基于路面識(shí)別的并聯(lián)式制動(dòng)能量回收策略研究

林巨廣， 顧 杰， 余向東

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 新能源汽車(chē)工程研究院，安徽 合肥 230009；2.東風(fēng)電動(dòng)車(chē)輛股份有限公司 技術(shù)開(kāi)發(fā)部，湖北 武漢 430056）

電動(dòng)汽車(chē)由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，可以在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)讓電機(jī)提供一部分制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的功能。為了盡可能提高電制動(dòng)力在制動(dòng)力中所占的比例，大部分研究都對(duì)傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，并采取串聯(lián)式的制動(dòng)能量回收策略［1－6］。在實(shí)際整車(chē)企業(yè)中，為了車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的安全穩(wěn)定和盡量不增加成本，一般不改動(dòng)傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，而采用并聯(lián)式的制動(dòng)能量回收策略。因?yàn)闊o(wú)法識(shí)別路面狀況，為了安全，在電制動(dòng)力的分配上只有放低閾值，所以制動(dòng)能量回收的效率不高，在某些極端路況下，可能會(huì)出現(xiàn)抱死等不安全情況。

文獻(xiàn)［7］詳盡描述了當(dāng)前路面附著系數(shù)估算技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。本文根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)的特性估算當(dāng)前的路面狀況，提出了并聯(lián)式的電制動(dòng)力分配策略。

1 路面狀況識(shí)別

本文的研究車(chē)輛是由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)前輪，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)時(shí)前輪受到驅(qū)動(dòng)力矩和摩擦力的作用，會(huì)有一定的滑轉(zhuǎn)，而后輪只在地面摩擦力的作用下做純滾動(dòng)，此時(shí)利用后輪轉(zhuǎn)速可以計(jì)算出車(chē)輛速度，從而能得出準(zhǔn)確的車(chē)輛滑移率。由滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系式與車(chē)輪當(dāng)前的受力情況，計(jì)算出幾種典型路面下前輪的角速度變化率，將此角速度變化率與實(shí)際檢測(cè)到的角速度變化率進(jìn)行比較，即能估算出當(dāng)前處于哪種路面狀況。

車(chē)輛驅(qū)動(dòng)時(shí)，前輪受力如圖1所示［8］。

圖1 驅(qū)動(dòng)時(shí)單個(gè)前輪受力圖

1.1 驅(qū)動(dòng)輪受力分析

通過(guò)受力分析，路面與車(chē)輪之間的摩擦力為：

其中，F(xiàn)d為路面與車(chē)輪之間的摩擦力；μ為路面附著系數(shù)；Fz為路面對(duì)輪胎的支撐力；J為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；Tm為車(chē)輪受到的驅(qū)動(dòng)力；r為車(chē)輪半徑。

1.2 車(chē)輛滑移率

其中，λ為車(chē)輛前輪滑移率［9］；ω0為后輪角速度。

1.3 路面附著系數(shù)

路面附著系數(shù)μ為：

其中，C1、C2、C3為某一路面狀況下的對(duì)應(yīng)參數(shù)［10］。

1.4 典型路面參數(shù)值

本文研究的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行范圍為城市及郊區(qū)，包含了車(chē)輛不同季節(jié)、不同天氣所遇到的實(shí)際路況，即不下雨時(shí)的干瀝青路況、下雨時(shí)的濕瀝青路況、路面覆蓋積雪路況及路面覆蓋冰的路況。4種路況對(duì)應(yīng)的參數(shù)見(jiàn)表1所列［10］。

表1 典型路況參數(shù)值

1.5 路面狀況識(shí)別模型

由（1）～（5）式，可以求出各種典型路況下前輪的角速度變化率為：

通過(guò)前輪實(shí)際角速度變化率˙ω與各種典型路況估算出的前輪角速度變化率˙ωn比較，差值最小路況即認(rèn)為是當(dāng)前路面的實(shí)際情況。

2 電制動(dòng)力分配

2.1 制動(dòng)踏板開(kāi)度設(shè)置

并聯(lián)式制動(dòng)力分配策略不改變?cè)械囊簤褐苿?dòng)系統(tǒng)，但電制動(dòng)力的分配需要知道踏板的開(kāi)度信息，所以在原來(lái)的制動(dòng)踏板中安裝了位移傳感器，用來(lái)表明踏板踩下后的開(kāi)度信息。制動(dòng)踏板開(kāi)度為0～100%，制動(dòng)踏板位移量與開(kāi)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 制動(dòng)踏板開(kāi)度與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 電制動(dòng)力分配約束條件

