分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)防抱死控制策略研究

張 汝，徐國(guó)權(quán)，濮龍鋒，王樹(shù)榮

（1. 泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2. 蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，蘇州 215122）

前言

電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與推廣應(yīng)用是解決能源與環(huán)境問(wèn)題的有效途徑[1]。在驅(qū)動(dòng)形式上，電動(dòng)汽車(chē)主要可以分為集中式和獨(dú)立式兩種結(jié)構(gòu)。與集中式驅(qū)動(dòng)相比較，采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛能夠減輕質(zhì)量，簡(jiǎn)化傳動(dòng)系的布置，同時(shí)還可以通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的獨(dú)立控制更好地發(fā)揮車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)潛能，提高行駛安全性[2]。本文針對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在緊急制動(dòng)工況下電機(jī)力矩與液壓制動(dòng)力矩的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題開(kāi)展研究，所基于的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中，1 為車(chē)輪，2 為液壓制動(dòng)輪缸，3 為常閉電磁閥，4 為液壓泵及其電機(jī)，5 為低壓儲(chǔ)能器，6 為高壓儲(chǔ)能器，7 為常開(kāi)電磁閥，8 為輪缸壓力傳感器，9 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其減速器，10 為輪速傳感器。

圖1 電液復(fù)合制動(dòng)的硬件結(jié)構(gòu)

在電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，若不對(duì)再生制動(dòng)加以控制，會(huì)造成再生制動(dòng)力矩干擾ABS 系統(tǒng)正常工作，從而惡化制動(dòng)效果[3]。針對(duì)緊急制動(dòng)時(shí)再生制動(dòng)力矩的控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了廣泛的研究。文獻(xiàn)[4]中，作者設(shè)計(jì)邏輯門(mén)限值來(lái)控制回饋制動(dòng)力矩的開(kāi)閉從而達(dá)到調(diào)節(jié)總制動(dòng)力矩大小的目的。文獻(xiàn)[5]中，作者計(jì)算出防抱死制動(dòng)時(shí)所應(yīng)施加到車(chē)輪上的制動(dòng)力，后將此制動(dòng)力盡可能由再生制動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而最大限度回收了制動(dòng)能量。文獻(xiàn)[6]中作者提出僅利用電制動(dòng)，用滑模觀測(cè)器估算摩擦力和車(chē)速，用滑模控制器控制車(chē)輪滑移率來(lái)實(shí)現(xiàn)ABS 控制。

本文以提高制動(dòng)安全為目標(biāo)，針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)，提出一種電液復(fù)合雙路防抱死制動(dòng)控制策略。所提控制策略不是以總力矩大小來(lái)約束電機(jī)力矩輸出，而是以最優(yōu)滑移率為目標(biāo)，獨(dú)立進(jìn)行電機(jī)力矩與液壓制動(dòng)力矩的控制。同時(shí)考慮到電機(jī)力矩與液壓制動(dòng)力矩的差異，通過(guò)合理選擇兩者控制算法，達(dá)到充分利用電機(jī)力矩響應(yīng)迅速，具有驅(qū)動(dòng)、回饋制動(dòng)雙向特性的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)液壓制動(dòng)力矩響應(yīng)較慢的不足，提高車(chē)輪最優(yōu)滑移率跟隨能力。

通過(guò)搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了所提雙路控制策略的有效性。

1 電液復(fù)合制動(dòng)防抱死雙路控制策略

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在緊急制動(dòng)時(shí)，為使車(chē)輪滑移率更好地跟隨最優(yōu)滑移率，獨(dú)立進(jìn)行電機(jī)力矩與液壓制動(dòng)力矩的控制，控制流程如圖2 所示。控制器工作時(shí)，首先接收輪缸壓力傳感器信號(hào)、通信總線上電機(jī)力矩信號(hào)、輪速傳感器信號(hào)估算車(chē)輪當(dāng)前滑移率。據(jù)此，液壓制動(dòng)力矩控制模塊和電機(jī)力矩控制模塊根據(jù)各自控制算法計(jì)算最優(yōu)輪缸壓力和電機(jī)力矩。

圖2 雙路控制策略結(jié)構(gòu)圖

1.1 液壓制動(dòng)力矩控制

由于滑模變結(jié)構(gòu)控制方法具有響應(yīng)快、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，本文用其進(jìn)行液壓制動(dòng)力矩的控制。

采用如圖3所示的單輪車(chē)輛模型進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，忽略空氣阻力和滾動(dòng)阻力。

車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方程，

式中：Fd為地面摩擦力；M 為整車(chē)質(zhì)量；V 為車(chē)身速度。車(chē)輪運(yùn)動(dòng)方程，

式中：Thb為制動(dòng)器作用到車(chē)輪上的制動(dòng)力矩；Rr為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；J 為車(chē)輪繞y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Vω為車(chē)輪轉(zhuǎn)速。

