電動汽車防抱死制動系統控制策略現狀研究

摘 要：通過對電動汽車制動系統研究現狀分析，闡述了電動汽車里的ABS系統結構及工作過程，重點分析了五種ABS系統的控制策略的優缺點，提出未來電動汽車ABS制動系統的發展趨勢。

關鍵詞：防抱死制動系統；再生制動；控制策略；電動汽車

1 概述

石油匱乏、溫室效應、PM2.5等能源危機和環境污染日益突顯，已經嚴重影響著人們的衣食住行。傳統汽車不僅是原油的主要消耗者，也是溫室氣體、PM2.5等廢氣的主要排放者，所以電動汽車的發展在世界各國受到了前所有未有的關注。這里的電動汽車主要包含純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。電動汽車的安全技術尤其是制動技術將面臨越來越嚴格的考驗。再生制動技術由于其制動力受汽車電機性能、電池容量等的限制，單獨應用在汽車上其制動效果并不能達到理想狀態。故目前國內的電動汽車制動系統沿用了傳統汽車的防抱死制動系統的制動方式，或采用再生制動與ABS制動相結合的模式。本文在電動汽車制動系統研究現狀的基礎上對電動汽車環境下的ABS制動系統結構以及關鍵控制策略進行對比分析，提出未來發展趨勢。

2 電動汽車制動系統研究現狀

2.1 國外研究現狀

在國外從上世紀90年代開始電動汽車的制動系統產品就已上市且已具備較成熟的理論。日本豐田公司把ABS系統的功能和再生制動功能進行融合，開發了豐田混合動力控制系統，將整車能量利用效率提高到20%，之后該公司相繼推出THS-C系統、THS-M系統等進一步提升了制動技術。美國福特公司則以電子系統和機械制動為主開發了線控電液再生制動系統應用在混合動力汽車上。在制動系統理論方面，Eid Mohamed等人提出了并聯式混合動力車再生制動方案，不僅能實現摩擦制動與再生制動的協調，還能利用再生制動的快速響應特性更好地實現汽車的防抱死性能[1]。Hoon Yeo等人提出了一種再生制動控制算法，使電機工作在高效區[2]。

2.2 國內研究現狀

國內在電動汽車制動技術方面雖已取得階段性成果，但是較之國外大部分研究成果尤其是再生制動系統的研究仍停留在理論層面。張忠富融合現代先進機電控制技術，設計了一種新型電磁機械耦合再生制動系統，克服摩擦制動系統和再生制動系統兩套系統的相互獨立的缺陷[3]。張繼紅提出將電液制動系統與再生制動系統相結合應用在純電動汽車上，通過仿真分析整車性能及制動性能得出這一方法的可行性與有效性。在政策方面，2012年科技部發布的《電動汽車科技發展“十二五”專項規劃》確立了純電驅動的技術轉型戰略，明確了汽車動力系統電動化技術變革的總體方向。十三五規劃中則進一步強調電動汽車的技術提升與改進，鼓勵企業將互聯網技術與新能源電動汽車技術結合。

3 ABS系統控制策略分析

3.1 ABS系統結構

如圖1，電動汽車再生制動系統主要由ABS系統、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。現在市面上絕大部分電動汽車的ABS系統與傳統汽車的ABS系統具有異曲同工之處，極少數電動汽車的ABS系統是經過專門設計的。ABS系統結構是在普通制動系統的基礎上增加了轉速傳感器、電子控制裝置、制動壓力調節裝置、報警裝置等幾個部分。

3.2 ABS系統控制策略分析

對于裝有再生制動系統的電動汽車，將再生制動系統與ABS控制系統進行協調控制，不僅可以回收電動車的能量，還可合理分配制動力矩，增加車輛的制動穩定性。單純就汽車防抱死控制系統而言，主要有以下五種控制策略。

3.2.1 邏輯門限值控制策略。該控制策略應用在ABS系統中的具體原理是把車輪的制動參數設置一個門限值，通過對比實時制動參數與該門限值的差距判斷車輪是否趨于抱死。這種控制策略雖然對制動系統的數學建模要求低，但是由于門限值參數的判斷邏輯較多，需在反復試驗后得出規律，缺乏可靠性。

3.2.2 滑模變結構控制策略。其具體的應用原理是根據ABS控制系統的瞬時狀態以躍變的形式對制動量大小進行控制，確保系統在較小范圍內滑移換節曲線移動。在制動時具有較強的魯棒性，但在曲線切換中，通常會產生抖動現象。此外該控制策略中模型的狀態方程誤差較大會影響最終制動效果。

3.2.3 PID控制策略。PID控制所涉及的控制算法和控制結構都很簡單，便于工程應用。通過設定滑移率實際值與理論值之間的差值為優化目標，根據在線或離線專家經驗法對ABS控制器的參數進行整定，從而獲得較優的制動系數。但常規的PID控制器并不能滿足條件復雜的行車工況。故越來越多的研究者在這一控制策略的研究重點放在通過智能控制算法調節PID參數，如將免疫算法、蟻群算法等和PID控制方法聯合起來應用于ABS。

3.2.4 模糊控制策略。以基于滑移率的模糊控制策略為例，其應用原理是設計滑移率誤差與滑移率誤差變化率為輸入量，通過相應的模糊規則經過隸屬度函數輸出的制動壓力值對車輪進行控制，從而實現車輪的防抱死。該策略應用的關鍵是建立合理的模糊控制器并將該控制器應用ABS系統中，存在的缺陷是對較小誤差的控制方面難以達到較高的控制精度。

3.2.5 最優控制策略。在ABS控制系統中，通常選擇車輪角速度及角加速度作為狀態參數，以滑移率為控制優化目標，實施反饋閉環控制。該控制策略在理論層面較成熟，控制仿真效果較好，但是由于控制策略與精確的控制模型有很大關系，在實際應用中具有較大的難度。

4 電動汽車ABS系統發展趨勢

電動汽車的制動系統由再生制動和ABS制動系統的協調控制策略，從理論分析到設計應用也逐漸走向成熟，面臨產業化的應用。其發展方向有對再生制動系統結構改進，降低成本，大批量的應用在實體車中；優化協調控制策略，綜合考慮能量利用率與制動穩定性的平衡關系；將智能化的控制策略引入到ABS控制系統中，提升ABS系統的制動性能，豐富ABS控制理論內容。

5 結束語

汽車防抱死制動系統ABS不僅在傳統汽車上占據重要地位，而且在電動汽車領域仍發揮重要作用。在電動汽車領域，ABS制動控制策略的有效實施以及其與再生制動系統的協調控制是確保電動汽車實現最佳制動的基礎，也是提升電動汽車能量回收率的有效途徑。所以電動汽車的ABS制動控制系統與再生制動系統的集成控制策略仍然是值得深入研究的問題。

參考文獻

[1]張忠富.電動汽車電磁機械耦合再生制動系統構建及主動穩定性控制研究[D].北京：中國農業大學，2016.

[2]張繼紅.純電動汽車電液制動系統再生制動控制策略研究[D].吉林：吉林大學，2011.

[3]孫駿，蔣克榮.汽車ABS免疫PID控制算法[J].農業機械學報，2007，38（4）：27-30.

作者簡介：付杰（1984-），女，山東聊城人，工程師，碩士。