在附著系數(shù)為μ的路面上，車(chē)輛的制動(dòng)力分配應(yīng)包含在ABCD所包圍的區(qū)域內(nèi)［9］，如圖3所示。

圖3 電制動(dòng)力分配約束區(qū)域

（1）圖3中線段1為車(chē)輛在當(dāng)前路面的r線，制動(dòng)力為：

（2）圖3中線段2為車(chē)輛在當(dāng)前路面的f線，制動(dòng)力為：

其中，b為車(chē)輛質(zhì)心到后軸的距離。

（3）圖3中線段3為簡(jiǎn)化的ECE法規(guī)線，制動(dòng)力為：

（4）圖3中線段4為傳統(tǒng)車(chē)輛上的前、后輪制動(dòng)力分配線，其制動(dòng)力之比為：

其中，β為制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)。

2.3 高附著路面電制動(dòng)力分配策略

本文提出的電制動(dòng)力分配策略是在車(chē)輛滿足制動(dòng)回收的條件下，整車(chē)控制器根據(jù)駕駛員對(duì)制動(dòng)踏板開(kāi)度的操作，判斷出車(chē)輛當(dāng)前的電制動(dòng)減速度需求，從而獲得當(dāng)前應(yīng)施加的電制動(dòng)力的大小。高附著路面上車(chē)輛制動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)踏板的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 高附著路面制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系

圖4 中，OEF、OGH分別表示傳統(tǒng)車(chē)輛在濕瀝青路面和干瀝青路面下制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系。ABCDEF和ABCDGH 分別描述本文所提出的制動(dòng)能量回收策略下制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。

（1）制動(dòng)踏板空行程的利用。在傳統(tǒng)車(chē)輛上，駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，由于傳統(tǒng)液壓機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，制動(dòng)踏板達(dá)到一定位移后，液壓制動(dòng)系統(tǒng)才能建立油壓使車(chē)輛受到制動(dòng)力。當(dāng)制動(dòng)踏板裝上位移傳感器后，制動(dòng)踏板有位移變化，且在制動(dòng)油壓建立前，此時(shí)電機(jī)施加一定的制動(dòng)力?？紤]到此時(shí)的制動(dòng)踏板開(kāi)度較小，制動(dòng)效果不應(yīng)該過(guò)大，此時(shí)制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖4中AB段所示。

（2）正常制動(dòng)時(shí)的電制動(dòng)力分配。據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%的駕駛員在干燥路面上達(dá)到的減速度不超過(guò)3.5m／s2［11］。由此將制動(dòng)強(qiáng)度小于0.35的制動(dòng)定義為正常制動(dòng)，制動(dòng)回收效果的好壞取決于在正常制動(dòng)時(shí)電制動(dòng)力施加的多少。在車(chē)輛滿足制動(dòng)回收條件，制動(dòng)減速度小于3.5m／s2時(shí)，制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖4中BC段所示。

（3）一般緊急制動(dòng)時(shí)的電制動(dòng)力分配。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在干燥路面上的制動(dòng)減速度超過(guò)6m／s2的情況很少［11］，由此將制動(dòng)強(qiáng)度大于0.35小于0.6的制動(dòng)定義為一般緊急制動(dòng)。當(dāng)制動(dòng)踏板開(kāi)度大于一定值后，表明此時(shí)駕駛員需要更大的制動(dòng)強(qiáng)度，此時(shí)車(chē)輛若滿足制動(dòng)回收條件，則加大施加電制動(dòng)力，制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖4中CD段所示。

（4）嚴(yán)重緊急制動(dòng)時(shí)的電制動(dòng)力分配。若制動(dòng)強(qiáng)度大于0.6后，駕駛員繼續(xù)增加制動(dòng)踏板開(kāi)度，則為嚴(yán)重緊急制動(dòng)。在傳統(tǒng)車(chē)輛上，制動(dòng)強(qiáng)度隨著制動(dòng)踏板開(kāi)度的增加，沿著圖4中的線段1上升。以濕瀝青路面為例，在濕瀝青路面上，制動(dòng)強(qiáng)度到達(dá)E點(diǎn)時(shí)，前后輪制動(dòng)力分配線與當(dāng)前路面的r線相交，前輪將抱死。

