電動汽車防抱死制動系統(tǒng)控制策略現(xiàn)狀研究

摘 要：通過對電動汽車制動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析，闡述了電動汽車?yán)锏腁BS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程，重點分析了五種ABS系統(tǒng)的控制策略的優(yōu)缺點，提出未來電動汽車ABS制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：防抱死制動系統(tǒng)；再生制動；控制策略；電動汽車

1 概述

石油匱乏、溫室效應(yīng)、PM2.5等能源危機和環(huán)境污染日益突顯，已經(jīng)嚴(yán)重影響著人們的衣食住行。傳統(tǒng)汽車不僅是原油的主要消耗者，也是溫室氣體、PM2.5等廢氣的主要排放者，所以電動汽車的發(fā)展在世界各國受到了前所有未有的關(guān)注。這里的電動汽車主要包含純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。電動汽車的安全技術(shù)尤其是制動技術(shù)將面臨越來越嚴(yán)格的考驗。再生制動技術(shù)由于其制動力受汽車電機性能、電池容量等的限制，單獨應(yīng)用在汽車上其制動效果并不能達(dá)到理想狀態(tài)。故目前國內(nèi)的電動汽車制動系統(tǒng)沿用了傳統(tǒng)汽車的防抱死制動系統(tǒng)的制動方式，或采用再生制動與ABS制動相結(jié)合的模式。本文在電動汽車制動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對電動汽車環(huán)境下的ABS制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵控制策略進(jìn)行對比分析，提出未來發(fā)展趨勢。

2 電動汽車制動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外從上世紀(jì)90年代開始電動汽車的制動系統(tǒng)產(chǎn)品就已上市且已具備較成熟的理論。日本豐田公司把ABS系統(tǒng)的功能和再生制動功能進(jìn)行融合，開發(fā)了豐田混合動力控制系統(tǒng)，將整車能量利用效率提高到20%，之后該公司相繼推出THS-C系統(tǒng)、THS-M系統(tǒng)等進(jìn)一步提升了制動技術(shù)。美國福特公司則以電子系統(tǒng)和機械制動為主開發(fā)了線控電液再生制動系統(tǒng)應(yīng)用在混合動力汽車上。在制動系統(tǒng)理論方面，Eid Mohamed等人提出了并聯(lián)式混合動力車再生制動方案，不僅能實現(xiàn)摩擦制動與再生制動的協(xié)調(diào)，還能利用再生制動的快速響應(yīng)特性更好地實現(xiàn)汽車的防抱死性能[1]。Hoon Yeo等人提出了一種再生制動控制算法，使電機工作在高效區(qū)[2]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在電動汽車制動技術(shù)方面雖已取得階段性成果，但是較之國外大部分研究成果尤其是再生制動系統(tǒng)的研究仍停留在理論層面。張忠富融合現(xiàn)代先進(jìn)機電控制技術(shù)，設(shè)計了一種新型電磁機械耦合再生制動系統(tǒng)，克服摩擦制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)兩套系統(tǒng)的相互獨立的缺陷[3]。張繼紅提出將電液制動系統(tǒng)與再生制動系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用在純電動汽車上，通過仿真分析整車性能及制動性能得出這一方法的可行性與有效性。在政策方面，2012年科技部發(fā)布的《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》確立了純電驅(qū)動的技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，明確了汽車動力系統(tǒng)電動化技術(shù)變革的總體方向。十三五規(guī)劃中則進(jìn)一步強調(diào)電動汽車的技術(shù)提升與改進(jìn)，鼓勵企業(yè)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新能源電動汽車技術(shù)結(jié)合。

3 ABS系統(tǒng)控制策略分析

3.1 ABS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1，電動汽車再生制動系統(tǒng)主要由ABS系統(tǒng)、制動踏板、電機傳動系統(tǒng)及其控制單元、電池及其控制單元和協(xié)調(diào)控制器等組成?，F(xiàn)在市面上絕大部分電動汽車的ABS系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車的ABS系統(tǒng)具有異曲同工之處，極少數(shù)電動汽車的ABS系統(tǒng)是經(jīng)過專門設(shè)計的。ABS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是在普通制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速傳感器、電子控制裝置、制動壓力調(diào)節(jié)裝置、報警裝置等幾個部分。

