電動汽車防抱死制動系統的研究

李倩敏（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000）

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電動汽車防抱死制動系統的研究

李倩敏
（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000）

摘要：以純電動車為研究對象，建立了車輛模型。在考慮汽車行駛安全性的基礎上，以車輪滑移率為控制目標，分別進行了液壓ABS制動和電機防抱死制動的研究，設計了液壓ABS控制策略和電機防抱死控制策略，并進行了仿真實驗，實驗結果表明提出的控制策略能有效提高電動汽車的制動安全性。

關鍵詞：ABS；控制策略；滑移率；安全性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-140-04

引言

由于能源危機和環境污染等問題，世界各國目前對電動汽車給予了前所未有的關注[1]。電動汽車在減速或制動時，控制電機可以實現制動能量的再生利用。與此同時，發電過程中產生的電機制動力矩又可通過傳動系統對驅動輪施加制動，產生制動力。在城市工況中，汽車需要較頻繁的啟動與制動，不管是采用哪種制動方式，一旦車輪抱死，后果可想而知，因此對于汽車行駛安全性能的要求越來越高。汽車制動防抱死系統（ABS）就是在這種要求下產生和發展的。防抱死制動系統防止車輪完全抱死，避免車輪側滑和前輪喪失轉向能力，提高汽車在制動過程中的方向穩定性和轉向操縱能力，縮短制動距離[2]。本文以純電動汽車為例，主要研究液壓ABS制動和電機防抱死制動兩種工況。

1、系統構成

圖1　電動汽車再生制動系統結構圖

以后輪驅動純電動車為例，研究電動汽車防抱死系統（見圖1）。電動汽車再生制動系統主要由液壓ABS、制動踏板、電機傳動系統及其控制單元、電池及其控制單元和協調控制器等組成。

本文以踏板加速度來確定制動強度的值，根據踏板行程來確定制動的方式，能比較準確的進行再生制動的控制。

2、液壓ABS制動系統的數學模型

假設車身左右對稱，忽略空氣阻力，車輪滾動阻力，并將簧上質量和簧下質量合為車輛整車質量，四輪車輛模型如圖2所示。

圖2　四輪車輛模型

車輛在縱向的受力

車輛在橫向的受力

車輛繞Z軸的擺動

四個車輪對地面的正壓力：

式中，m為整車質量，vx為車輛縱向運動速度，vy為車輛橫向運動速度，φ為車輛橫擺角速度，l為車輛軸距，c為車輛輪距，a和b分別為前軸和后軸到車輛質心的距離，Ni為車輪對地面的法向反力。

將主缸與輪缸中的液壓分別Pm、Pw記作增壓時，進液閥打開，出液閥關閉，制動液由高壓儲能器流向個輪缸；減壓時，進液閥關閉，出液閥打開，制動液經過出液閥又輪缸流向儲液器。根據液壓缸內壓力與壓力變化率的關系，可得輪缸增減壓系統模型如下：

式中C為由閥口形狀、液體流態、油液性質等因素決定的流量系數，AT為閥口的流通截面積；φ為閥口形狀決定的節流閥指數，其值在0.5~1.0之間；、為常閉閥的相應參數。