隨著制動(dòng)踏板開(kāi)度的繼續(xù)增加，制動(dòng)強(qiáng)度則會(huì)沿著EF線增加，達(dá)到F點(diǎn)后，前后輪同時(shí)抱死。在裝有ABS的車(chē)輛上，當(dāng)出現(xiàn)車(chē)輪抱死的情況時(shí)，ABS則會(huì)啟動(dòng)。

在嚴(yán)重緊急制動(dòng)時(shí)，出于安全性考慮，此時(shí)應(yīng)以液壓制動(dòng)為主，電制動(dòng)為輔［4］。此時(shí)逐漸減小電制動(dòng)力的施加，濕瀝青路面上制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖4中DE段所示，干瀝青路面上制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖4中DG段所示，在E點(diǎn)和G點(diǎn)處完全取消電制動(dòng)力，不再進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

2.4 低附著路面的電制動(dòng)力分配策略

在積雪路面和冰面為低附著路面上制動(dòng)時(shí)，無(wú)法達(dá)到很高的制動(dòng)強(qiáng)度，為了保證安全，只能輔助進(jìn)行制動(dòng)能量回收，具體車(chē)輛制動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)踏板的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖5中，在積雪路面上，傳統(tǒng)車(chē)輛的制動(dòng)強(qiáng)度跟隨制動(dòng)踏板開(kāi)度的增加沿著線段1增加，在到達(dá)J點(diǎn)時(shí)，前后輪制動(dòng)力分配線與當(dāng)前路面的f線相交，后輪將抱死，繼續(xù)增加制動(dòng)踏板開(kāi)度，制動(dòng)強(qiáng)度沿JM線增加，到達(dá)M點(diǎn)后，前后車(chē)輪同時(shí)抱死。在積雪路面上，車(chē)輛制動(dòng)強(qiáng)度跟隨制動(dòng)踏板開(kāi)度沿著HI、IJ線上升，到達(dá)J點(diǎn)后，不再施加電制動(dòng)力。

圖5 低附著路面制動(dòng)踏板開(kāi)度與制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系

在冰面上制動(dòng)，只能微弱地回收制動(dòng)能量，車(chē)輛制動(dòng)強(qiáng)度跟隨制動(dòng)踏板開(kāi)度沿著HK線上升，到達(dá)K點(diǎn)后，不再施加電制動(dòng)力。

2.5 電制動(dòng)力表達(dá)式

具體施加的電制動(dòng)力可用（12）式表示：

根據(jù)約束條件，線段1和線段2都會(huì)觸發(fā)ABS啟動(dòng)，一旦檢測(cè)到ABS工作，則立即停止施加電制動(dòng)力，在制動(dòng)回收時(shí)需要注意滿足線段3，實(shí)際施加的電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩如（13）式，其中為傳統(tǒng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)前輪制動(dòng)力；為傳統(tǒng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)后輪制動(dòng)力；為后輪制動(dòng)力為時(shí)ECE法規(guī)線對(duì)應(yīng)的前輪制動(dòng)力；為本文策略下的需求電制動(dòng)力為滿足電制動(dòng)力約束條件下的車(chē)輛的電制動(dòng)強(qiáng)度需求；為最終電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求；m為車(chē)輛質(zhì)量；g為重力加速度；r為車(chē)輪半徑；i為減速器減速比；η為機(jī)械傳動(dòng)效率。

由（13）式可以推導(dǎo)出本文提出的制動(dòng)能量回收策略下的電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求。但真實(shí)電機(jī)所能發(fā)出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩還需要根據(jù)電機(jī)的性能，如果當(dāng)前需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)所能發(fā)出的轉(zhuǎn)矩，則制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)當(dāng)前的最大轉(zhuǎn)矩，否則按照需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

因?yàn)殡娭苿?dòng)力是額外施加在原先的制動(dòng)系統(tǒng)上，與傳統(tǒng)車(chē)駕駛比較時(shí)，駕駛員會(huì)感覺(jué)到有制動(dòng)回收功能車(chē)輛的制動(dòng)性能更強(qiáng)，即在加速踏板開(kāi)度一致的情況下，具有制動(dòng)回收功能的車(chē)輛比傳統(tǒng)車(chē)輛具有更大的制動(dòng)強(qiáng)度。但是制動(dòng)時(shí)踏板開(kāi)度的變化與車(chē)輛減速度之間的關(guān)系，不應(yīng)該超出駕駛員的接受范圍。

