分布式驅動電動汽車電液復合制動系統設計

王新健

（561000 貴州省 安順市 安順職業技術學院 工學院）

0 引言

分布式驅動電動汽車因其在運行過程中對環境基本無污染、熱輻射低和噪聲低等優勢逐漸成為國內外研究熱點。電液復合制動是解決電動汽車里程問題、提升能量利用率的主要措施之一，是未來電動汽車的發展方向。

目前，國內外研究學者在這方面已進行了大量的工作并已取得了一定的成果。例如，文獻[1]建立了集成式電液制動系統模型，得到系統的5 階非線性狀態方程，設計了基于PID 控制的位置-壓力串級控制器，主缸活塞在死區行程內，以補償孔位置作為活塞位置的反饋控制，活塞超過死區行程后，以伺服主缸壓力為控制目標的壓力反饋控制，并通過AMESim 軟件對其進行了驗證；文獻[2]以某款電動汽車為研究對象，設計了一種電液復合制動系統。該系統基于傳統汽車制動系統，在制動主缸和制動輪缸之間加入一個電磁閥和壓力傳感器，利用壓力傳感器的壓力信號來控制電磁閥的導通和截止狀態，最后通過電磁閥的通斷狀態來控制電機制動和液壓制動；文獻[3]提出利用RBF 神經網絡方法識別路面附著利用條件，設計了一種模糊控制與預測控制相結合的ABS 控制策略，結合制動強度、電池荷電狀態和電機回收制動能量最低車速等制定電機、液壓制動力矩分配策略；文獻[4]基于PID 控制方法將車輪滑移率控制最佳，進而獲取整車需求制動力矩，并進行車輛狀態判斷，保證橫擺力矩協調需求制動力矩在最佳滑移率范圍內調節，通過帶約束的最優分配算法對電液制動力矩進行優化分配；文獻[5]以輪邊電機驅動電動汽車為研究對象，提出一種由前饋加反饋控制的連續滑移率控制方法，獲取整車需求制動力矩，然后進行電機、液壓制動力矩的分配；文獻[6]以車速和電池荷電狀態為狀態輸入，基于模糊控制理論計算電、液制動力矩的分配權重，依據權重系數進行電、液制動力矩的適時調整；文獻[7]以輪轂電機驅動電動汽車為研究對象，基于最優控制與Lyapunov 理論相結合設計了以最優滑移率為目標的復合制動ABS控制器，并提出以電池荷電狀態為約束條件的電、液制動力矩分配策略；文獻[8]為解決制動能量回收與穩定性間的矛盾，分析了電液制動力的協同制動問題；文獻[9]通過液壓介入預測模塊和電機制動補償模塊的電液復合制動平順性控制策略，來解決電、液制動的時域響應差異而導致制動模式在切換時產生沖擊感；文獻[10]為了減少電、液制動模式在切換時因為電、液制動系統響應特性差異而引起的沖擊以及總力矩波動，制定了制動力分配控制策略，確定了不同制動模式切換的邊界條件。

本文通過CarSim 軟件建立除輪轂電機外的DDEV 整車動力學模型，通過MATLAB/Simulink 搭建了面裝式三相永磁同步電機模型，設計力矩優化分配控制器。根據駕駛員輸入z 劃分制動模式，并進行電、液制動力矩分配。最后進行聯合仿真驗證，能為提高制動效能、延長電動汽車續航里程等研究提供理論依據和技術支持。

1 電液復合制動系統設計

1.1 整車模型

整車模型利用動力學建模精度高、運行穩定和擴展性好等優勢的CarSim 仿真平臺進行搭建，本文以其自帶的E-Class 轎車參數進行研究。由于DDEV 的底盤結構與傳統燃油汽車存在較大的差異，如DDEV 可獨立控制各電機的轉矩與轉速等，從而取消變速器、分動器和差速器等。

1.2 輪轂電機模型

本文中，輪轂電機選用面裝式三相永磁同步電機，經過坐標變得其在dq坐標系下的電壓方程和電磁力矩方程分別為

為實現弱磁控制與轉矩控制之間的解耦，分別通過控制分解在dq軸上的電氣參數來對其進行控制。對于電動汽車而言，弱磁控制一般旨在提高電機的調速范圍，且在保證提升轉速的同時減小轉矩的衰減來達到高速行駛和超車等工況[11]。為保證電機在制動時能提供最大制動力矩，因此采用id=0[12]的矢量控制方法。則得其在q軸坐標系下的電壓方程和電磁轉矩方程分別為

式中：id，iq——定子電流在dq軸上的勵磁電流分量和轉矩電流分量；Ld，Lq——dq軸電感；Re——電樞電阻；ud，uq——dq軸電壓；P——電機的極對數；ψf——轉子磁鏈；ωm——電機轉速，即車輪角速度；Te——電磁力矩。

