電－液復(fù)合制動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)感覺一致性及實(shí)現(xiàn)方法

李玉芳 吳炎花

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

電動(dòng)汽車采用電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的目的是在保證汽車制動(dòng)性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的有效回收，以增加汽車的續(xù)駛里程。電動(dòng)汽車在城市工況行駛時(shí)，通過再生制動(dòng)回收能量，可使汽車燃油消耗降低30%～50%，行駛里程增加10%～30%［1－3］。不同的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制動(dòng)力提供方式會(huì)改變電動(dòng)汽車的制動(dòng)感覺，直接影響到人－車系統(tǒng)的閉環(huán)控制和行駛安全性。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)感覺及其一致性等的研究比較少，研究重點(diǎn)主要集中在制動(dòng)感覺模擬器的設(shè)計(jì)與控制以及復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制算法等方面。文獻(xiàn)［4－7］研究了制動(dòng)感覺模擬器設(shè)計(jì)和制動(dòng)感覺的主客觀評(píng)價(jià)方法及試驗(yàn)方法，提出了制動(dòng)感覺的評(píng)價(jià)指標(biāo)及客觀量化方法。國(guó)外研發(fā)機(jī)構(gòu)和汽車廠家對(duì)電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)感覺的研究較多，其中最具代表性的是Toyota和Ford。而根據(jù)制動(dòng)感覺要求對(duì)電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與控制的研究相對(duì)較少。所以，對(duì)電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)感覺一致性的影響因素、實(shí)現(xiàn)條件和系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究具有理論價(jià)值及工程應(yīng)用價(jià)值。

1 制動(dòng)感覺一致性影響因素

1.1 制動(dòng)感覺一致性定義

（1）制動(dòng)感覺。制動(dòng)感覺是駕駛員制動(dòng)汽車時(shí)的主觀綜合感受，主要包括制動(dòng)踏板感覺和其他一些感覺，如對(duì)制動(dòng)噪聲、制動(dòng)抖動(dòng)等的感覺。制動(dòng)踏板感覺指的是制動(dòng)踏板反饋給人的感受，包括踏板力與踏板位移關(guān)系構(gòu)成的踏板特性，制動(dòng)減速度與踏板位移的關(guān)系，以及駕駛員感覺到的制動(dòng)減速度［4］。采用復(fù)合制動(dòng)的電動(dòng)汽車同傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的不同之處主要體現(xiàn)在制動(dòng)力的提供模式不同（其他結(jié)構(gòu)等條件相同），所以，本文對(duì)制動(dòng)感覺的研究主要指的是制動(dòng)踏板感覺的研究。

（2）制動(dòng)感覺一致性。制動(dòng)感覺一致性指的是對(duì)于相同的制動(dòng)踏板輸入，都必須保證有相同的制動(dòng)輸出。對(duì)電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)而言，制動(dòng)感覺一致性指的是不同行駛狀態(tài)下，電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在何種模式下工作，制動(dòng)系統(tǒng)輸出特性是確定的，即踏板力與踏板位移關(guān)系構(gòu)成的踏板特性是確定的，一定的踏板輸入下駕駛員感覺到的制動(dòng)減速度也是確定的。同時(shí)，電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)感覺一致性除了上述含義外，同時(shí)也包括使用復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車制動(dòng)感覺同傳統(tǒng)汽車制動(dòng)感覺的一致性。

1.2 影響因素分析

要實(shí)現(xiàn)電－液復(fù)合制動(dòng)電動(dòng)汽車的制動(dòng)感覺一致性，就需要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理等方面進(jìn)行分析。很多因素都會(huì)影響到電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)感覺及其一致性的實(shí)現(xiàn)，其中最重要的因素是復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置和控制策略，前者是實(shí)現(xiàn)制動(dòng)感覺一致性的基本條件，后者是實(shí)現(xiàn)制動(dòng)感覺一致性的根本保證。