其中，

式中：μ 為路面摩擦系數(shù)；FN為車(chē)輪所受垂向載荷。

計(jì)算滑移率：

考慮到可實(shí)施性，選擇一階線性滑移線，用車(chē)輪滑移率作為狀態(tài)變量，

圖3 汽車(chē)單輪模型

式中：C 為加權(quán)系數(shù)；λ0為最優(yōu)滑移率；g 為重力加速度。

引入等速趨近率，

則有，

1.2 電機(jī)力矩控制

與液壓制動(dòng)力矩相比，電機(jī)力矩響應(yīng)迅速、具有雙向特性且力矩大小精確可調(diào)，因此基于所推導(dǎo)電機(jī)力矩與車(chē)輪滑移率傳遞函數(shù)關(guān)系進(jìn)行力矩控制。在1.1 節(jié)中單輪模型基礎(chǔ)上變換車(chē)輪運(yùn)動(dòng)方程為，

式中：Fmb為電機(jī)力矩等效作用到輪胎與地面接觸點(diǎn)上輪胎所受的力；Mω為車(chē)輪等效質(zhì)量。

輪胎所受地面力的變化量△Fd與摩擦系數(shù)變化量△μ 有如下關(guān)系，

引入μ-λ 曲線的斜率為k，

因此，在控制器采樣點(diǎn)記車(chē)速為V0，輪速為Vω0，

由此可以得到由制動(dòng)力到Fmb到滑移率λ 的傳遞函數(shù)G（s）為，

其中，

1.3 車(chē)速估計(jì)

可由制動(dòng)器輪缸壓力得到車(chē)輪所受液壓制動(dòng)力矩Thb，

圖5 高附著系數(shù)路面防抱死制動(dòng)仿真結(jié)果

圖6 低附著系數(shù)路面防抱死制動(dòng)仿真結(jié)果

式中：P 為輪缸壓力；Kb為制動(dòng)因數(shù)；Rp為制動(dòng)盤(pán)半徑。

電機(jī)力矩Tmb可以由讀取電機(jī)控制器信息獲得。因此，

2 仿真驗(yàn)證

雙電機(jī)獨(dú)立前驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)直線緊急制動(dòng)工況的半實(shí)物仿真分為高附著系數(shù)路面（附著系數(shù)為0.9）和低附著系數(shù)路面（附著系數(shù)為0.3）兩種，并假設(shè)最大利用附著系數(shù)出現(xiàn)在滑移率為0.2 時(shí)。仿真時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)以80km/h 初速度進(jìn)行緊急制動(dòng)，忽略駕駛員踩下制動(dòng)踏板的延遲。

仿真結(jié)果表明在緊急制動(dòng)工況，雙路控制策略控制下的車(chē)輛制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間都有了較大幅度減小。

當(dāng)采用將電機(jī)力矩與液壓制動(dòng)力矩作為整體進(jìn)行控制時(shí)，電機(jī)力矩與液壓力矩同時(shí)增大或者減小，如圖6中c、d，這樣難以利用電機(jī)力矩響應(yīng)較快的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致力矩調(diào)節(jié)周期較長(zhǎng)，整體控制下最優(yōu)滑移率追蹤能力較差。當(dāng)采用雙路控制策略時(shí)，電機(jī)力矩與液壓制動(dòng)力矩相互獨(dú)立控制，各自根據(jù)控制算法進(jìn)行力矩調(diào)節(jié)，特別是電機(jī)可以發(fā)出驅(qū)動(dòng)力矩快速降低滑移率，提高了力矩響應(yīng)靈敏性，雙路控制下最優(yōu)滑移率追蹤效果較好。

但雙路控制下，會(huì)出現(xiàn)液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，這會(huì)增大制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)鉗磨損。

3 結(jié)論

1）建立了分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)的電液復(fù)合制動(dòng)雙路防抱死控制策略，有效管理了緊急制動(dòng)時(shí)電機(jī)的力矩，縮短了緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離與制動(dòng)時(shí)間。

2）根據(jù)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇滑模變結(jié)構(gòu)控制方法進(jìn)行液壓制動(dòng)力矩的控制，提高了力矩響應(yīng)速度；依據(jù)電機(jī)力矩與車(chē)輪滑移率傳遞關(guān)系進(jìn)行電機(jī)力矩控制，充分利用電機(jī)力矩響應(yīng)較快、具有驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)雙向性的優(yōu)勢(shì)，提高了最優(yōu)滑移率追蹤能力。

3）電機(jī)力矩的加入提高了車(chē)輛緊急制動(dòng)性能，制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩會(huì)增大制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)鉗磨損。

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