電動(dòng)汽車再生制動(dòng)與液壓ABS系統(tǒng)集成控制研究

楊亞娟， 趙 韓， 李維漢， 趙曉峰

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī) 械與汽車工程學(xué)院，安徽 合 肥 230009；2.北汽福田新能源技術(shù)中心，北京 100000）

0 引 言

再生制動(dòng)技術(shù)是電動(dòng)汽車的一個(gè)主要特征，通過(guò)再生制動(dòng)技術(shù)回收部分動(dòng)能和勢(shì)能，能顯著改善汽車的經(jīng)濟(jì)性。電機(jī)再生制動(dòng)與機(jī)械摩擦制動(dòng)的集成設(shè)計(jì)和控制是目前電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)研究的發(fā)展方向，現(xiàn)在絕大部分汽車裝備了ABS系統(tǒng)，以保證在大制動(dòng)強(qiáng)度和惡劣路面上的制動(dòng)安全性。如何使電機(jī)再生制動(dòng)配合摩擦制動(dòng)，在ABS控制中，既保證汽車的安全，又盡量回收制動(dòng)能量，是一個(gè)重要的研究課題。

國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)在電動(dòng)汽車開發(fā)中，一般采用并聯(lián)式再生制動(dòng)系統(tǒng)。并聯(lián)式再生制動(dòng)不需要改變?cè)心Σ林苿?dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，直接把電機(jī)制動(dòng)加在摩擦制動(dòng)上，存在制動(dòng)力與駕駛員請(qǐng)求不一致的問題。如清華大學(xué)、吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)等進(jìn)行了相關(guān)研究，提出串聯(lián)式再生制動(dòng)與ABS集成控制的方法［1－8］。本文在串聯(lián)再生制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)液壓摩擦制動(dòng)進(jìn)行集成控制研究，制定常規(guī)制動(dòng)和防抱死制動(dòng)時(shí)的控制策略。

1 制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集成制動(dòng)系統(tǒng)以串聯(lián)式再生制動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，與液壓摩擦制動(dòng)系統(tǒng)整合為一體來(lái)控制汽車制動(dòng)，如圖1所示。

控制器根據(jù)踏板位置傳感器和輪速傳感器判斷制動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)和電機(jī)控制來(lái)分配電機(jī)制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力，每個(gè)車輪有輪速傳感器和單獨(dú)的輪缸壓力調(diào)節(jié)閥。

圖1 集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在常規(guī)制動(dòng)（無(wú)抱死或接近抱死情況）時(shí)，踏板位置傳感器獲取駕駛員踏板深度信號(hào)，傳遞給控制器?？刂破魍ㄟ^(guò)踏板信息解讀，計(jì)算出需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)控制器從電機(jī)控制器獲取信號(hào)，判斷電機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)能提供的最大回饋轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算，控制器向電機(jī)發(fā)出回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的命令，同時(shí)控制4個(gè)車輪的壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使總的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足駕駛員請(qǐng)求。當(dāng)路面附著條件惡劣或者緊急制動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)防抱死制動(dòng)控制策略。

控制器根據(jù)各車輪上的輪速傳感器判斷車輪抱死情況，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥控制摩擦制動(dòng)力的增加或減少，同時(shí)讀取電機(jī)控制器信號(hào)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩限制調(diào)節(jié)電機(jī)的回饋轉(zhuǎn)矩。

2 集成制動(dòng)控制策略

2.1 常規(guī)制動(dòng)控制策略

電機(jī)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩通過(guò)變速器、差速器及半軸傳遞到車輪，產(chǎn)生回饋制動(dòng)電流給高壓電池組充電，從而達(dá)到回收制動(dòng)能量的效果?；仞伳芰康拇笮∈茈姍C(jī)外特性、電池荷電狀態(tài)（SOC）等因素的影響。常規(guī)制動(dòng)控制策略工作流程如圖2所示。