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從根本上影響制動(dòng)感覺及其一致性。在傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)踏板通過杠桿機(jī)構(gòu)和真空助力器，與制動(dòng)主缸相連［5］，制動(dòng)主缸與制動(dòng)輪缸通過制動(dòng)管路相連，制動(dòng)壓力直接由人力通過制動(dòng)踏板輸入。駕駛員在制動(dòng)減速過程中，通過踩下和松開制動(dòng)踏板直接獲得制動(dòng)踏板感覺。除了對(duì)踏板行程、踏板力等的感覺外，制動(dòng)感覺還包括車輛制動(dòng)時(shí)的響應(yīng)速度和車輛減速度，以及車輛減速度可調(diào)性等指標(biāo)。制動(dòng)減速度可調(diào)性指的是，駕駛員在制動(dòng)過程中可以通過連續(xù)踩下或抬起制動(dòng)踏板來(lái)獲得期望的制動(dòng)減速度。踏板力、踏板行程等可以由制動(dòng)踏板感覺模擬器來(lái)模擬。制動(dòng)減速度及其可調(diào)性等則與液壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力輸出特性等有關(guān)。綜上所述，對(duì)于傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)踏板感覺與機(jī)械連接彈性、油液阻尼、活塞缸及液壓管路的長(zhǎng)度和直徑、制動(dòng)器設(shè)計(jì)有關(guān)。在制動(dòng)器等其他條件不變的情況下，制動(dòng)踏板感覺主要取決于踏板輸出特性、真空助力器輸出特性、液壓系統(tǒng)力輸出特性等因素。同電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)由于制動(dòng)力源確定，因而具有確定的制動(dòng)力輸出特性和制動(dòng)感覺輸出，不需要進(jìn)行調(diào)控。

相對(duì)于傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)汽車電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)具有不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。首先，制動(dòng)力源包括液壓制動(dòng)和再生制動(dòng)。其次，踏板信號(hào)不再是單純的液壓信號(hào)而是標(biāo)識(shí)力矩需求的電輸入信號(hào)。制動(dòng)踏板裝置通過傳感器提供踏板位置或位移信息，傳遞駕駛員意圖。所以，如果電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)由傳統(tǒng)汽車的液壓系統(tǒng)改裝而來(lái)，保留了原來(lái)的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，則無(wú)法通過制動(dòng)踏板感覺再生制動(dòng)力矩的大小，從而使電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)踏板力無(wú)法正確反映實(shí)際制動(dòng)力的大小，造成制動(dòng)踏板感覺錯(cuò)亂。

圖1 電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 控制策略

復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)按再生制動(dòng)力的輸出控制模式可分為并聯(lián)式和串聯(lián)式，兩者的制動(dòng)力輸出控制策略分別見圖2、圖3。

圖2 并聯(lián)式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

圖3 串聯(lián)式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

并聯(lián)式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)前后制動(dòng)器的制動(dòng)力按固定的比例輸出，再生制動(dòng)力矩在不超過前輪最大制動(dòng)力的前提下，按踏板開度大小輸出制動(dòng)力，制動(dòng)力分配關(guān)系與控制簡(jiǎn)單。但是，由于再生制動(dòng)力矩同時(shí)還受車速、蓄電池SOC等因素的影響，其輸出值不斷變化，造成總制動(dòng)力同制動(dòng)踏板力關(guān)系曲線不確定，同一制動(dòng)踏板輸入下可得到不同的制動(dòng)減速度輸出，駕駛員制動(dòng)感覺波動(dòng)大。這種控制模式對(duì)傳統(tǒng)汽車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)改動(dòng)不大，多出現(xiàn)在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)初期的改裝車上。

