基于滑模自抗擾的電動汽車電制動系統動態負載模擬

曾利奎

（重慶工商職業學院，重慶 401548）

0 引言

在社會經濟和城市建設發展水平持續上升的背景下，面對能源污染和環境污染等問題帶來的不良影響，汽車行業在革新發展中將目光集中到了研發新能源上。相比傳統意義上的燃油汽車，電動汽車的電制動系統可以和摩擦制動系統達成制動需求。在正常運行條件下，利用電機再生制動回收少許車輛動能，電制動系統的動力距響應也能快速且準確的管控，尤其是在極端運行條件下，能全面提升汽車運行的經濟性和安全性。

1 電動汽車電制動系統的原理分析

現如今，針對電動汽車制動系統的研發提出了一項新技術，原本的制動系統需要駕駛員控制踏板，并與真空助力器連接在一起，其主要用來釋放駕駛員施加給踏板的力，并且會促使主泵活塞實施制動壓力。同時，制動分泵將會經過活塞制動后，促使制動片加緊制動盤，而后得到制動力。而在研制電動汽車時，在這一基礎上又增加了制動能量回收，且其可以被儲存到蓄電池當中，以此得到更多的驅動能量。另外，制動系統也會產生制動力矩，促使電動機盡快停止沒有價值的慣性運動，這一過程也被叫做再生制動。因此，駕駛員在松開油門之后，就會發現汽車運行速度可以快速下降，而就算不踩剎車也不需要擔心速度問題。結合當前市場建設發展趨勢分析可知，這種全新的制動系統電子化技術時未來汽車行業建設革新關注的焦點，不管是傳統內燃機還是電動車都將由此產生翻天覆地的變化[1]。

2 背景介紹

國內外科研學者在研究電動汽車電制動系統時，要想利用有關制動控制算法，必須要先進行大規模的測試和標定。其中臺架測試作為整體技術開發研究的關鍵環節，在實踐應用中具有成本低、時間短等優勢，但這種模式必須要保障加載裝置道路負載模擬的精度，因此在實踐操作時必須要準確展現實際運行狀態下的電制動系統工作情況。例如，有專家學者提出運用MATLAB系統的識別工具箱，離線辨別臺架轉速閉環控制系統的傳遞函數，以及頻域分析的相應特征，而后提出相應的補償算法。同時，還有學者在探討時提出，為了解決模式切換期間動態機械負載模擬出現過多問題，可以利用LQR和SMC有效結合的加載方式進行操作，這樣能有效提升負載模擬的精準度[2]。

3 系統模型

本文在研究時，要先熟悉與研究有關的各類模型，分別涉及到：第一，車輛動力學。結合下圖1分析可知，其作為前驅集中式電動汽車電制動系統的具體構成，其中車用電機屬于感應電機，此時要忽略系統兩邊的差異，電制動力矩將會通過變速器、差速器以及左右半軸勻速的傳遞到車輪的位置，在電機參與汽車制動的條件下，電機輸出軸和差速器之間的動力學方程為，其中代表電機的轉矩，代表半軸的轉矩，代表總傳動的速度比，而表示電機的輸出軸轉角，代表電機阻尼系數，代表電機到差速器之間的等效慣量，且可以用公式來表示。其中分別代表電機、減速器的輸入軸、中間軸以及輸出軸、差速器、半軸轉動慣量；第二，臺架動力學。這一模型是由車用電機和測功機剛性共軸連接的。俺咋后車用電機和測功機的軸向分析，選擇順時針方向代表汽車用電機轉速和轉距的正方向，那么逆時針代表測功機轉速和轉距的正方向。此時動力學方程公式如下所示，其中和代表測功機的轉動慣量、摩擦因數，表示測功機的轉角，代表測功機的轉矩，以及和分別為模型不明確的部分；第三，感應電機數學。不管是車用電機還是加載測功機都屬于感應電機，軸坐標下的感應電機的電壓、電流以及磁鏈和轉距的方程可以表示為