3.2 ABS系統(tǒng)控制策略分析

對于裝有再生制動系統(tǒng)的電動汽車，將再生制動系統(tǒng)與ABS控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，不僅可以回收電動車的能量，還可合理分配制動力矩，增加車輛的制動穩(wěn)定性。單純就汽車防抱死控制系統(tǒng)而言，主要有以下五種控制策略。

3.2.1 邏輯門限值控制策略。該控制策略應(yīng)用在ABS系統(tǒng)中的具體原理是把車輪的制動參數(shù)設(shè)置一個門限值，通過對比實時制動參數(shù)與該門限值的差距判斷車輪是否趨于抱死。這種控制策略雖然對制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模要求低，但是由于門限值參數(shù)的判斷邏輯較多，需在反復(fù)試驗后得出規(guī)律，缺乏可靠性。

3.2.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。其具體的應(yīng)用原理是根據(jù)ABS控制系統(tǒng)的瞬時狀態(tài)以躍變的形式對制動量大小進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)在較小范圍內(nèi)滑移換節(jié)曲線移動。在制動時具有較強的魯棒性，但在曲線切換中，通常會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。此外該控制策略中模型的狀態(tài)方程誤差較大會影響最終制動效果。

3.2.3 PID控制策略。PID控制所涉及的控制算法和控制結(jié)構(gòu)都很簡單，便于工程應(yīng)用。通過設(shè)定滑移率實際值與理論值之間的差值為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)在線或離線專家經(jīng)驗法對ABS控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，從而獲得較優(yōu)的制動系數(shù)。但常規(guī)的PID控制器并不能滿足條件復(fù)雜的行車工況。故越來越多的研究者在這一控制策略的研究重點放在通過智能控制算法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，如將免疫算法、蟻群算法等和PID控制方法聯(lián)合起來應(yīng)用于ABS。

3.2.4 模糊控制策略。以基于滑移率的模糊控制策略為例，其應(yīng)用原理是設(shè)計滑移率誤差與滑移率誤差變化率為輸入量，通過相應(yīng)的模糊規(guī)則經(jīng)過隸屬度函數(shù)輸出的制動壓力值對車輪進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)車輪的防抱死。該策略應(yīng)用的關(guān)鍵是建立合理的模糊控制器并將該控制器應(yīng)用ABS系統(tǒng)中，存在的缺陷是對較小誤差的控制方面難以達(dá)到較高的控制精度。

3.2.5 最優(yōu)控制策略。在ABS控制系統(tǒng)中，通常選擇車輪角速度及角加速度作為狀態(tài)參數(shù)，以滑移率為控制優(yōu)化目標(biāo)，實施反饋閉環(huán)控制。該控制策略在理論層面較成熟，控制仿真效果較好，但是由于控制策略與精確的控制模型有很大關(guān)系，在實際應(yīng)用中具有較大的難度。

4 電動汽車ABS系統(tǒng)發(fā)展趨勢

電動汽車的制動系統(tǒng)由再生制動和ABS制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，從理論分析到設(shè)計應(yīng)用也逐漸走向成熟，面臨產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。其發(fā)展方向有對再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低成本，大批量的應(yīng)用在實體車中；優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略，綜合考慮能量利用率與制動穩(wěn)定性的平衡關(guān)系；將智能化的控制策略引入到ABS控制系統(tǒng)中，提升ABS系統(tǒng)的制動性能，豐富ABS控制理論內(nèi)容。

5 結(jié)束語

汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS不僅在傳統(tǒng)汽車上占據(jù)重要地位，而且在電動汽車領(lǐng)域仍發(fā)揮重要作用。在電動汽車領(lǐng)域，ABS制動控制策略的有效實施以及其與再生制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是確保電動汽車實現(xiàn)最佳制動的基礎(chǔ)，也是提升電動汽車能量回收率的有效途徑。所以電動汽車的ABS制動控制系統(tǒng)與再生制動系統(tǒng)的集成控制策略仍然是值得深入研究的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]張忠富.電動汽車電磁機械耦合再生制動系統(tǒng)構(gòu)建及主動穩(wěn)定性控制研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[2]張繼紅.純電動汽車電液制動系統(tǒng)再生制動控制策略研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2011.

[3]孫駿，蔣克榮.汽車ABS免疫PID控制算法[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（4）：27-30.

作者簡介：付杰（1984-），女，山東聊城人，工程師，碩士。