串聯(lián)式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是總制動(dòng)力同踏板力關(guān)系確定，前后軸制動(dòng)力按比例輸出。前軸驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力由再生制動(dòng)力矩和制動(dòng)器制動(dòng)力矩組成，前軸液壓制動(dòng)力大小可調(diào)。再生制動(dòng)力矩在前軸制動(dòng)力矩需求范圍內(nèi)可優(yōu)先提供，不足部分由液壓制動(dòng)力補(bǔ)充。這種串聯(lián)式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是前后軸制動(dòng)力定比例輸出，由踏板信號(hào)確定總制動(dòng)力大小，與無(wú)能量再生制動(dòng)系統(tǒng)的車輛相比，駕駛員在制動(dòng)減速度上有相同的制動(dòng)感覺；缺點(diǎn)是制動(dòng)力不是按理想制動(dòng)力分配曲線I線進(jìn)行控制，能量回收效率不高，同時(shí)，如果制動(dòng)踏板與液壓系統(tǒng)存在機(jī)械連接，調(diào)節(jié)前制動(dòng)器制動(dòng)力會(huì)造成液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)，無(wú)法保證良好的制動(dòng)踏板感覺。

綜上所述，以上兩種復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)基本上還是屬于固定比值的制動(dòng)系統(tǒng)，前后軸液壓制動(dòng)力通過比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，各車輪上的制動(dòng)力無(wú)法獨(dú)立控制，復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)很難達(dá)到再生制動(dòng)能量回收高效和制動(dòng)感覺良好的目標(biāo)，但是電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了液壓制動(dòng)力的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制，使這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

1.2.3 實(shí)現(xiàn)條件

通過對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略及制動(dòng)感覺一致性影響因素的分析可知，對(duì)于電動(dòng)汽車電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，要保證良好的制動(dòng)感覺一致性，必須要滿足兩個(gè)條件：第一，踏板不能和液壓制動(dòng)系統(tǒng)有機(jī)械連接，油壓不能直接反饋到踏板上。為保證踏板力－位移特性的一致性并能準(zhǔn)確反映駕駛員制動(dòng)意圖，通常采用制動(dòng)踏板模擬器來(lái)實(shí)現(xiàn)踏板力－位移特性的一致性并準(zhǔn)確反映駕駛員制動(dòng)意圖。第二，電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)必須為串聯(lián)式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)踏板輸入同總制動(dòng)力關(guān)系確定，前后軸液壓制動(dòng)力可以根據(jù)制動(dòng)工況和再生制動(dòng)力矩的變化獨(dú)立調(diào)節(jié)，保證總制動(dòng)力和制動(dòng)減速度的輸出。所以，基于再生制動(dòng)力矩和液壓制動(dòng)力矩的不同輸出響應(yīng)特性，制定電－液復(fù)合制動(dòng)力矩協(xié)調(diào)控制算法是必不可少的。電控液壓系統(tǒng)（electro－h(huán)ydraulic brake，EHB）同再生制動(dòng)系統(tǒng)的集成。其中，EHB能夠保證液壓制動(dòng)力的可調(diào)性，其結(jié)構(gòu)見圖4。傳統(tǒng)車輛上的EHB集成了制動(dòng)防抱死（antilock brake system，ABS）、牽引力控制（tractor control system，TCS）以及電子穩(wěn)定程序（electric stability programming，ESP）等功能，根據(jù)汽車行駛狀態(tài)需求調(diào)節(jié)4個(gè)車輪上的液壓制動(dòng)力。電動(dòng)汽車EHB同時(shí)還與再生制動(dòng)系統(tǒng)組成電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，協(xié)同輸出制動(dòng)力矩。需要強(qiáng)調(diào)的是，此處僅對(duì)電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)不同制動(dòng)模式下其制動(dòng)力矩的分配和控制進(jìn)行討論，提出滿足制動(dòng)感覺一致性的電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，而其他功能如TCS、ESP等的有效集成會(huì)在后續(xù)工作中涉及。由此提出一套實(shí)現(xiàn)制動(dòng)感覺一致性的電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)方法。主要的設(shè)計(jì)方法的步驟如下。

