多約束條件下汽車復合制動協(xié)調優(yōu)化

黃 大 星

(韶關學院 汽車系，廣東 韶關 512005)

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多約束條件下汽車復合制動協(xié)調優(yōu)化

黃 大 星

(韶關學院 汽車系，廣東 韶關 512005)

針對當前混合動力汽車制動系統(tǒng)存在電機再生制動力和液壓摩擦制動力一起工作而帶來的相關問題，設計了雙電機前軸復合制動系統(tǒng)。以前后軸制動力分配比例、ECE制動法規(guī)、電機特性、儲能裝置特性等因素為約束條件，研究了基于分層控制的混合動力汽車復合制動控制協(xié)調策略；利用MATLAB/Simulink對3種制動工況的制動力進行了仿真分析。結果表明：對汽車復合制動力實施層次協(xié)調控制后，復合制動力與駕駛員需求制動力誤差有較明顯降低，說明協(xié)調控制后車輛的制動舒適性有較大提高。

車輛工程；復合制動力；多約束；分層控制；協(xié)調控制

汽車復合制動是指汽車制動時，制動輪上既有液壓摩擦制動力的作用，又有電機再生制動力的作用，這時汽車既能有效地完成制動功能又可以較好的回收制動能量[1]。為了提高車輛燃油經濟性，汽車制動系統(tǒng)應該在保證汽車制動穩(wěn)定性的前提下，盡可能優(yōu)先使用電機再生制動，以回收制動能量。筆者設計了雙電機的汽車復合制動系統(tǒng)，以前后軸制動力分配比例、ECE制動法規(guī)、電機特性、儲能裝置特性等因素為約束條件[2-3]，對復合制動系統(tǒng)中制動力分配策略進行研究，以滿足駕駛員的制動需求，同時保證車輛制動時的平順性。

1 復合制動系統(tǒng)結構與工作原理

課題組所開發(fā)的汽車復合制動系統(tǒng)結構如圖1，系統(tǒng)中所使用的電機位于前橋，這時電機所產生的再生制動力只施加于前輪，液壓制動系統(tǒng)管路采用雙回路交叉(X)型連接，相對于傳統(tǒng)汽車的液壓制動系統(tǒng)，雙電機前軸復合制動系統(tǒng)增加了電機控制模塊、液壓控制模塊和制動踏板位移傳感器等3個部件。制動踏板位移傳感器的功能是用來感知駕駛員的制動意圖。液壓制動控制模塊在制動踏板位移傳感器感知所得到制動需求的基礎上，通過 ABS電動泵、壓力調節(jié)裝置對常規(guī)液壓制動力大小進行調整，同時根據ECE制動法規(guī)對前后輪制動力分配及制動工況要求，并將推算出的電機制動力和車輛滑移率等汽車狀態(tài)信息傳輸?shù)诫姍C控制模塊，給電機再生制動提供施加的機會。電機控制模塊對電機制動功率、制動扭矩進行控制，實現(xiàn)電機再生制動。

圖1 雙電機前軸復合制動系統(tǒng)結構

2 汽車復合制動力協(xié)調控制

2.1 約束條件

2.1.1 前、后軸制動力分配約束

為了保證制動時汽車的方向穩(wěn)定性，即制動時汽車不發(fā)生制動跑偏、側滑和失去轉向能力等性能，應按照理想制動器制動力分配曲線(即I曲線)對前后軸制動力進行分配。根據汽車理論，要提高汽車制動穩(wěn)定性，保證汽車制動時不發(fā)生跑偏、側滑或失去轉向能力等性能，前、后輪制動器制動力的分配就應按照I曲線進行分配，即按照理想的制動器制動力分配曲線進行分配。

根據制動過程車輛受力分析，可確定I曲線(圖2)如式(1)[4-5]：

(1)

圖2 理想制動器制動力分配曲線

根據制動力分配系數(shù)β的定義，有：

(2)

設z為制動強度，可由Fbneed=Gz確定，則可得：

Fbf=Gzβ

(3)

Fbr=Gz(1-β)

(4)

式中：Fbf為前軸制動器制動力，N；Fbr為后軸制動器制動力，N；L為汽車前后軸之間的距離，m；hg為質心高度，m；G為汽車重力，N；b為汽車質心至后軸中心線的距離，m。

2.1.2ECE制動法規(guī)約束

由于受到傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)結構的約束，復合制動階段前后輪液壓制動力只能按照β線上升，但前軸(驅動軸)上同時存在液壓制動力和再生制動力的作用[6]。一般說來，當汽車處于輕度制動時，汽車所需要的制動力較小，這時只需電機制動力就可以滿足制動力需求，因此這時只采用純電機再生制動；當緊急制動時，為了保證制動穩(wěn)定性，這時應該采用純液壓制動；其它情況為復合制動。復合制動過程中，由電機再生制動力導致前后制動力分配的改變不應超過ECE法規(guī)的限制。

