分布式驅(qū)動電動汽車制動防抱死控制策略研究

張 汝，徐國權(quán)，濮龍鋒，王樹榮

（1. 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2. 蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實驗室，蘇州 215122）

前言

電動汽車的研發(fā)與推廣應(yīng)用是解決能源與環(huán)境問題的有效途徑[1]。在驅(qū)動形式上，電動汽車主要可以分為集中式和獨立式兩種結(jié)構(gòu)。與集中式驅(qū)動相比較，采用獨立驅(qū)動的車輛能夠減輕質(zhì)量，簡化傳動系的布置，同時還可以通過對驅(qū)動電機的獨立控制更好地發(fā)揮車輛的動力學(xué)潛能，提高行駛安全性[2]。本文針對獨立驅(qū)動電動汽車在緊急制動工況下電機力矩與液壓制動力矩的協(xié)調(diào)控制問題開展研究，所基于的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中，1 為車輪，2 為液壓制動輪缸，3 為常閉電磁閥，4 為液壓泵及其電機，5 為低壓儲能器，6 為高壓儲能器，7 為常開電磁閥，8 為輪缸壓力傳感器，9 為驅(qū)動電機及其減速器，10 為輪速傳感器。

圖1 電液復(fù)合制動的硬件結(jié)構(gòu)

在電動汽車進行緊急制動時，若不對再生制動加以控制，會造成再生制動力矩干擾ABS 系統(tǒng)正常工作，從而惡化制動效果[3]。針對緊急制動時再生制動力矩的控制問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了廣泛的研究。文獻[4]中，作者設(shè)計邏輯門限值來控制回饋制動力矩的開閉從而達到調(diào)節(jié)總制動力矩大小的目的。文獻[5]中，作者計算出防抱死制動時所應(yīng)施加到車輪上的制動力，后將此制動力盡可能由再生制動力來實現(xiàn)，從而最大限度回收了制動能量。文獻[6]中作者提出僅利用電制動，用滑模觀測器估算摩擦力和車速，用滑?？刂破骺刂栖囕喕坡蕘韺崿F(xiàn)ABS 控制。

本文以提高制動安全為目標(biāo)，針對分布式驅(qū)動電動汽車的特點，提出一種電液復(fù)合雙路防抱死制動控制策略。所提控制策略不是以總力矩大小來約束電機力矩輸出，而是以最優(yōu)滑移率為目標(biāo)，獨立進行電機力矩與液壓制動力矩的控制。同時考慮到電機力矩與液壓制動力矩的差異，通過合理選擇兩者控制算法，達到充分利用電機力矩響應(yīng)迅速，具有驅(qū)動、回饋制動雙向特性的優(yōu)勢，彌補液壓制動力矩響應(yīng)較慢的不足，提高車輪最優(yōu)滑移率跟隨能力。

通過搭建半實物仿真平臺，驗證了所提雙路控制策略的有效性。

1 電液復(fù)合制動防抱死雙路控制策略

分布式驅(qū)動電動汽車在緊急制動時，為使車輪滑移率更好地跟隨最優(yōu)滑移率，獨立進行電機力矩與液壓制動力矩的控制，控制流程如圖2 所示?？刂破鞴ぷ鲿r，首先接收輪缸壓力傳感器信號、通信總線上電機力矩信號、輪速傳感器信號估算車輪當(dāng)前滑移率。據(jù)此，液壓制動力矩控制模塊和電機力矩控制模塊根據(jù)各自控制算法計算最優(yōu)輪缸壓力和電機力矩。

圖2 雙路控制策略結(jié)構(gòu)圖

1.1 液壓制動力矩控制

由于滑模變結(jié)構(gòu)控制方法具有響應(yīng)快、魯棒性好的優(yōu)點，本文用其進行液壓制動力矩的控制。

采用如圖3所示的單輪車輛模型進行控制器的設(shè)計，忽略空氣阻力和滾動阻力。

車輛運動方程，

式中：Fd為地面摩擦力；M 為整車質(zhì)量；V 為車身速度。車輪運動方程，

式中：Thb為制動器作用到車輪上的制動力矩；Rr為車輪滾動半徑；J 為車輪繞y 軸轉(zhuǎn)動慣量；Vω為車輪轉(zhuǎn)速。

其中，

式中：μ 為路面摩擦系數(shù)；FN為車輪所受垂向載荷。

計算滑移率：

考慮到可實施性，選擇一階線性滑移線，用車輪滑移率作為狀態(tài)變量，

圖3 汽車單輪模型

式中：C 為加權(quán)系數(shù)；λ0為最優(yōu)滑移率；g 為重力加速度。

引入等速趨近率，

則有，

1.2 電機力矩控制

與液壓制動力矩相比，電機力矩響應(yīng)迅速、具有雙向特性且力矩大小精確可調(diào)，因此基于所推導(dǎo)電機力矩與車輪滑移率傳遞函數(shù)關(guān)系進行力矩控制。在1.1 節(jié)中單輪模型基礎(chǔ)上變換車輪運動方程為，

