分布式電動(dòng)車轉(zhuǎn)向電液復(fù)合制動(dòng)控制

肖旭輝

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由于電機(jī)單獨(dú)可控，可通過附加直接橫擺力矩來提升車輛的穩(wěn)定性能[1]。且電機(jī)具有響應(yīng)速度快，控制精確快速的優(yōu)點(diǎn)，但輸出的力矩有限[2]。現(xiàn)在的電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中，除了可以用傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)外，還可以通過電機(jī)的回饋制動(dòng)在給車輛制動(dòng)力的同時(shí)給車載電池充電[3]。

對(duì)于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)力的分配，一方面要考慮回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力之間的分配比例，盡可能提高能量回收效率；另一方面，由于考慮法規(guī)的限制和穩(wěn)定性要求，汽車后軸應(yīng)具有一定的制動(dòng)強(qiáng)度，因此還須考慮前后軸制動(dòng)力的分配，和各車輪的制動(dòng)力分配[4]。

本文提出了一種基于穩(wěn)定性加權(quán)系數(shù)的分層控制的電液制動(dòng)力復(fù)合分配策略，使制動(dòng)力矩分配既能滿足穩(wěn)定性需求又能使在當(dāng)前工況下經(jīng)濟(jì)性能最大化，并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電液復(fù)合制動(dòng)控制策略

本文采用分層控制結(jié)構(gòu)，包括上層狀態(tài)控制器和下層分配控制器，如圖1所示。

1.1 橫擺力矩控制

為了求得理想的橫擺力矩，本文采用線性二自由度汽車模型作為求上層控制力的參考模型，如圖2所示。

二自由度車輛動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中

式中：△M為附加橫擺力矩；Iz為汽車?yán)@z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωr為橫擺角速度；K1，K2分別為前后輪的側(cè)偏剛度；m為整車質(zhì)量；a，b分別為汽車質(zhì)心至前后軸中心線的距離；vx，vy分別為質(zhì)心速度在縱向和橫向的分量。

令，可得穩(wěn)態(tài)橫擺角速度和前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系：

考慮路面附著極限，可得理想橫擺角速度為：

狀態(tài)量ωr的系統(tǒng)非線性方程為：

式中Fyf和Fyr分別是前后軸的側(cè)向力。

選擇滑模面為：

其中，λ為和收斂速度有關(guān)的正常數(shù)，e=ωr-ωrd。

令可得等效控制率

令控制率u=ueq-k·sgn(s)

k為正常數(shù)，sgn(s)為符號(hào)函數(shù)。

由于控制率中含有符號(hào)函數(shù)，會(huì)使系統(tǒng)到達(dá)滑移面時(shí)發(fā)生抖振，為了消除抖振，本文引入邊界層，即采用飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)，在邊界層外采用正常的滑模控制，在邊界層內(nèi)采用連續(xù)狀態(tài)的反饋控制[5]。令飽和函數(shù)為：

ψ為邊界層厚度，本文取0.1。

綜上可得到控制率u=ueq-k·sat(s)

1.2 前后軸制動(dòng)力分配

為了滿足安全性的需要，汽車的前后軸制動(dòng)力分配區(qū)域必須包含在由I曲線、f曲線和ECE R13法規(guī)曲線三條曲線所確定的區(qū)間內(nèi)，將汽車參數(shù)和路面附著系數(shù)代入三條曲線方程，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度直線即可求出與分配區(qū)域的上下邊界的交點(diǎn)A、B，即可求出兩點(diǎn)之間的線段距離，再乘以穩(wěn)定性系數(shù)k即可求得在AB連線上所需的分配點(diǎn)k，所對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)即為前后軸制動(dòng)力。

圖3 前后軸制動(dòng)力分配圖

1.3 穩(wěn)定性權(quán)重系數(shù)求解器

本文提出穩(wěn)定性權(quán)重系數(shù)k，則經(jīng)濟(jì)性權(quán)重系數(shù)為1-k。對(duì)應(yīng)系數(shù)的大小就表明了此時(shí)汽車是該以穩(wěn)定性為主還是該以經(jīng)濟(jì)性為主。