一般來說，車輛在城市循環(huán)工況下行駛時，道路擁堵、運行道路狀況較好，因此車速較低(一般不超過60km/h)，因此駕駛員進行制動時，產生的制動強度不高，筆者將復合制動過程的制動強度設定為在0.1～0.7之間[7-9]。這時由于前輪在液壓制動力的基礎上增加了再生制動力，導致前輪的利用附著系數(shù)上升，這就可能使前輪利用附著系數(shù)不能滿足ECE法規(guī)的要求，而后輪由于利用附著系數(shù)下降，后輪制動穩(wěn)定性提高。因此為了保證整車制動性能，ECE法規(guī)要求：前輪利用附著系數(shù)φ1≤(z+0.07)/0.85。

因此有前后制動力要滿足：

(5)

式中：Fxb1，F(xiàn)xb2分別為對應于制動強度z，前軸和后軸產生的地面制動力，N。

結合ECE法規(guī)，作得前后制動力分配圖，如圖3。在不考慮復合再生制動系統(tǒng)外特性約束的條件下，當實施最大能量回收策略下進行復合制動時，同時在滿足ECE制動法規(guī)規(guī)定下，復合制動力下邊界線與ECE制動法規(guī)邊界線相切，即圖3中AB線。當緊急制動(z>0.7)時，制動模式為純液壓制動，為了保證前輪不抱死，這時分配曲線應沿制動強度z=0.7的f線上升至與β線相交，即圖3中BC線。

圖3 ECE制動法規(guī)前、后軸制動力分配曲線

2.1.3 電機特性約束

由電機特性可知，汽車制動時，電機最大輸出轉矩受到電機最大轉矩、最大功率、轉速和效率的約束，即：

(6)

式中：Tmax為不同轉速下電機的峰值轉矩；Te為電機最大轉矩；Pe為電機最大功率；η為電機發(fā)電效率。

2.1.4 儲能裝置約束

復合儲能裝置由鉛酸電池與超級電容并聯(lián)而成。汽車執(zhí)行再生制動時，系統(tǒng)產生的反向電流給超級電容器充電，超級電容器存儲回饋的再生能量，直至超級電容充滿，倘若仍有制動需求，系統(tǒng)則發(fā)送命令驅動電池回收能量。根據復合儲能裝置使用安生性和使用壽命，應該考慮SOC和使用溫度來約束充電電流。

(7)

(8)

式中：Imax_soc為SOC限制下儲能元件最大允許充電電流，A；Imax_permit為儲能元件最大允許充電電流，A；Imax_T為溫度限制下儲能元件最大允許充電電流，A；Tpermit為儲能元件允許最高工作溫度，℃。

2.2 控制策略

混合動力汽車在制動狀態(tài)下，車輛常常工作于多種制動模式的相互切換，為了提高汽車制動舒適性，在制動模式切換過程中應盡量使液壓制動系統(tǒng)和電機再生制動系統(tǒng)所產生的制動力滿足駕駛員制動力的需求，這就要求對復合制動力進行協(xié)調控制。為了有效地對混合動力車輛制動力進行控制和最大化回收制動能量，筆者提出了基于分層控制的混合動力汽車復合制動協(xié)調策略。

圖4為混合動力汽車制動系統(tǒng)的分層控制系統(tǒng)的結構。共分為3層：管理層，協(xié)調層和執(zhí)行層。

圖4 復合制動控制器結構

管理層為駕駛員模型，基于路面信息(車輛行駛參數(shù))以及2.1節(jié)中的4個約束條件，汽車駕駛員所期望的車輛制動力是通過制動踏板傳感器來反映的，這同時也體現(xiàn)了駕駛員的制動意圖。

協(xié)調層主要包括制動力分配控制策略和制動力動態(tài)協(xié)調控制策略。制動力分配控制策略是根據管理層的制動意圖和車輛運行狀態(tài)來確定整車制動需求力矩，將整車需求制動力矩和電機制動力進行比較分析，確定車輛的制動模式，然后按相應制動模式對車輛的前后軸制動力的分配，再根據電機和電池的工作狀態(tài)將前軸制動力分配給液壓制動系統(tǒng)和電機制動系統(tǒng)。

執(zhí)行層主要包括液壓制動系統(tǒng)及其控制器和電機及其控制器，主要是利用協(xié)調層所發(fā)出的電機制動力命令和液壓制動力命令分別對電機制動系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)進行控制，所得到的實際的電機制動力和實際的液壓制動力反饋給協(xié)調層，供協(xié)調層控制所用。