圖1 車輛動力學構成圖

表1 關鍵參數表

4 測試研究

一方面，正常制動。在這一條件下，電制動系統可以利用回饋制動力距和液壓制動力來滿足實際制動需求，最大的電機制動力矩策略也是現如今最為常見的分配形式，主要根據汽車狀態來準確評估電機所需的最大動力距，并計算符合制動需求所需的前輪制動力矩，而后分別確定回饋制動力矩和液壓制動力矩的命令數值與期望數值。這種方式最大的優勢在于可以充分利用電機制動力，且可以獲取更多有效的汽車動能。在正常制動中，將會影響整體汽車運行能量的經濟性和舒適感。因此，為了驗證制動控制算法的科學性，測試臺架必須要準確模擬內部系統的動態負載，尤其是模式切換的高動態過程[3]；

另一方面，防抱死制動。結合如下圖2所示的控制方法進行分析，防抱死制動在被觸發以后，通過明確路面附著來分析現如今路面所需的最大制動力。同時點制動系統將會在滑移率PID閉環管控下獲取制動力矩，動態調整汽車車輪滑移率需要具備參考數值，且在電機無法提供充足制動力的情況下，液壓制動系統必須要進行輔助。這一制動系統將影響著整個汽車的安全性和舒適度，因此為了保障后續臺架測試具有科學性和有效性，負載模擬算法必須要精準模擬防抱死控制下的點制動系統的動態負載，尤其是對那些防抱死控制性能不高，滑移率變化頻率過高的情況而言[4]。

5 研究分析與結語

5.1 測試方案

利用如下圖3所示的方案進行模擬分析，需要利用制動控制單元實時監管仿真平臺計算的車輛運行情況，并按照制動控制算法，管控車用電機對汽車產生的制動。同時，負載模擬控制單元控制臺架轉速必須要進行實時跟蹤，明確仿真平臺的目標數值。隨著誤差的降低，負載模擬性能將會越來越高，且臺架測試也會變得更加有效[5]。

圖3 負載模擬方案結構圖

5.2 結論分析

第一，構建融合感應電機模型的車和臺架機電一體化模型，能直觀展現整體汽車動力學控制臺架測試過程中，測功機、電機以及汽車的工作性能，可以用于未來行業進行車輛的動力學或測功機加載控制算法等方面的開發利用；第二，不管是傳動系彈性還是齒隙特性，在動態運行期間很容易出現傳遞力矩波動過大的現象，這樣很容易導致電制動系統在運動期間出現高頻震蕩。為了有效模仿相關高動態非線性負載，所選模擬算法必須要具備抗干擾性和動態性，同時要保障整體管控的準確性；第三，根據完全電模擬的負載模型拓撲和速度跟蹤控制的負載模擬方式分析，運用自適應模糊滑模自抗干擾的測功機加載控制算法，同時對比研究傳統IP控制、MPC以及ADRC，可以由此得到更為精準的模擬結果。在SMMULINK中實施制動模式切換和防抱死制動控制臺架測試進行模擬仿真研究工作，最終可以得到如下結果：第一，在切換制動模式時，負載模擬量化的數據誤差相比上述其他三種模式可以分別下降77.8%、65.9%以及46.6%；第二，相應防抱死制動過程的模擬量化誤差會分別下降57.7%，58.8%以及43.0%；第三，負載模擬誤差將會越來越低。由此可知，本文研究基于滑模自抗擾的模擬方式，能有效保障臺架測試的準確性和有效性，而且可以為后續電動汽車的科研項目提供有效依據。

6 結語

綜上所述，電制動系統作為未來電動汽車行業革新探索的重要內容，企業和科研人員必須要在整合當前應用經驗的基礎上，根據社會經濟和科技技術革新速度，不斷優化相關研究項目，多學習和借鑒國外的優秀案例，只有這樣才能從中得出更為完善的制動系統。同時，還要加強專業人才的培養力度，注重從電動汽車未來發展趨勢入手，培養更多高素質高技能的優秀人才，以此在積極參與相關科研項目活動的同時，提出更多具有研究價值的技術內容。