混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的集成制動(dòng)系統(tǒng)研究

山西中北大學(xué)研究生院 成龍 崔俊杰

1 引言

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車最重要的特性之一是其再生制動(dòng)的能力。實(shí)現(xiàn)其再生制動(dòng)功能的系統(tǒng)便是應(yīng)用于新能源汽車上的獨(dú)特新技術(shù)——電液集成制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)[1]。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的集成制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車不同，它們的制動(dòng)力矩分為兩部分，即由電動(dòng)機(jī)提供的再生制動(dòng)力矩和傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦制動(dòng)力矩。因此，針對其集成制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便面臨兩個(gè)基本問題：一是如何在再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)之間分配所需的總制動(dòng)力，以回收盡可能多的制動(dòng)能量；二是如何在前后輪軸上分配總制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài)。

本文基于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的制動(dòng)特點(diǎn)，探討了集成制動(dòng)系統(tǒng)的基本功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并針對制動(dòng)穩(wěn)定性與回收能量要求的不同，比較分析了電動(dòng)汽車整車制動(dòng)控制中常用的幾種制動(dòng)控制策略。

2 電液集成制動(dòng)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的制動(dòng)特點(diǎn)要求集成制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備幾項(xiàng)基本功能：保證制動(dòng)穩(wěn)定性和安全性、有效的制動(dòng)能量回收、符合駕駛員的操作習(xí)慣和有效的機(jī)械摩擦制動(dòng)工作模式。

集成制動(dòng)系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要有以下幾方面的特點(diǎn)：

（1）集成制動(dòng)系統(tǒng)提供的液壓制動(dòng)力具備可控性。集成制動(dòng)系統(tǒng)通過控制主缸液壓推力或壓力調(diào)節(jié)器對制動(dòng)液壓進(jìn)行控制。目前，大部分集成制動(dòng)系統(tǒng)采用的是通過壓力調(diào)節(jié)器直接控制制動(dòng)管路壓力，該壓力調(diào)節(jié)器通常使用電磁液壓控制閥。

（2）集成制動(dòng)系統(tǒng)具備檢測制動(dòng)指令并能解釋制動(dòng)意圖的功能。集成制動(dòng)系統(tǒng)需要在滿足制動(dòng)意圖的同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，這就需要系統(tǒng)具備根據(jù)駕駛員的制動(dòng)意圖對液壓制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力分別進(jìn)行控制的功能。因此，增加制動(dòng)意圖的感知設(shè)備是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求之一，這類感知設(shè)備一般為制動(dòng)踏板位移傳感器。

（3）集成制動(dòng)系統(tǒng)具備功能完善的控制器。作為集成制動(dòng)系統(tǒng)的控制部件，控制器需具備制動(dòng)踏板位移檢測、制動(dòng)意圖解釋、電磁液壓閥控制和制動(dòng)力合理分配等功能。在制動(dòng)力分配策略執(zhí)行過程中，控制器所需的車輛狀態(tài)信息由整車控制器獲取，并將電機(jī)再生制動(dòng)力矩指令發(fā)送給整車控制器。

3 集成制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)力分配策略

實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的可控性是集成制動(dòng)系統(tǒng)最大的難點(diǎn)，這需要具備高效率、高性能的集成制動(dòng)控制策略。因此，其控制策略需考慮如何在保證最大再生制動(dòng)能力的同時(shí)，精確地控制液壓制動(dòng)力，使車輛穩(wěn)定快速制動(dòng)。

3.1 固定比例的并聯(lián)控制策略

固定比例的并聯(lián)控制策略保留了常規(guī)的機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，再生制動(dòng)力只是一種施加在驅(qū)動(dòng)軸上的附加制動(dòng)力。該策略中前驅(qū)動(dòng)輪（假設(shè)前軸為驅(qū)動(dòng)軸）的再生制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)之間是按固定的比例進(jìn)行制動(dòng)力分配，此分配比例是車速或者制動(dòng)減速度的函數(shù)。

當(dāng)車速低于某給定值（如15km/h）時(shí)，由于此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低將不產(chǎn)生制動(dòng)力，車輛制動(dòng)所需的總制動(dòng)力由機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)完全提供。當(dāng)車速高于給定值，并且期望的制動(dòng)減速度小于給定值（如0.1g）時(shí)，整車總制動(dòng)力同樣由電機(jī)再生制動(dòng)力完全提供，此時(shí)前后輪上無機(jī)械摩擦制動(dòng)力作用。當(dāng)期望制動(dòng)減速度大于給定值0.1g時(shí)，電機(jī)再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)共同承擔(dān)前輪制動(dòng)力。電機(jī)再生制動(dòng)力所占比例與電機(jī)特性和車載能量存儲裝置的容量有關(guān)。當(dāng)期望制動(dòng)減速度大于一個(gè)給定值（如0.6g）時(shí)，電機(jī)再生制動(dòng)力隨著制動(dòng)減速度增加（如0.7g）逐漸減小到零。這樣設(shè)計(jì)目的是保證實(shí)際的前后輪制動(dòng)力接近曲線，使制動(dòng)距離最小。同時(shí)，在緊急制動(dòng)情況下，還可以提供較大的機(jī)械摩擦制動(dòng)力。

3.2 最大制動(dòng)能量回收并聯(lián)控制策略

最大制動(dòng)能量回收并聯(lián)控制策略[2]的設(shè)計(jì)原理即允許總制動(dòng)力在滿足ECE制動(dòng)法規(guī)的前提下，盡可能分配到前驅(qū)動(dòng)輪上（假設(shè)前軸為驅(qū)動(dòng)軸）。