根據汽車駕駛員制動意圖、約束條件、需求制動力大小、電池荷電狀態(tài)SOC的大小和制動強度大小等汽車運行狀態(tài)參數(shù)可以判斷制動系統(tǒng)的工作模式。常規(guī)制動模式控制原理是當制動意圖為輕微制動時，并且車速較低時，考慮經濟性需求，則進行電機再生制動；當制動意圖為緊急制動，并且車速較高時，考慮制動安生性，則進行純液壓制動；其它情況需要對制動強度、SOC、車速、電機及儲能裝置特性等進行綜合判斷，以確定制動模式，汽車復合制動控制策略流程如圖5。

圖5 復合制動控制策略流程

3 復合制動力協(xié)調控制仿真試驗

3.1 仿真參數(shù)

筆者利用MATLAB/Simulink仿真工具對汽車復合制動系統(tǒng)的控制邏輯進行仿真分析，所使用的車輛相關參數(shù)如表1～表4。

表1 車輛常規(guī)技術參數(shù)

表2 電機系統(tǒng)參數(shù)

表3 電池與超級電容相關參數(shù)

表4 常規(guī)液壓制動系統(tǒng)參數(shù)

3.2 仿真分析

仿真試驗是假設地面附著力足夠(筆者選取地面附著力為0.7)，這時車輛無滑移，即汽車制動不需要進行防抱死制動控制。仿真初始速度選取50 km/h，筆者根據制動效能劃分將制動強度等級分為輕度制動、中度制動、重度制動3種，仿真試驗選取制動強度大小分別為0.1(輕度制動)，0.3(中度制動)，0.7(重度制動)。

當制動強度為0.1時，SOC為0.18時，車輛前軸制動力主要由電機再生制動力提供，在車速

圖6 制動強度為0.1時的仿真結果

車輛在中等制動強度為0.3時，汽車制動狀態(tài)處于液壓摩擦制動與電機再生制動的復合制動模式，該復合制動模式下的仿真結果如圖7。由于電機系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)動態(tài)響應不同，當兩者一同進行制動時，其制動力很難相互補償以滿足駕駛員的制動需求，這就導致需求制動力與實際制動力存在較大誤差，這時制動舒適性較差。由圖7可見，協(xié)調控制后，制動力誤差有較大改善，協(xié)調控制后制動力誤差由原來的±32 N·m改善為±5 N·m。因此該模式下的復合制動系統(tǒng)經過層次協(xié)調控制后提高了制動舒適性。

圖7 制動強度為0.3時的仿真結果

當制動強度為0.7時，由于需求制動力較大，制動時間較短，為了保證車輛的穩(wěn)定性，此時車輛進入純液壓制動模式，該模式下的仿真結果如圖8。從圖8可見，純液壓制動模式中由于關閉電機系統(tǒng)，這就導致車輛制動系統(tǒng)響應變慢，這使制動力矩誤差較大，影響了制動舒適性。協(xié)調控制后制動力誤差由原來的±483 N·m改善為±25 N·m。因此該模式下的復合制動系統(tǒng)經過層次協(xié)調控制后提高了制動舒適性。

圖8 制動強度為0.7時的仿真結果

4 結 語

筆者利用設計的雙電機前軸復合制動系統(tǒng)，以前后軸制動力分配比例、ECE制動法規(guī)、電機特性、儲能裝置特性等因素為約束條件，對復合制動系統(tǒng)中制動力分配策略進行研究，并提出了復合制動力層次協(xié)調控制策略，以滿足駕駛員的制動需求和制動舒適性。

基于MATLAB/Simulink對汽車電液復合制動系統(tǒng)進行無滑移的多制動模式進行了仿真試驗，試驗結果表明，筆者的基于多約束條件下對汽車復合制動力層次協(xié)調控制策略，可以降低制動力誤差，提高制動舒適性。

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Coordinated Control Optimization of Composite Braking System of Hybrid Electric Vehicle with Multi-Constraints

Huang Daxing

(School of Automobile, Shaoguan University, Shaoguan 512005, Guangdong, China)

In view of the current existing problems of related to motor regenerative braking and hydraulic friction braking work together, composite brake system with double motor was designed. Based on hierarchical control, a braking force distribution strategy of composite braking system was developed, considering the restriction of the distribution ratio of braking force upon front and rear, ECE braking regulation, motor characteristic and energy storage characteristic, etc. Finally the simulation of control strategy of composite braking system in MATLAB/Simulink environment was done under three operating modes. The results indicate friction braking system and motor regenerative braking system can work coordinately and steadily in various operating mode under the regenerative braking control strategy, and show that the error of composite braking force and braking force driver demand reduce significantly, vehicle brake comfort has improved greatly.

vehicle engineering; composite braking force; multi-constraints; hierarchical control; coordinated control

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.29

2013-12-12；

2014-03-17

韶關市科技計劃項目〔韶財教(2012)105號〕；江蘇省汽車工程重點實驗室開放基金項目(QC200804)

黃大星(1979—)，男，江西永豐人，講師，碩士，主要從事汽車節(jié)能控制技術方面的研究。E-mail：huangdaxing2007@163.com。

U463.53

A

1674-0696(2015)03-146-06