滑移率公式：

國內外一些文獻[2,4]提到在汽車的制動過程中把滑移率控制在15％～30％之間，此時具有較大的縱向和側向附著系數。

表1　仿真車輛參數

3、電機防抱死制動系統的數學模型

以汽車中某一個輪子為研究對象，忽略空氣阻力和車輪的滾動阻力，建立單輪制動力學模型如圖3所示：

圖3　汽車單輪制動力學模型

式中，I為車輪轉動慣量，Tb為再生制動力矩，Fs為車輪摩擦力，r為車輪滾動半徑，ω為車輪轉動角速度，N為車輪對地面的法向反力，μ為車輪與地面間附著系數。

假設永磁無刷直流電動機工作在三相全橋驅動，兩兩導通的工作方式。電機定子繞組為Y連接，3個霍爾元件在空間相隔120°對稱放置。

（1）忽略磁路飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗；

（2）不計電樞反應，氣隙磁場分布近似為平定寬度為120°電角度的梯形波；

（3）忽略齒槽效應，三相繞組完全對稱，連續均勻分布于電樞表面；

永磁無刷直流電機的電壓平衡方程為[5]：

R為定子每相繞組相電阻（Ω）；

LS為定子繞組自感（H）；

為定子每相繞組相反電動勢（V）；

P為微分算子（p=d / dt）；

電磁轉矩方程為：

式中：Te為電磁轉矩（N·m）；

ωm為電動機轉子機械角速（rad/s）；機械運動方程為：

式中：TL為負載轉矩

ωm為電動機轉動慣量（kg·m2）；

電機的仿真參數：

額定功率為500W，額定轉矩為2.5Nm，額定轉速N為1000rpm，每相繞組電感L為8Mh，每相繞組相電阻R為2.8Ω，轉動慣量J為，極對數p為2。

4、液壓ABS制動

圖4　液壓ABS控制流程圖

當電動汽車遇突發事件需要進行緊急制動時，此時駕駛員猛的踩下制動踏板，為了行車的安全，采用液壓ABS進行制動。在制動的過程中為了防止車輪發生抱死產生滑移并發生側滑，控制車輛運行在最佳狀態，控制過程中一般把滑移率控制在20％左右。

根據制動壓力、車輪速度和地面附著力的關系，將每個ABS控制循環分為增、減、保3種狀態，并通過制動輪缸分別作用在四個車輪上?？刂七壿嬋鐖D4所示。

表2　控制參數含義

經過MATLAB/Simulink仿真，圖5展示了車輛處于高附著路面時四個車輪制動時滑移率的變化趨勢?？梢钥闯?，制動初期車速較高時滑移率變化曲線在15％~30％左右，即控制在最佳滑移率控制點附近，符合控制的要求：

圖5　四個車輪滑移率曲線

5、電機防抱死制動

本文選用永磁無刷直流電機作為驅動電機進行仿真實驗。電機的輸出轉矩與電機的繞組電流成正比，所以通過對電機的回饋電流進行調控便可以改變電機的輸出轉矩。采用PWM（脈寬調制）對電流進行調控，電機回饋電流的大小有PWM占空比α決定，因此利用電動車控制器控制α的大小就可以實現“電制動”的目的，將車輛制動滑移率控制在30％以內。

當車輪將要抱死時，電動車電機PWM占空比α開始減小，電機繞組反向電流增加，制動轉矩增大，電機轉速下降。電動車控制器通過對前輪和后輪轉速的比較得出制動滑移率S，如果車輪的滑移率大于30％，說明車輪已經進入不穩定區域，便進入電機轉矩減小階段。這時α增大，使得S減小，當S小于10％時進入到下一個循環?？刂七壿嬋鐖D6所示，其中S2代表減壓的門限值，S1代表增壓的門限值：

圖6　電機防抱死控制流程圖

根據建立的數學模型，利用MATLAB/Simulink建模仿真，從圖7可以看出設計的控制策略可行，控制效果良好，滑移率基本控制在10％~30％左右，即控制在最佳滑移率控制點附近，車輪無抱死現象。

圖7　車輪滑移率曲線

6、結論

仿真結果表明，在高附著系數路面上，采用防抱死控制方法可以使車輛制動滑移率控制在10％~30％之間，避免了車輪抱死，增加了車輛行駛的安全性，達到了預期的效果。另外對于電動汽車在制動過程中怎樣協調液壓ABS與電機防抱死制動的問題，今后需要進一步研究。

參考文獻

[1]Mutoh N.Yahagi H.Control Methods Suitable for Electric Vehicles with Independently Driven Front and Rear Wheel Structures[C]. Vehicle Power and Propulsion,2005 IEEE Conference,7-9Sept.2005: 638-645.

[2]程軍.汽車防抱死制動系統的理論與實踐[M].北京理工大學出版社1999.9.P80-83.

[3]李國斐,林逸,何洪文.電動汽車再生制動控制策略研究[J].北京理工大學學報.2009(06).

[4]LV H Q, JIA Y M, Du Jun-ping, et al. ABS Composite Control Based On Optimal Slip Ratio[J], Proceedings of the 2007 American Control Conference Marriott Marquis Hotel at Times Square, New York City, USA, July 11-13, 2007 Page(s):5748~5752.

[5]王興華,勵慶孚,王曙鴻.永磁無刷直流電機空載氣隙磁場和繞組反電勢的解析計算[J].中國電機工程學報.2003,23(3):126—130.

Study on Anti-Lock Braking System of Electric Vehicles

LI Qianmin
( Patent examination cooperation center of the patent office, Sipo, Guangdong Gangzhou 510000 )

Abstract:Treating the Purely electric vehicles as research object, the vehicle model is established. Considering the driving safety of cars, the hydraulic ABS (Anti-lock Braking System) and motor ABS are both researched, which regard the slip ratio of wheels as the control target. Then a control strategy of hydraulic ABS and motor ABS are designed, with making a simulation experiment, the result shows that the proposed control strategy can effectively improve braking stability of the electric cars.

Keywords:ABS; control strategy; slip ratio; safety

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-140-04

作者簡介：李倩敏，就職于國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心。