2.2 防抱死制動(dòng)控制策略

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)有2個(gè)制動(dòng)力來(lái)源，即液壓摩擦制動(dòng)和電機(jī)回饋制動(dòng)。與傳統(tǒng)單純靠液壓的防抱死制動(dòng)不同，電機(jī)制動(dòng)相比于摩擦制動(dòng)具有響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于本文研究的車型，電機(jī)的再生制動(dòng)強(qiáng)度較小，轉(zhuǎn)換到車輪上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，再生制動(dòng)約為液壓摩擦制動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩的15%。所以，在防抱死制動(dòng)控制中，仍將液壓摩擦制動(dòng)定義為主要制動(dòng)力來(lái)源，電機(jī)再生制動(dòng)做為輔助制動(dòng)力來(lái)源；利用電機(jī)制動(dòng)響應(yīng)較快的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度。

圖2 常規(guī)制動(dòng)控制策略流程圖

針對(duì)單個(gè)車輪制定防抱死制動(dòng)控制策略，每個(gè)車輪有獨(dú)立的輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制流程如圖3所示。圖3中，ω表示車輪的旋轉(zhuǎn)加速度，S表示參考滑移率。針對(duì)不同路況設(shè)定了小滑移率門限值S和大滑移率門限值S2，小加速度門限a1、大加速度門限a2和減速度門限－a。ABS flag有2個(gè)值——0和1，表示ABS的開啟情況。

圖3 單輪ABS制動(dòng)控制流程圖

8個(gè)控制階段可以用于不同附著系數(shù)路面的控制，當(dāng)車輪減速度小于－a時(shí)，進(jìn)入Phase1，此時(shí)制動(dòng)液壓或電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持不變。若車輪抱死趨勢(shì)增大，即參考滑移率大于S1時(shí)，進(jìn)入Phase2，此時(shí)制動(dòng)液壓或電機(jī)轉(zhuǎn)矩呈減小趨勢(shì)。車輪減速度大于－a，參考滑移率大于S2時(shí)，進(jìn)入Phase3，適當(dāng)減小制動(dòng)液壓或電機(jī)轉(zhuǎn)矩。車輪減速度大于－a，而參考滑移率小于S2時(shí)，進(jìn)入Phase4，保持制動(dòng)液壓或電機(jī)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車輪加速度大于a1時(shí)，進(jìn)入Phase5，保持制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在附著系數(shù)較高的路面上，車輪加速度可能會(huì)進(jìn)一步升高，超過(guò)a2，進(jìn)入Phase6，增加制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高制動(dòng)力。車輪加速度減小到a2以下時(shí)，進(jìn)入Phase7，保持制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車輪加速度減小到a1以下時(shí)，判斷車輪已經(jīng)脫離了抱死危險(xiǎn)，進(jìn)入Phase8，加大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)減速度再次低于－a時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

在實(shí)際ABS四輪控制中，考慮到制動(dòng)時(shí)車輛的穩(wěn)定性，為了防止兩側(cè)制動(dòng)力差別造成附加轉(zhuǎn)向，對(duì)于前輪采用低選控制策略，即按照抱死趨勢(shì)嚴(yán)重的一側(cè)車輪來(lái)調(diào)節(jié)左右兩側(cè)的制動(dòng)力。前輪的電機(jī)制動(dòng)采用低選控制，后輪采用獨(dú)立控制，即按照?qǐng)D3的控制流程獨(dú)立控制單側(cè)車輪。

2.3 制動(dòng)模式判斷及切換

在行車過(guò)程中，一般都處于常規(guī)制動(dòng)控制策略狀態(tài)。對(duì)于后輪，當(dāng)任一車輪有抱死趨勢(shì)時(shí)，后輪即進(jìn)入防抱死制動(dòng)控制模式，其壓力調(diào)節(jié)閥不再受常規(guī)制動(dòng)控制策略的控制，而前輪則繼續(xù)工作在常規(guī)制動(dòng)控制模式下。當(dāng)前輪任一車輪有抱死趨勢(shì)時(shí)，前輪即進(jìn)入防抱死制動(dòng)控制模式，同時(shí)后輪也退出常規(guī)制動(dòng)模式進(jìn)入防抱死制動(dòng)模式。制動(dòng)過(guò)程中，一旦進(jìn)入防抱死制動(dòng)模式，則一直保持該模式，直到駕駛員松開制動(dòng)踏板為止。模式選擇流程如圖4所示。