以制動(dòng)意圖和路面附著系數(shù)作為穩(wěn)定性加權(quán)系數(shù)模糊控制求解器的輸入?yún)?shù)。

模糊求解器的求解規(guī)則為：制動(dòng)減速度越大，k值越大，路面附著系數(shù)越大，k值越小。

制動(dòng)減速度和路面附著系數(shù)的隸屬度函數(shù)見下圖。

圖4 制動(dòng)減速度和路面附著系數(shù)隸屬度函數(shù)圖

1.4 各個(gè)車輪的制動(dòng)力分配

系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)應(yīng)該結(jié)合穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性才能保證汽車穩(wěn)定行駛下又能保證汽車處于能效最高。

對(duì)于穩(wěn)定性目標(biāo)函數(shù)，以輪胎利用率最小為分配優(yōu)化目標(biāo)。

式中：輪胎的橫向力FY和縱向力FX之間滿足輪胎橢圓關(guān)系，通過魔術(shù)輪胎模型即可把兩者解耦。ηi為車輪的路面附著利用率，車輪的路面附著利用率越低，表示車輪的剩余附著能力越高，意味著此車輪的穩(wěn)定性越高。

汽車的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)為各電機(jī)的效率之和。

Tf1、Tf2分別為左前輪和右前輪的電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Ireq為需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，η(Tf1,n)、η(Tf2,n)為前軸左右電機(jī)效率，Je越大經(jīng)濟(jì)性越好。

本文引入之前求得的穩(wěn)定性加權(quán)系數(shù)作為系統(tǒng)能效目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)。

電機(jī)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要受轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性、電池狀態(tài)、車速等參數(shù)的影響，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：

式中：Treg表示電機(jī)的回饋制動(dòng)力矩，PN為電機(jī)額定功率，nb為電機(jī)基速，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)的回饋制動(dòng)在較低的車速時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)的迅速減少，制動(dòng)能力會(huì)明顯下降，為了保證行駛安全性，對(duì)電機(jī)設(shè)置一個(gè)最低安全轉(zhuǎn)速要求，所以引入最低轉(zhuǎn)速要求的電機(jī)回饋制動(dòng)力矩為：

式中：

所以對(duì)于本文采取的前驅(qū)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車，整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)就可以整理為設(shè)計(jì)變量u=[FXfl,FXfr,FXrl,FXrr]T，求解maxJ。約束條件為：

式中Ff和Fr分別為前后軸制動(dòng)力，本文優(yōu)先采用電機(jī)控制策略，在電池SOC達(dá)到飽和（SOC=0.8）之后再將制動(dòng)力分配給液壓系統(tǒng)，由于本次實(shí)驗(yàn)為少次實(shí)驗(yàn)，所以SOC的影響可以不考慮。

2 仿真與驗(yàn)證

本文仿真的實(shí)驗(yàn)工況選取 IOS3888-1∶1999(E)標(biāo)準(zhǔn)雙移線工況，在仿真過程中令穩(wěn)定性加權(quán)系數(shù)為0.6。

圖6為實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖，展示了橫擺角速度變化曲線，由圖可以看出，采用了本文分配算法的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車能夠很好的跟隨理想的橫擺角速度。

圖5 橫擺角速度變化曲線

圖6為車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，從圖6a可以看出電液復(fù)合制動(dòng)算法的車輛的軌跡和預(yù)設(shè)軌跡偏差很小，圖6b中的無分配算法的傳統(tǒng)控制車輛產(chǎn)生了較大的偏移，因此由圖中的車輛路徑可以看出，采用本文的控制分配的電動(dòng)車能很好的跟隨路徑，在轉(zhuǎn)彎過程中能夠保證足夠的安全性。

圖6 車輛運(yùn)動(dòng)軌跡

3 結(jié)論

針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，考慮在彎道制動(dòng)過程中，既能保證車輛行駛穩(wěn)定性又能兼顧制動(dòng)能量回收，本文提出了一種帶穩(wěn)定性加權(quán)系數(shù)的電動(dòng)車電液復(fù)合制動(dòng)的控制方法。該控制方法，采用分層結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了上層的狀態(tài)控制器和下層的分配控制器。通過對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可以看出，車輛在轉(zhuǎn)向制動(dòng)時(shí)，采用本文提供的控制方法可以有效提高車輛的穩(wěn)定性，并且能充分發(fā)揮再生制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，提高車輛的經(jīng)濟(jì)性和整車系統(tǒng)能效。

參考文獻(xiàn)

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