1.3 制動器模型

目前對制動系統的研究主要集中在線控系統和非線控系統中，其根本區別在于制動踏板與制動器之間是否通過機械裝置或能量裝置來傳遞力矩。由于非線控制動系統存在響應遲滯等現象，因此本文采用響應快速的線控制動系統。其制動力矩表達式[13]為

式中：A——制動器活塞面積；r——制動盤的有效摩擦半徑；Bf——制動器效能因素；P——輪缸輸入壓力。

2 電液制動力矩優化分配

2.1 上層力矩分配控制器

制動時所需的總力矩[14]為

式中：G——整車重力；z——制動強度；R——輪胎有效半徑。

2.2 中層力矩分配控制器

由參考文獻[14]可知，有不少二軸汽車的前后軸制動力矩的分配比為一固定值，為便于計算前后軸制動力矩的分配系數，定義分配系數β為

式中：Tbf——前軸制動力；φ——路面附著系數；L——軸距；hg——質心高度；b——質心處至后軸的距離。

則前、后軸的制動力矩分別為

式中：Tbr——后軸制動力。

車輪載荷的動態變化可作為車輪輪間力矩分配的重要依據，在進行力矩分配時可盡量往載荷多的那側分配，以這種分配方式，可以充分有效地利用路面附著條件，實現力矩的最優化分配。具體的分配方式為

式中：Fzi——各輪載荷，其中i=1，2，3，4 分別代表左前輪，右前輪，左后輪，右后輪。

2.3 下層力矩分配控制器

目前，依據制動強度可將制動模式分為純電機制動、電液復合制動和純液壓制動3 種模式[15]。雖然當前的制動模式能有效地進行電、液制動力矩分配，但其較少考慮在純電機制動時，電機所能提供的制動力矩無法及時滿足整車制動需求，不能保證駕乘人員的生命財產的情況。具體的制動模式及電液制動力矩分配如圖1 所示。

圖1 執行器電、液制動力矩分配圖Fig.1 Actuator electric and hydraulic braking torque distribution diagram

3 仿真與分析

3.1 高附著雙移線工況

在初始速度為60 km/h，路面附著條件為0.85工況下，駕駛員施加的制動強度在第7.5 s 時達到0.3。仿真結果如圖2—圖7 所示。

在如圖2 所示的駕駛員輸入條件下，車輛的實際運動軌跡與期望軌跡對比圖如圖3 所示。由圖可得，車輛的實際運動軌跡與期望軌跡具有較高的重合度。在圖4 和圖5 中，在0～1.4 s 左右，屬于純電機制動；1.4 s 之后，隨著駕駛員持續增加制動強度，此時需要電機、液壓制動器協調作用以保證制動安全。在整個過程中，隨著制動強度的不斷增大，車速也在逐漸降低，最終降至0，具體的變化曲線如圖7 所示。

圖2 駕駛員輸入Fig.2 Driver input

圖3 運動軌跡Fig.3 Motion trajectory

圖4 左前輪電液制動力矩分配曲線Fig.4 Electro-hydraulic braking torque distribution curve of left front wheel

圖5 右前輪電液制動力矩分配曲線Fig.5 Electro-hydraulic braking torque distribution curve of right front wheel

圖6 橫擺角速度響應曲線Fig.6 Yaw rate response curve

圖7 車速響應曲線Fig.7 Velocity response curve

3.2 低附著單移線工況

在初始速度為40 km/h，路面附著條件為0.4工況下，駕駛員施加的制動強度在第2 s 時達到0.1。仿真結果如圖8—圖12 所示。

由圖8—圖12可得：在制動強度的持續輸入下，各執行器在接收到上層制動指令后，立即響應系統。如圖10（a）和圖10（b）中所示，在0～1.25 s，單靠電機制動足以滿足制動需求，隨后制動強度不斷增大，電機、液壓制動器共同作用滿足制動需求；如圖10（c）和圖10（d）所示，單靠電機制動滿足制動需求。在上述制動力矩的作用下，車速平穩下降至0。

圖8 駕駛員輸入Fig.8 Driver input

圖9 運動軌跡Fig.9 Motion trajectory

圖10 電液制動力矩分配曲線Fig.10 Electro-hydraulic braking torque distribution curve

圖11 橫擺角速度響應曲線Fig.11 Yaw rate response curve

圖12 車速響應曲線Fig.12 Velocity response curve

從上述仿真曲線可以看出，本文所建立的DDEV 電液復合制動系統模型軌跡跟蹤能力強，具有較高的模型精度，全局工況下的魯棒性較強。

4 結論

針對DDEV，本文搭建的電液復合制動系統采用了分層結構控制方法，并通過CarSim 軟件和MATLAB/Simulink 軟件進行了聯合仿真。仿真結果顯示，所建立的系統模型和力矩分配方法等具有較高系統響應能力、軌跡跟隨能力，能為提高DDEV在全局工況范圍內車輛動力學控制效果及魯棒性提供理論和技術支持。