圖4 集成制動(dòng)控制模式選擇流程圖

圖4中，B－f、B－r代表前輪和后輪的制動(dòng)模式，Rege表示常規(guī)制動(dòng)模式；ABS代表防抱死制動(dòng)模式；ωFL、ωFR、ωRL、ωRR分別代表左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的旋轉(zhuǎn)加速度；a為減速度門限值，以此判斷車輪的抱死趨勢(shì)；制動(dòng)踏板flag用來(lái)表示駕駛員是否踩下制動(dòng)踏板。

3 制動(dòng)系統(tǒng)集成控制策略仿真

在Matlab／Simulink中建立了仿真模型，包括駕駛員模型、液壓系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)和電池模型以及整車動(dòng)力學(xué)模型。模型有5個(gè)自由度，即縱向位移和4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)［3，9－12］。

3.1 常規(guī)制動(dòng)控制策略仿真

對(duì)于常規(guī)制動(dòng)控制策略，仿真主要是考察能量回饋的效果和回饋制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的融合，所以采用典型制動(dòng)工況來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算。工況以1m／s2的減速度從100km／h開始減速。1m／s2屬于低強(qiáng)度制動(dòng)，在較長(zhǎng)的制動(dòng)時(shí)間內(nèi)，可以詳細(xì)考察摩擦制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)的協(xié)調(diào)作用，以及電流、電壓、SOC等變化。

使用制動(dòng)能量回饋率來(lái)對(duì)制動(dòng)能量回饋效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，制動(dòng)能量回饋率定義為制動(dòng)過(guò)程中需要通過(guò)制動(dòng)器消耗的能量與電池回收的能量的比［13］，即

其中，rreg為制動(dòng)能量回收比率；Ek為總制動(dòng)能量，即制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)器上消耗的能量，汽車減速的動(dòng)能扣除行駛阻力消耗的能量部分；Eb為電池回收的能量，通過(guò)電池端電壓和電流計(jì)算得到。

仿真和試驗(yàn)均采用汽車滿載質(zhì)量，實(shí)際為1 875kg。仿真結(jié)果如圖5所示。

電池初始SOC設(shè)定為30%。圖5a中，駕駛員模型模擬常規(guī)制動(dòng)時(shí)駕駛員的操作，緩慢增大制動(dòng)踏板開度，然后維持在一定范圍內(nèi)，制動(dòng)結(jié)束時(shí)，緩慢松開踏板。從圖5b可以看出，在制動(dòng)初始階段，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足制動(dòng)需求，所以前后輪摩擦制動(dòng)共同作用，使汽車減速。隨著車速下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)的可輸出轉(zhuǎn)矩增大。首先減小前輪的摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，逐漸增大電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩的比例。前輪摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小到0，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩扔可以繼續(xù)增大時(shí)，開始減小后輪摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車速低于5km／h時(shí)，由于低轉(zhuǎn)速區(qū)電機(jī)開始不穩(wěn)定，撤回電機(jī)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，恢復(fù)摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使汽車停止?？傊苿?dòng)功率隨著車速降低呈總體下降趨勢(shì)，電機(jī)回饋功率由于電機(jī)的等功率外特性特征，在制動(dòng)前段過(guò)程中基本保持不變，轉(zhuǎn)速到基速以下時(shí)，隨車速降低而下降，SOC略有升高。

圖5 常規(guī)制動(dòng)控制策略仿真結(jié)果

整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中汽車損失能為723.4kJ，其中行駛阻力消耗的能量為75.6kJ，則總制動(dòng)能量為647.8kJ。電池組回饋的能量為261.7kJ，制動(dòng)能量回饋率為40.4%。

3.2 防抱死制動(dòng)控制策略仿真

防抱死制動(dòng)的仿真工況設(shè)定在低附著系數(shù)路面上，以120km／h初速度制動(dòng)。低附著系數(shù)路面上的仿真結(jié)果，如圖6、圖7所示。計(jì)算附著系數(shù)利用率為94.32%，回饋制動(dòng)能量34.1kJ，制動(dòng)距離為111.4m，平均制動(dòng)強(qiáng)度為4.92m／s2。從仿真結(jié)果曲線上可以看出，輪速和制動(dòng)壓力變化均呈現(xiàn)出防抱死制動(dòng)的周期性，防抱死控制策略工作正常。對(duì)于前輪，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)壓力變化趨勢(shì)相同，并且電機(jī)響應(yīng)有大約0.02s的超前。

