電動(dòng)汽車電機(jī)制動(dòng)+EHB復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)化問(wèn)題

【摘要】空氣的嚴(yán)重污染和石油能源的緊缺使得電動(dòng)汽車逐漸得到了發(fā)展和普及，本文針對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)制動(dòng)+EHB復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了較為理想的制動(dòng)力分配策略，希望可以提高電動(dòng)汽車制動(dòng)的效果和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)；EHB制動(dòng)系統(tǒng)；性能優(yōu)化

1、引言

隨著石油資源的日益緊缺，以及汽車尾氣對(duì)于環(huán)境的破壞日益增大，世界各國(guó)都開始研究清潔無(wú)污染的能源作為汽車的動(dòng)力。電動(dòng)汽車正是在這樣的情況下誕生并發(fā)展起來(lái)的。電動(dòng)汽車出現(xiàn)于21世紀(jì)初期，是各國(guó)為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)汽車能源多樣化和尾氣零排放所作出的最終選擇。電動(dòng)汽車的電機(jī)具有能量回收的特性，為了充分利用能量，減少浪費(fèi)，電動(dòng)汽車一般都會(huì)采用電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，因此，再生制動(dòng)控制策略成為研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。

對(duì)于復(fù)合型制動(dòng)系統(tǒng)而言，制動(dòng)力的分配是其性能優(yōu)化的關(guān)鍵，要求汽車前后輪的液壓制動(dòng)力可以自由調(diào)整，傳統(tǒng)的固定比例液壓制動(dòng)系統(tǒng)難以滿足要求。這時(shí)，就需要用到電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)（即EHB制動(dòng)系統(tǒng)）對(duì)每個(gè)車輪進(jìn)行單獨(dú)控制，彌補(bǔ)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和工作上的不足，從而自由地控制制動(dòng)系統(tǒng)，提高制動(dòng)效率。作為一種新型的制動(dòng)系統(tǒng)，EHB的應(yīng)用潛力十分巨大，也因此成為各大汽車公司研究的重點(diǎn)。

2、電機(jī)制動(dòng)+EHB復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)概述

2.1基本結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)是由電機(jī)再生制動(dòng)和EHB液壓制動(dòng)共同構(gòu)成的，具有幾個(gè)基本特點(diǎn)：①駕駛員通過(guò)制動(dòng)踏板輸入制動(dòng)力，制動(dòng)系統(tǒng)的感覺(jué)模擬器對(duì)駕駛員的制動(dòng)感覺(jué)進(jìn)行反饋，通過(guò)電信號(hào)傳輸給控制單元；②控制單元對(duì)駕駛員意圖進(jìn)行分析判斷，并對(duì)汽車車速信息、電機(jī)特性等進(jìn)行分析，之后根據(jù)控制策略，對(duì)電機(jī)和EHB系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)力分配；③EHB系統(tǒng)集中了基本的制動(dòng)功能、制動(dòng)防抱死以及單子穩(wěn)定程序，可以最大程度地實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)；④制動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)柔和，不會(huì)出現(xiàn)因緊急制動(dòng)造成的顛簸和側(cè)滑。

2.2制動(dòng)過(guò)程

電動(dòng)汽車在制動(dòng)時(shí)，主要是減少電機(jī)輸出動(dòng)力，并對(duì)車輪施加相應(yīng)的阻力，加強(qiáng)地面制動(dòng)力。前后車輪的地面制動(dòng)力是不同的，用公式來(lái)表示，分別是：

在公式中，F(xiàn)f-all表示前輪的地面制動(dòng)力，F(xiàn)f-all表示后輪地面制動(dòng)力，r表示車輪的有效半徑，F(xiàn)m為電機(jī)反拖力，F(xiàn)f代表前輪液壓制動(dòng)力，F(xiàn)r為后輪液壓制動(dòng)力，Rp表示液壓制動(dòng)盤的有效半徑。在汽車的制動(dòng)過(guò)程中，前后輪的利用附著系數(shù)要盡量相同或接近，防止出現(xiàn)后輪側(cè)滑或前輪失去轉(zhuǎn)向能力。前后輪的附著系數(shù)如下所示：

公式中，z代表制動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)變形，可以得出

2.3制動(dòng)力分配

電動(dòng)汽車在對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配時(shí)，可以有三種不同的策略，即并行分配策略、串行分配策略以及理想分配策略。其中，較為常用的是理想制動(dòng)力分配策略，其分配原則為：

（1）制動(dòng)強(qiáng)度z=0.1時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)工作；

（2）制動(dòng)強(qiáng)度z=0.1時(shí)，根據(jù)理想制動(dòng)力分配標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)前后軸的制動(dòng)力進(jìn)行分配。

電機(jī)系統(tǒng)和EHB系統(tǒng)均可以完成在線實(shí)施控制，自由調(diào)整前后輪的制動(dòng)比例。因此，可以采用理想制動(dòng)力分配控制策略，在保證正常制動(dòng)的前提下，對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行最大程度的回收。

3、電機(jī)制動(dòng)+EHB復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)性能優(yōu)化