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)本文提出的制動(dòng)能量回收控制策略，考慮了制動(dòng)能量回收過(guò)程中電機(jī)性能和電池回收能力的因素，在Matlab／Simulink中搭建了相應(yīng)的仿真模型。

選擇NEDC路況作為仿真工況，分別按照瀝青路面和積雪路面的制動(dòng)回收策略進(jìn)行仿真，NEDC路況、總制動(dòng)強(qiáng)度及2種路面仿真結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 NEDC路況

圖7 NEDC路況總制動(dòng)強(qiáng)度

圖8 瀝青路面仿真結(jié)果

由圖7可以看出，整個(gè)NEDC制動(dòng)工況下的制動(dòng)強(qiáng)度并不大，所以無(wú)論在干瀝青路面，還是在濕瀝青路面下的制動(dòng)回收能力都一致，但在積雪路面下，由于策略不同，制動(dòng)能量回收能力有所區(qū)別。因?yàn)闉r青路面的路面附著系數(shù)較大，積雪路面的路面附著系數(shù)較小，所以積雪路面下電制動(dòng)力只能起輔助制動(dòng)作用。

圖9 積雪路面仿真結(jié)果

從圖8、圖9的仿真結(jié)果可以看出，根據(jù)本文提出的策略，在NEDC制動(dòng)工況下，瀝青路面比積雪路面擁有較大的制動(dòng)強(qiáng)度，從而回收功率也更大，從電池SOC的仿真結(jié)果可以看出，瀝青路面回收的能量更大。

由圖5可以推斷出在冰路面上，制動(dòng)能量回收能力將更弱，這是為了在盡量回收制動(dòng)能量下保證行車(chē)安全。仿真車(chē)輛的質(zhì)量為1 600kg，根據(jù)仿真結(jié)果，瀝青路面和積雪路面的制動(dòng)能量回收率見(jiàn)表2所列。

表2 制動(dòng)能量回收率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從整車(chē)廠的角度出發(fā)，提出了并聯(lián)式制動(dòng)能量回收策略，不需要改變傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)。在進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，為了保證車(chē)輛的安全性，必須了解車(chē)輛當(dāng)前的路面狀況，對(duì)不同的路面狀況應(yīng)該有不同的制動(dòng)能量回收策略。根據(jù)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)特性和典型路面滑移率與路面附著系數(shù)的關(guān)系，識(shí)別出當(dāng)前車(chē)輛所處的路面狀況，對(duì)不同的典型路面狀況提出了不同的制動(dòng)力分配策略。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了制動(dòng)力分配策略的可行性，且在該策略下車(chē)輛具有較好的能量回收率。

［1］張俊智，陸 欣，張鵬君，等.混合動(dòng)力城市客車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)道路試驗(yàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（2）：25－30.

［2］Fujiki N，Koike Y，Ito Y，et al.Development of an electrically－driven intelligent brake systeMfor EV［J］.SAE International，2011－39－7211.

［3］王 猛，孫澤昌，卓桂榮，等.電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（2）：6－10.

［4］彭 棟.混合動(dòng)力汽車(chē)制動(dòng)能量回收與ABS集成控制研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［5］Manbok P，Sangmook K，Yang L J，et al.Development of the control logic of electronically controlled hydraulic brake systeMfor hybrid vehicle［J］.SAE International，2009（1）：12－15.

［6］姜建滿，趙 韓.電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)力動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制算法研究［J］.合 肥 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)：自 然 科 學(xué) 版，2012，35（9）：1153－1156，1220.

［7］余卓平，左建令，張立軍.路面附著系數(shù)估算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述［J］.汽車(chē)工程，2006，28（6）：546－549.

［8］靳立強(qiáng)，王慶年，宋傳學(xué).電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的最佳車(chē)輪滑移率實(shí) 時(shí) 識(shí) 別 ［J］.吉 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)：工 學(xué) 版，2010，40（4）：889－894.

［9］方泳龍.汽車(chē)制動(dòng)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005：15－37.

［10］趙 玲，孫仁云，唐 嵐.汽車(chē)ABS模糊控制最佳滑移率的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（3）：107－109.

［11］Manfred M，Henning W.汽車(chē)動(dòng)力學(xué)［M］.陳蔭三，余強(qiáng)，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2009：164－167.