【车辆控制】考虑天气条件和道路坡度的电动汽车电压制动控制研究（Matlab代码实现）

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💥1 概述

考虑天气条件和道路坡度的电动汽车电压制动控制研究

摘要

本文聚焦于电动汽车电压制动控制，深入探讨其在不同天气条件和道路坡度下的工作原理、影响因素及优化策略。通过分析低温、高温、雨雪等天气以及上坡、下坡等道路坡度对制动能量回收和制动性能的影响，提出基于实时数据采集与动态调整的电压制动控制策略，旨在提升电动汽车的能量回收效率、制动安全性和驾驶舒适性。

关键词

电动汽车；电压制动控制；天气条件；道路坡度；能量回收效率

一、引言

随着电动汽车市场的快速发展，其制动系统性能成为影响车辆安全、续航和驾驶体验的关键因素。电压制动控制作为电动汽车制动系统的核心技术之一，通过将电机转换为发电机模式，实现制动能量的回收和再利用，对提升车辆能量利用效率具有重要意义。然而，天气条件和道路坡度等外部因素会显著影响电压制动控制的性能和效果。因此，研究考虑天气条件和道路坡度的电动汽车电压制动控制策略具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、电动汽车电压制动控制原理

2.1 基本概念

电动汽车电压制动控制是指借助对电压的精准调控，达成对车辆制动过程的有效管理。在制动过程中，通过调节电机的输入电压，控制电机的发电功率和产生的制动力大小，以契合不同的制动需求。

2.2 工作原理

当驾驶员踩下制动踏板时，传感器迅速捕捉踏板的位移和压力变化，将这些机械信号转化为电信号，并传输至车辆的电子控制单元（ECU）。ECU依据预设的算法和策略，对这些信号进行深度分析与处理，计算出车辆所需的制动力大小。随后，ECU向电机控制器发出指令，改变电机的工作模式，使其从驱动状态转变为发电状态。此时，电机将车辆的动能转化为电能，实现能量回收，同时产生反向的电磁转矩，作用于车轮，从而产生制动力，使车辆减速。

三、天气条件对电动汽车电压制动控制的影响

3.1 低温天气

• 影响机制：低温对电池性能有显著影响。在低温环境下，电池内部的化学反应速度减缓，电池输出功率降低，导致电机产生的制动力不足。同时，低温还可能使轮胎橡胶变硬，弹性降低，进一步削弱轮胎与地面的摩擦力，延长制动距离。
• 数据支撑：以某款55kWh的纯电车型为例，在25℃时，制动回收能量可达26kWh；但当温度降至-10℃时，回收能量锐减至8.2kWh。这是因为低温下，电池管理系统（BMS）出于对电池的保护，会限制“充电”电流，导致电动制动器的效率下降。
• 应对策略：采用电池预热技术，在低温环境下提前对电池进行加热，提高电池的活性和输出功率；优化制动能量回收策略，根据电池温度动态调整再生制动和机械制动的比例，确保制动安全性和能量回收效率。

3.2 高温天气

• 影响机制：高温会导致轮胎内压增高，轮胎的弹性和抓地力下降，增加车辆在行驶过程中失控的风险。在制动时，轮胎与路面之间的摩擦力不足，会导致制动距离延长。此外，高温还会加速电池的老化和磨损，降低电池的性能和寿命，影响制动能量回收效率。
• 数据支撑：高温环境下，电池自放电加快，寿命降低。同时，刹车管路中的制动液在高温下可能会出现气阻现象，导致刹车踏板行程变长，制动力传递出现延迟。
• 应对策略：加强电池散热管理，采用高效的散热系统，确保电池在高温环境下保持适宜的工作温度；优化轮胎设计，选用耐高温、抓地力强的轮胎材料，提高轮胎在高温下的性能；定期检查和维护制动液，确保其性能稳定。

3.3 雨雪天气

• 影响机制：雨雪天气会导致路面湿滑，轮胎与地面的摩擦力减小，制动距离变长。同时，积水或积雪可能进入刹车器和轮毂，影响制动系统的正常工作。此外，雨水还会在刹车盘和刹车片之间形成一层水膜，进一步降低摩擦力。
• 数据支撑：在雨天，干沥青路面的附着系数从0.6降至0.4，制动距离明显变长。
• 应对策略：采用防滑制动技术，如ABS（防抱死制动系统）和ESP（电子稳定程序），通过动态调整制动力分配，防止轮胎抱死，提高制动稳定性和安全性；优化制动系统设计，提高刹车器和轮毂的密封性，防止积水和积雪进入；定期检查和更换刹车片和刹车盘，确保其表面干燥、清洁。