3.1優(yōu)化分析

在不同制動(dòng)強(qiáng)度的條件下，對(duì)于制動(dòng)力的分配還受到ECE法規(guī)的約束以及電機(jī)特性的約束，同時(shí)，還要考慮汽車制動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性，因此，必須對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了減少能量的流失，增加電動(dòng)汽車的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)于制動(dòng)能量的回收是電動(dòng)汽車研究的根本問(wèn)題。所以，對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化，可以將制動(dòng)性能和制動(dòng)力分配曲線與理想制動(dòng)曲線的接近程度設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)實(shí)際情況分析，該優(yōu)化設(shè)計(jì)存在多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，其一為制動(dòng)回收能量：

其二為制動(dòng)力分配系數(shù)要盡量基金理想制動(dòng)力分配曲線：

其中是理想制動(dòng)力分配策略中z點(diǎn)對(duì)應(yīng)的前后制動(dòng)力之比。

3.2優(yōu)化的約束條件

①ECE制動(dòng)法規(guī)約束

ECE制動(dòng)法規(guī)規(guī)定，汽車的制動(dòng)強(qiáng)度z值在0.15～0.8之間時(shí)，汽車前軸的利用附著系數(shù)曲線要大于后軸的利用附著系數(shù)曲線，z≥0.1+0.85（φ-0.2）.z值在0.3～0.5之間時(shí)，如果后軸的利用附著系數(shù)曲線小于 φ=z+0.5直線，則允許后軸利用附著系數(shù)曲線大于前軸利用附著系數(shù)曲線。當(dāng)z值小于0.15時(shí)，沒(méi)有限制，可以僅僅通過(guò)前輪進(jìn)行制動(dòng)。

②電機(jī)制動(dòng)力約束

可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池荷電狀態(tài)以及實(shí)際控制需要來(lái)確定電機(jī)制動(dòng)力的大小。假設(shè)電機(jī)制動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)力矩相當(dāng)，在電池電量充足的情況下，電機(jī)制動(dòng)的基本特性如下所示：

在公式中，F(xiàn)m代表電機(jī)提供的最大再生制動(dòng)力，Tmax代表電機(jī)最大有效再生制動(dòng)力矩，Pm為電機(jī)最大有效功率，nb為電機(jī)基速，η為再生制動(dòng)力的傳動(dòng)效率。

如果電機(jī)的制動(dòng)力較為強(qiáng)大，可以適當(dāng)對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行提高，使得電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)可以在最大功率區(qū)工作。而當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z大于0.8時(shí)，需要撤銷電機(jī)的再生制動(dòng)力矩，通過(guò)液壓制動(dòng)系統(tǒng)完成制動(dòng)。

③制動(dòng)舒適性的約束

汽車在制動(dòng)過(guò)程中，必須考慮其舒適性，簡(jiǎn)單地說(shuō)，要考慮汽車的減速度，不能減速過(guò)慢，導(dǎo)致制動(dòng)不及，造成事故，也不能制動(dòng)過(guò)猛，造成駕駛?cè)藛T的受傷或驚嚇。前部液壓制動(dòng)補(bǔ)償電機(jī)制動(dòng)，電機(jī)在扭矩增減變化時(shí)速度較快，會(huì)對(duì)制動(dòng)舒適性造成影響。上世紀(jì)90年代，測(cè)試人員制訂了相應(yīng)的制動(dòng)感覺(jué)指數(shù)評(píng)估體系，對(duì)駕駛員在制動(dòng)力突變情況下的舒適度進(jìn)行評(píng)估：

其中，a表示制動(dòng)感覺(jué)極限線性度指數(shù)系數(shù)，取0.7.

3.3優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)駕駛員指令和動(dòng)作的分析，可以得出駕駛員需要的制動(dòng)強(qiáng)度z；通過(guò)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的分析，可以確定最優(yōu)液壓力矩；通過(guò)對(duì)當(dāng)前車速和電池工作狀態(tài)的分析和計(jì)算，可以得出目標(biāo)電機(jī)的制動(dòng)力矩。在數(shù)據(jù)齊全后，將得出的EHB目標(biāo)壓力以及電機(jī)目標(biāo)的制動(dòng)力矩分別發(fā)送給EHB控制器和電機(jī)控制器，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行有效分配，達(dá)到最佳的制動(dòng)效果。

通過(guò)分析和對(duì)比，可以看出，理想策略下系統(tǒng)的制動(dòng)反應(yīng)要快于并行策略，特別是在制動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生突然變化的情況下，可以保證制動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性，因此，在復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用理想制動(dòng)力分配策略，不僅可以提高制動(dòng)能量的回收效率，還可以提高制動(dòng)性能，保證制動(dòng)安全。

結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車電機(jī)制動(dòng)+EHB復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)是一種新興的制動(dòng)系統(tǒng)，可以有效提高制動(dòng)效率，最大限度地對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，可以保證電動(dòng)汽車制動(dòng)的安全性、舒適性和穩(wěn)定性，需要相關(guān)人員的重視。