圖4 EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計(jì)方法

電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過對(duì)復(fù)合制動(dòng)力和制動(dòng)模式的有效控制及轉(zhuǎn)換，在保證制動(dòng)安全性和能量回收效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)感覺的一致性。根據(jù)前文所述的制動(dòng)踏板感覺一致性的實(shí)現(xiàn)條件，理想的電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)是

（1）電子制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)。主要包括制動(dòng)踏板模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制動(dòng)踏板輸出特性設(shè)計(jì)兩部分。根據(jù)前文所述，制動(dòng)踏板模擬器是電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩控制、獲得制動(dòng)感覺一致性的基礎(chǔ)和必要條件。制動(dòng)踏板裝置結(jié)構(gòu)采用文獻(xiàn)［5］中結(jié)構(gòu)，圖5中相關(guān)參數(shù)的含義見文獻(xiàn)［5］。系統(tǒng)主要包括制動(dòng)踏板、角度位移傳感器、制動(dòng)踏板感覺模擬器。制動(dòng)踏板模擬器主要通過電磁閥控制活塞兩邊的油液剛度來(lái)模擬踏板位移（活塞位移）同制動(dòng)反力的關(guān)系。通過控制與踏板相連接的液壓裝置模擬傳統(tǒng)車輛制動(dòng)踏板軌跡跟蹤特性和力輸出特性，使電動(dòng)汽車電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)具有良好的制動(dòng)感覺。制動(dòng)踏板輸出特性設(shè)計(jì)中，主要以制動(dòng)感覺良好的相似車型的制動(dòng)踏板位移及其變化率與制動(dòng)踏板力關(guān)系、制動(dòng)踏板位移及其變化率與制動(dòng)減速度及其響應(yīng)特性的關(guān)系，為電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)踏板模擬器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)［7－8］，中型轎車的良好制動(dòng)踏板特性見圖6。以此為依據(jù)進(jìn)行制動(dòng)踏板模擬器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法參見前面相關(guān)論述方法?？傂枨罅貫?/p>

式中，l為制動(dòng)踏板位移，mm；dl／dt為制動(dòng)踏板位移變化率，mm／s。

圖5 電子制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)

圖6 制動(dòng)踏板特性

（2）選型與配置。根據(jù)純液壓制動(dòng)模式下制動(dòng)安全性能的要求，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與參數(shù)選型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型見圖7，計(jì)算依據(jù)文獻(xiàn)［8］中的EHB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化選型計(jì)算方法；再生制動(dòng)系統(tǒng)配置及其輸出特性在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)選型時(shí)已經(jīng)確定。

圖7 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)控制框圖

（3）輪缸壓力計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)［9］建立左前輪缸壓力pL和制動(dòng)力矩Th的關(guān)系：

式中，Awc為制動(dòng)輪缸工作面積，m2；ηA為制動(dòng)效率；λB為制動(dòng)因數(shù)；R為車輪半徑，m；p0為推出制動(dòng)蹄，使之與制動(dòng)鼓接觸所需的壓力，kPa。

（4）控制規(guī)律設(shè)計(jì)。為了保證再生制動(dòng)、液壓制動(dòng)和復(fù)合制動(dòng)三種模式下的電動(dòng)汽車具有良好的制動(dòng)感覺一致性，必須使電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的總輸出制動(dòng)力矩等于制動(dòng)需求力矩，而制動(dòng)需求力矩由制動(dòng)踏板位移及其變化率決定，即由式（1）確定。因?yàn)樵偕苿?dòng)力矩隨著汽車行駛狀況一直在變化，所以為了使系統(tǒng)總制動(dòng)力矩輸出能夠跟隨制動(dòng)需求力矩，需要控制液壓制動(dòng)力矩，使其始終等于制動(dòng)需求力矩和再生制動(dòng)力矩的差值。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)可輸出轉(zhuǎn)矩通過式（3）～式（5）計(jì)算，液壓制動(dòng)力矩輸出Th根據(jù)式（6）計(jì)算，計(jì)算考慮了蓄電池不同SOC的影響。