圖6 低附著系數(shù)路面上防抱死制動(dòng)仿真結(jié)果（左前輪）

4 控制器試驗(yàn)

通過(guò)一套制動(dòng)集成控制系統(tǒng)，在實(shí)車上實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)與ABS制動(dòng)集成控制策略。該集成控制系統(tǒng)包括軟件和硬件部分，選用了FreeScale的S12系列單片機(jī)作為核心控制芯片。由于輪速信號(hào)是控制器的關(guān)鍵輸入量，為保證其精確性，利用Matlab的Sptool功能設(shè)計(jì)了軟件濾波器，利用DC－DC轉(zhuǎn)換器將車載電源轉(zhuǎn)換為控制器所需的5V電源，利 用 Matlab／Simulink 的 Real－time Workshop工具箱把控制策略軟件自動(dòng)生成C代碼，可以很方便地寫入單片機(jī)，選用Autobox系統(tǒng)作為測(cè)試的工作平臺(tái)。

4.1 常規(guī)制動(dòng)時(shí)控制策略試驗(yàn)

為便于對(duì)比，實(shí)車試驗(yàn)工況參照仿真工況進(jìn)行，仍設(shè)定初速度為100km／h，減速度為1m／s2進(jìn)行制動(dòng)。結(jié)果如圖8所示。從圖8a看出，車速較高時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的限制，摩擦制動(dòng)占的比例較高。隨著車速降低，電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，電機(jī)制動(dòng)所占的比例逐漸升高。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中總制動(dòng)能量為647.8kJ。電池組回饋的能量為254.3kJ，制動(dòng)能量回饋率為39.3%。圖8b中，1表示總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；2表示電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩；3表示前輪摩擦轉(zhuǎn)矩；4表示后輪摩擦轉(zhuǎn)矩。

試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比見表1所列。

圖8 常規(guī)制動(dòng)時(shí)控制策略試驗(yàn)結(jié)果

表1 常規(guī)制動(dòng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.2 防抱死制動(dòng)時(shí)控制策略試驗(yàn)

仍采用與仿真同樣的工況，防抱死制動(dòng)的試驗(yàn)工況設(shè)定為低附著系數(shù)路面上，以120km／h初速度制動(dòng)，結(jié)果如圖9、圖10所示。計(jì)算附著系數(shù)利用率為89.47%，回饋制動(dòng)能量59.7kJ，制動(dòng)距離116.3m，平均制動(dòng)強(qiáng)度為4.77m／s2。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，見表2所列。試驗(yàn)結(jié)果不如仿真結(jié)果理想，但也滿足設(shè)計(jì)要求。由于輪速波動(dòng)較大，試驗(yàn)的能量回饋較多。

圖9 低附著系數(shù)路面上防抱死制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果（左前輪）

圖10 低附著系數(shù)路面上防抱死制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果（左后輪）

表2 防抱死制動(dòng)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)既要保證制動(dòng)安全和穩(wěn)定，又要盡可能多地回收制動(dòng)能量的設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇了再生制動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了制動(dòng)控制策略，包括常規(guī)制動(dòng)時(shí)的控制策略和防抱死制動(dòng)時(shí)的控制策略，并制定了控制模式切換規(guī)則。

（3）建立整車仿真模型和控制策略模型，對(duì)集成控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，在小制動(dòng)強(qiáng)度的常規(guī)制動(dòng)時(shí)，控制策略能保證制動(dòng)性能，并有效地回收制動(dòng)能量，達(dá)到40%以上。在低附著路面上制動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，防抱死控制策略觸發(fā)。仿真結(jié)果表明防抱死控制策略制動(dòng)效果良好，能滿足制動(dòng)要求，并可回收一部分能量。

（4）設(shè)計(jì)了控制策略的實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)控制策略的效果進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果類似，表明控制器能滿足制動(dòng)系統(tǒng)集成控制的要求。

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