在車速高于某給定值的前提下，當(dāng)制動(dòng)減速度小于某給定值（如0.1g）時(shí)，電機(jī)再生制動(dòng)力完全提供整車制動(dòng)所需的總制動(dòng)力。電機(jī)的發(fā)電轉(zhuǎn)矩依據(jù)制動(dòng)踏板位置和車速進(jìn)行控制，此時(shí)制動(dòng)主缸不施加液壓制動(dòng)。當(dāng)制動(dòng)減速度大于給定值0.1g時(shí)，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)開始產(chǎn)生制動(dòng)力，同時(shí)前后輪上的機(jī)械摩擦制動(dòng)力分配是按一定比例成線性增長的。電機(jī)的再生制動(dòng)施加在前輪上以使總制動(dòng)力滿足ECE法規(guī)曲線要求。然而，要實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的最大化，需要滿足兩個(gè)條件：一是電機(jī)能夠產(chǎn)生足夠大的制動(dòng)力；二是路面附著系數(shù)必須足夠大，使前輪不會發(fā)生抱死拖滑的現(xiàn)象。

3.3 最優(yōu)制動(dòng)性能控制策略

該控制策略應(yīng)用于完全可控的集成制動(dòng)系統(tǒng)中，即系統(tǒng)可以獨(dú)立控制每個(gè)車輪上的制動(dòng)力。因此，這種控制策略可以按照理想的制動(dòng)力分配I曲線對前后輪施加制動(dòng)力，以便得到最優(yōu)的車輛制動(dòng)性能。圖1所示為理想的前后輪制動(dòng)力分配I曲線圖。

圖1 理想的前、后輪制動(dòng)力分配I曲線圖

這種控制策略的基本原理是，當(dāng)前輪（假設(shè)前軸為驅(qū)動(dòng)軸）需要的總制動(dòng)力小于電機(jī)能夠產(chǎn)生的再生制動(dòng)力時(shí)，電機(jī)將獨(dú)立提供前輪所需的總制動(dòng)力，不對前輪施加機(jī)械摩擦制動(dòng)力。但為滿足理想制動(dòng)力分配I曲線，后輪的總制動(dòng)力應(yīng)由機(jī)械摩擦制動(dòng)力提供。當(dāng)前輪所需總制動(dòng)力大于電機(jī)能夠產(chǎn)生的再生制動(dòng)力時(shí)，前輪需同時(shí)施加再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力。同時(shí)，為了更多的回收制動(dòng)能量，應(yīng)該控制電機(jī)使其產(chǎn)生電機(jī)和能量存儲系統(tǒng)允許的最大再生制動(dòng)力，剩余的制動(dòng)力需求由機(jī)械摩擦制動(dòng)施加。

該控制策略同樣需注意的一點(diǎn)是：當(dāng)車速較低時(shí)，前輪輪速也較低，或者前輪接近抱死拖滑時(shí)，由于電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓很低，使得電機(jī)很難再產(chǎn)生制動(dòng)力矩。因此，在這種情況下，由機(jī)械摩擦制動(dòng)來產(chǎn)生所需的總制動(dòng)力。

3.4 優(yōu)化的制動(dòng)控制策略

綜上三種制動(dòng)力分配控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。其中，前后軸制動(dòng)力固定比例分配時(shí)的并聯(lián)控制策略不僅可以保證一定能量回收效率，制動(dòng)穩(wěn)定性較理想，而且結(jié)構(gòu)較簡單。這是目前技術(shù)條件下的一種比較好的選擇。

表1 三種常用制動(dòng)控制策略的對比

然而，三種策略都是基于單軸驅(qū)動(dòng)的，能量回收只集中在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的前輪上，而后輪制動(dòng)器也要消耗大量的制動(dòng)能量，尤其對于輕微制動(dòng)這種城市循環(huán)工況中經(jīng)常采用的制動(dòng)情況。同時(shí)，由于在低速情況下電機(jī)的特性限制沒有制動(dòng)能量回收，前輪可以回收的制動(dòng)能量大大減小。

基于上述分析，可以采用前、后軸雙軸驅(qū)動(dòng)，即前、后輪均采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。該形式的制動(dòng)能量回收在前輪和后輪同時(shí)存在，可以在較小改動(dòng)系統(tǒng)硬件組成的前提下，較好地提高前后輪制動(dòng)能量的回收效率。圖2所示為在固定比例并聯(lián)控制策略基礎(chǔ)上，采用四輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)分配力控制策略流程圖。

圖2 四輪驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)力分配控制策略流程圖

4 結(jié)語

本文就實(shí)用性方面對比分析了幾種控制策略，并未涉及如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代智能控制理論。因這些現(xiàn)代智能控制理論有其自己的局限，如計(jì)算量大，難以滿足被控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面的要求，過多依賴于設(shè)計(jì)者和系統(tǒng)調(diào)劑者經(jīng)驗(yàn)的積累，只是對方法的可行性進(jìn)行研究等?；谙到y(tǒng)實(shí)用性的要求前提，應(yīng)用現(xiàn)代智能控制和自動(dòng)控制技術(shù)是集成制動(dòng)控制技術(shù)今后發(fā)展完善的方向之一。

[1]趙航,史廣奎.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2]葉敏,郭金剛.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)及其控制技術(shù) [M].北京:人民交通出版社,2013.

[3]張鵬.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) [D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.