式中：Fmb為電機力矩等效作用到輪胎與地面接觸點上輪胎所受的力；Mω為車輪等效質(zhì)量。

輪胎所受地面力的變化量△Fd與摩擦系數(shù)變化量△μ 有如下關(guān)系，

引入μ-λ 曲線的斜率為k，

因此，在控制器采樣點記車速為V0，輪速為Vω0，

由此可以得到由制動力到Fmb到滑移率λ 的傳遞函數(shù)G（s）為，

其中，

1.3 車速估計

可由制動器輪缸壓力得到車輪所受液壓制動力矩Thb，

圖5 高附著系數(shù)路面防抱死制動仿真結(jié)果

圖6 低附著系數(shù)路面防抱死制動仿真結(jié)果

式中：P 為輪缸壓力；Kb為制動因數(shù)；Rp為制動盤半徑。

電機力矩Tmb可以由讀取電機控制器信息獲得。因此，

2 仿真驗證

雙電機獨立前驅(qū)動電動汽車直線緊急制動工況的半實物仿真分為高附著系數(shù)路面（附著系數(shù)為0.9）和低附著系數(shù)路面（附著系數(shù)為0.3）兩種，并假設(shè)最大利用附著系數(shù)出現(xiàn)在滑移率為0.2 時。仿真時，電動汽車以80km/h 初速度進行緊急制動，忽略駕駛員踩下制動踏板的延遲。

仿真結(jié)果表明在緊急制動工況，雙路控制策略控制下的車輛制動距離和制動時間都有了較大幅度減小。

當(dāng)采用將電機力矩與液壓制動力矩作為整體進行控制時，電機力矩與液壓力矩同時增大或者減小，如圖6中c、d，這樣難以利用電機力矩響應(yīng)較快的優(yōu)勢，導(dǎo)致力矩調(diào)節(jié)周期較長，整體控制下最優(yōu)滑移率追蹤能力較差。當(dāng)采用雙路控制策略時，電機力矩與液壓制動力矩相互獨立控制，各自根據(jù)控制算法進行力矩調(diào)節(jié)，特別是電機可以發(fā)出驅(qū)動力矩快速降低滑移率，提高了力矩響應(yīng)靈敏性，雙路控制下最優(yōu)滑移率追蹤效果較好。

但雙路控制下，會出現(xiàn)液壓制動系統(tǒng)工作時電機產(chǎn)生驅(qū)動力矩，這會增大制動盤和制動鉗磨損。

3 結(jié)論

1）建立了分布式驅(qū)動電動汽車緊急制動時的電液復(fù)合制動雙路防抱死控制策略，有效管理了緊急制動時電機的力矩，縮短了緊急制動時的制動距離與制動時間。

2）根據(jù)液壓制動系統(tǒng)的特點，選擇滑模變結(jié)構(gòu)控制方法進行液壓制動力矩的控制，提高了力矩響應(yīng)速度；依據(jù)電機力矩與車輪滑移率傳遞關(guān)系進行電機力矩控制，充分利用電機力矩響應(yīng)較快、具有驅(qū)動/制動雙向性的優(yōu)勢，提高了最優(yōu)滑移率追蹤能力。

3）電機力矩的加入提高了車輛緊急制動性能，制動過程中電機產(chǎn)生驅(qū)動力矩會增大制動盤和制動鉗磨損。

[1]Ehsani Mehrdad, Gao Yimin, Emadi Ali. Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles fundamentals, theory, and design[M]. Boca Raton, America: CRC Press, Taylor & Francis Group,2009: 25-26.

[2]解少博.雙電機獨立驅(qū)動汽車協(xié)調(diào)制動控制關(guān)鍵問題研究[D].北京：北京理工大學(xué).2011.

[3]陸欣.燃料電池城市客車制動能量回饋系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制[D].北京：清華大學(xué), 2009.

[4]初亮,呂廷秀,張永生 等.混合動力轎車再生制動與防抱死集成控制系統(tǒng)[P].中國專利：CN200710055687.9, 2007-05-21.

[5]藤滋,松浦正裕,小九保浩一 等.車輛制動控制設(shè)備[P].中國專利:CN200610084162.3, 2006-08-24.

[6]Hsiao, Min-Hung. Antilock Braking Control of Electric Vehicles with Electric Brake[C]. SAE. Paper Number: 2005-01-1581,2005-04-11.