四、道路坡度对电动汽车电压制动控制的影响

4.1 下坡道路

• 影响机制：在下坡道路上，车辆由于重力作用会加速下滑，需要更大的制动力来维持车速。同时，下坡过程中电机的发电功率增加，可能导致电池过充或电压过高，影响电池的安全性和寿命。
• 数据支撑：下坡坡度显著影响电动汽车回收制动能源的效率。道路坡度越大，车辆下滑速度越快，需要的制动力越大，同时电机的发电功率也越高。
• 应对策略：采用再生制动与机械制动协同控制策略，根据坡度大小和车速动态调整再生制动和机械制动的比例，确保制动安全性和能量回收效率；优化电池管理系统，设置合理的电池充电上限电压和充电电流限制，防止电池过充；采用能量消耗装置，如电阻制动或超级电容，消耗多余的制动能量，保护电池安全。

4.2 上坡道路

• 影响机制：在上坡道路上，车辆需要更大的驱动力来克服重力作用，导致电机的工作负荷增加，发电功率降低，再生制动效率下降。同时，上坡过程中车速较低，制动频率相对较低，制动能量回收机会减少。
• 数据支撑：上坡时，由于电机需要提供更大的驱动力，其发电功率降低，再生制动效率显著下降。
• 应对策略：优化电机控制策略，提高电机在上坡道路上的发电效率；采用能量回收优化算法，根据上坡坡度和车速预测制动需求，提前调整电机的工作模式，提高再生制动效率；鼓励驾驶员在上坡道路上采用经济驾驶模式，减少急加速和急制动，降低能量消耗。

五、考虑天气条件和道路坡度的电动汽车电压制动控制策略

5.1 实时数据采集与处理

• 传感器配置：在电动汽车上配置多种传感器，包括温度传感器、湿度传感器、坡度传感器、车速传感器、电池状态传感器等，实时采集天气条件、道路坡度、车速、电池状态等关键数据。
• 数据处理与分析：将采集到的数据传输至ECU进行处理和分析。ECU根据预设的算法和模型，计算出当前工况下的最佳制动力分配比例、电机发电功率限制等关键参数。

5.2 动态调整制动力分配

• 再生制动与机械制动协同控制：根据实时数据采集结果，动态调整再生制动和机械制动的比例。在天气条件良好、道路坡度较小的工况下，优先采用再生制动，提高能量回收效率；在天气条件恶劣、道路坡度较大的工况下，适当增加机械制动的比例，确保制动安全性和稳定性。
• 多目标优化控制：综合考虑制动安全性、能量回收效率和驾驶舒适性等多个目标，采用多目标优化控制算法，实现制动力的最优分配。例如，在保证制动安全性的前提下，最大化再生制动的比例，提高能量回收效率；同时，通过优化制动力的分配曲线，减少制动过程中的顿挫感，提升驾驶舒适性。

5.3 电池状态监测与保护

• 电池温度管理：根据电池温度实时调整制动能量回收策略。在低温环境下，采用电池预热技术提高电池活性；在高温环境下，加强电池散热管理，防止电池过热。
• 电池充电保护：设置合理的电池充电上限电压和充电电流限制，防止电池过充。在下坡道路上，当电池电量接近上限时，采用能量消耗装置消耗多余的制动能量，保护电池安全。

5.4 驾驶员辅助与预警系统

• 驾驶模式选择：提供多种驾驶模式供驾驶员选择，包括经济模式、运动模式、雪地模式等。不同驾驶模式下，电压制动控制策略有所不同，以适应不同的天气条件和道路坡度。
• 预警与提示功能：当天气条件恶劣或道路坡度较大时，通过车载显示屏或语音提示系统向驾驶员发出预警信息，提醒驾驶员注意制动安全性和能量回收效率。同时，提供制动能量回收效率的实时显示功能，让驾驶员了解当前工况下的能量回收情况。

六、结论与展望

6.1 研究成果总结

本文深入研究了考虑天气条件和道路坡度的电动汽车电压制动控制策略。通过分析低温、高温、雨雪等天气以及上坡、下坡等道路坡度对制动能量回收和制动性能的影响，提出了基于实时数据采集与动态调整的电压制动控制策略。该策略能够根据不同的天气条件和道路坡度自动调整制动力的分配比例和电机的工作模式，提高能量回收效率、制动安全性和驾驶舒适性。

6.2 未来研究方向

• 更精确的模型预测：建立更精确的天气条件和道路坡度预测模型，提前预测未来一段时间内的天气变化和道路坡度变化，为电压制动控制策略的制定提供更准确的数据支持。
• 智能化控制算法：引入人工智能和机器学习技术，开发智能化的电压制动控制算法。通过不断学习和优化算法参数，提高控制策略的适应性和鲁棒性。
• 多系统协同控制：将电压制动控制与车辆的驱动控制、能量管理控制等其他系统进行协同控制，实现车辆整体性能的最优化。例如，在制动过程中同时考虑驱动系统的能量回收和能量管理系统的电池状态监测与保护。

📚2 运行结果

🎉3 参考文献 

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[1]徐薇,赵海艳,陈虹.考虑电池寿命的四轮轮毂电动汽车制动能量优化控制[J].控制理论与应用. 2019

🌈4 Matlab代码实现

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