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；T′r為電機(jī)可輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；T″r為電機(jī)在（n，SOC）點(diǎn)可輸出最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Tr為電機(jī)考慮了SOC值的可輸出力矩，N·m；η為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；ig、i0分別為變速箱變速比和主減速比。

（6）至此，由式（5）、式（6）確定了輸入輸出之間的關(guān)系，將輪缸壓力作為控制量，根據(jù)制動(dòng)踏板輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)以獲得期望減速度。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)見圖7。為了保證制動(dòng)臨界抱死時(shí)車輛的安全性，電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)僅在汽車常規(guī)制動(dòng)時(shí)對(duì)液壓制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)控。只要ABS啟動(dòng)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力由ABS進(jìn)行控制。

3 仿真分析

為了保證復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)感覺的一致性，液壓制動(dòng)力矩必須能夠跟隨再生制動(dòng)力矩的變化。再生制動(dòng)力矩的大小受電機(jī)轉(zhuǎn)速和蓄電池SOC限制，參見式（3）～式（5）。液壓制動(dòng)力矩的輸出受液壓閥響應(yīng)、遲滯時(shí)間和輪缸壓力變化率等因素的影響［8－9］。為了驗(yàn)證液壓系統(tǒng)制動(dòng)力的響應(yīng)特性，以整車整備質(zhì)量為1700kg的某SUV電動(dòng)汽車為例，利用AMESim建立了其液壓系統(tǒng)仿真模型。選取標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況SKELETON的部分減速過程為測(cè)試工況，工況特性參見圖8，這段工況的最大減速度為－2.68m／s2，最大下坡爬坡度為6%。根據(jù)式（1）～式（6），按汽車驅(qū)動(dòng)方程，由制動(dòng)減速度計(jì)算總制動(dòng)力矩的需求，根據(jù)電機(jī)和蓄電池SOC查表計(jì)算再生制動(dòng)力矩，液壓制動(dòng)力矩為二者差值，制動(dòng)力矩分配關(guān)系見圖9。

為了獲得輪缸壓力的跟隨特性，利用AMES－im建立的液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真過程中假定：①地面附著系數(shù)足夠，汽車沒有發(fā)生抱死；②每個(gè)輪缸制動(dòng)壓力相等；③制動(dòng)壓力變化頻率小于2Hz，制動(dòng)壓力和制動(dòng)力矩近似線性。根據(jù)式（2）和液壓制動(dòng)力矩的需求計(jì)算得到輪缸需求壓力，見圖10。根據(jù)液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到輪缸壓力輸出，見圖11。由仿真輸出曲線可以看出，液壓輪缸壓力能夠跟隨輪缸需求壓力而變化，即液壓制動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩響應(yīng)能夠跟隨再生制動(dòng)力矩的變化，從而保證一定制動(dòng)踏板下的總制動(dòng)力矩輸出，保證復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)感覺一致性。

圖8 減速工況特性

圖9 力矩分配關(guān)系

圖10 輪缸需求壓力

圖11 左前輪缸壓力仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

以對(duì)傳統(tǒng)車輛制動(dòng)感覺及影響因素的分析為基礎(chǔ)，提出了電動(dòng)汽車電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)感覺一致性的定義和實(shí)現(xiàn)的必要條件，提出了滿足感覺一致性的電－液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。基于AMESim建立了電控液壓系統(tǒng)模型并進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果驗(yàn)證了EHB液壓系統(tǒng)的制動(dòng)力矩可以跟隨再生制動(dòng)力矩變化，確保了一定的制動(dòng)踏板輸入下總制動(dòng)力矩的輸出，從而保證了電－液復(fù)合制動(dòng)的制動(dòng)感覺一致性。

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