻辑层输出电机最大制动力矩、驾驶员需求制动力和驾驶员制动状态。

主控逻辑层主要有制动力分配和稳定性协调控制模块，逻辑层接收来自感知层的信息，常规制动时由制动力分配模块进行电机与液压制动力的分配，当车辆触发防抱死及车身稳定性控制系统时，由稳定性协调控制模块进行电机与液压制动力的分配，二者均给执行层输出目标电机制动力矩与目标轮缸压力。

执行层负责电机与制动执行器的驱动，其接收来自主控逻辑层的信号，输出电机与制动执行器的控制信号，实现电机与液压制动力的精确控制。

2.2.2 控制器逻辑架构

确定制动能量回收系统功能架构后，需要将各功能模块分配到控制器中，这就涉及控制器逻辑架构的设计。控制器逻辑架构是指各功能模块在不同控制器间的分布及控制器之间的接口和通信定义等。制动能量回收系统是电机制动系统和液压制动系统的集成，涉及多控制器、多传感器和多执行器的协调问题，因此必须明确控制系统的逻辑架构。

目前针对多控制器协调控制问题，有三种常见的系统架构来解决，分别为集中控制架构、监督控制架构和分布式（并行）控制架构 ^[1] 。

在集中控制架构中，集中控制器对所有的控制命令进行计算并分配给各个执行机构，如图2.40a所示。集中控制器对控制算法的各功能模块进行高度集成，优点是设计初始阶段即可对算法做出全面考虑，不存在通信导致的算法延迟；其不足之处在于算法设计的灵活性较差，对微控制器性能要求较高，软件开发和维护的成本也较高，不利于升级优化。目前汽车电子控制系统开发中该架构较少被采用 ^[2-3] 。

监督控制架构是介于集中控制架构和分布式控制架构之间的一种形式，如图2.40b所示，通过在原有执行机构控制器的基础上增加监控层的控制器来对各子控制器的输出进行协调。在这种架构中，各子控制器可以单独设计，便于子系统的维护升级和优化开发；缺点是控制器通信的可靠性要求较高，子系统之间的开放程度会影响协调控制的效果 ^[4] 。

分布式控制架构中各控制器通过通信交换数据，并在各控制器内部设置相关算法来解决相互之间的协调问题，如图2.40c所示。该架构适用于需协调的控制器数量较少的情况，如果需协调的控制器数量过多，则各控制器内部的协调算法会过于复杂，因此一般不适用于控制器较多的系统 ^[5] 。

目前，新能源汽车的动力总成系统多采用监督控制架构，整车控制器作为协调各子控制器的主控制器，包括电机、动力蓄电池以及电动附件等都由整车控制器进行统一控制。但各子系统自己的控制器又能够完成如状态估计、故障检测和执行控制等功能算法。各控制器之间通过局域网络（CAN）总线进行实时通信。但是，无论是传统汽车还是新能源汽车，其制动控制器与其他控制器不同，由于它负责车辆的主动安全控制，因此优先级最高。目前国内外的各种新能源汽车，其整车控制器与制动控制器大多保持并行关系，即出现汽车失稳或车轮抱死情况，制动控制器将取代整车控制器成为主控制器，如图2.41所示，可视为监督架构与分布式架构相结合的一种控制方案。

传统的防抱死与稳定性控制中，不涉及制动控制器与整车控制器之间关于执行机构的协调。但是，一旦加入电机的再生制动力，则涉及电机与制动执行部件之间的协调，以及制动能量回收相关功能模块的位置问题。

根据上节对功能架构的描述，制动能量回收系统软件包括制动意图识别、回收能力计算、制动力分配、稳定性协调控制、电机制动力控制与制动压力控制模块。在上述模块中，回收能力计算模块需要根据电机与动力蓄电池控制器传递的状态信息综合计算电机最大制动力矩，因此其一般位于整车控制器中；电机制动力控制与制动压力控制模块涉及底层执行部件的控制，一般位于电机控制器和制动控制器中；而对于制动意图识别、制动力分配以及稳定性协调控制模块（RBS模块），其既可以位于整车控制器中，也可以位于制动控制器中，两种逻辑架构形式各有如下优劣。

1）如果RBS模块在整车控制器中，则属于监督控制架构，如图2.42所示，制动控制器作为整车控制器的子控制器，执行制动压力精确控制的任务。目前国内外的制动执行部件及制动控制器供应商均为零部件企业，而整车控制器又是整车企业的核心技术，因此，该方案面临的问题是整车控制器与制动控制器之间的通信开放程度。对于串联制动能量回收系统构型，其涉及液压制动力控制的算法要远多于电机制动力控制的算法，需要与制动控制器进行大量的信息通信，一方面涉及制动执行部件的核心控制参数，另一方面加大了CAN总线的通信负荷，因此，串联构型采用监督控制架构的较少。并联构型由于常规制动时液压制动力不能电控调节，仅在车轮抱死和车辆失稳状态下进行液压制动力控制，因此，并联构型无须与制动控制器进行大量通信，多采用监督控制架构。

2）如果RBS模块在制动控制器中，则属于监督与分布式相结合的控制架构。如图2.43所示，制动控制器发送电机的制动指令，由整车控制器进行仲裁后执行。该方案便于制动系统供应商与整车企业之间的联合开发，同时，CAN总线的通信负荷也会大幅降低。