集成式電子液壓制動系統(tǒng)的復(fù)合制動協(xié)調(diào)控制

余卓平， 史彪飛， 熊 璐,， 韓 偉， 舒 強(qiáng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心， 上海 201804； 3.上海同馭汽車科技有限公司， 上海 201806)

研究表明，一輛常年在城市行駛的車輛大約有30%～50%的能量在制動過程中以熱的形式耗散掉[1].而電驅(qū)動車輛依靠其配備的復(fù)合制動系統(tǒng)可以大幅回收這部分能量，改善車輛的經(jīng)濟(jì)性[2].復(fù)合制動系統(tǒng)一般包括電機(jī)制動子系統(tǒng)和液壓制動子系統(tǒng)，車輛的制動需求優(yōu)先由電機(jī)再生制動提供，當(dāng)電機(jī)制動力不足時，液壓制動介入[3].然而，受到電機(jī)高速時制動力有限以及低速時不能提供再生制動力的限制，復(fù)合制動會出現(xiàn)液壓制動系統(tǒng)介入制動、液壓制動系統(tǒng)撤出制動以及低速時再生制動力撤出制動的三種過渡工況[4].由于電機(jī)的響應(yīng)速度快，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度較電機(jī)慢，導(dǎo)致復(fù)合制動在過渡工況下，會產(chǎn)生較大的制動沖擊度(即制動減速度的導(dǎo)數(shù))，制動的平順性與舒適性有所惡化[5].

文獻(xiàn)[6]基于制動減速度和沖擊度提出了“不舒適度指數(shù)”來描述制動平順性和舒適性.其中不舒適度指數(shù)為1，表示所有的乘客都感到舒適；不舒適度指數(shù)為5，表示所有的乘客都感到不舒適；不舒適度指數(shù)為3，表示一般的乘客都感到舒適.圖1給出了部分制動減速度和沖擊度范圍下的不舒適度指數(shù).

目前，對復(fù)合制動領(lǐng)域的研究主要集中在提出制動力分配策略，在保證制動穩(wěn)定性前提下盡可能多地回收制動能量，而對制動過程中車輛減速度、沖擊度等狀態(tài)的研究不多，致使眾多的能量回收策略無法體現(xiàn)實(shí)際效果.因此，對于復(fù)合制動過渡工況控制的研究有較高的實(shí)際應(yīng)用需求和價值.

對制動力切換的過渡工況問題，Numasato等[7]對液壓制動系統(tǒng)與電機(jī)的響應(yīng)特性進(jìn)行校正，解決兩者響應(yīng)特性上的差異，但同時導(dǎo)致了系統(tǒng)整體的響應(yīng)滯后.TERUO[8]通過搭建濾波器，讓電機(jī)額外響應(yīng)制動力需求的高頻信號，但由于高頻信號所占原信號的比例不大，導(dǎo)致該策略控制效果不理想.朱智婷等[9]提出了一種包含制動力分配修正和電機(jī)力補(bǔ)償模塊的協(xié)調(diào)控制策略，制動減速度跟蹤誤差明顯減小，但該策略僅停留在仿真階段.清華大學(xué)呂辰[10]基于所開發(fā)的具有協(xié)調(diào)式能量回饋功能的制動防抱死系統(tǒng)(energy-regeneration anti-lock brake system，EABS)，提出了回饋制動耦合非線性主動補(bǔ)償控制算法，令驅(qū)動電機(jī)對軸系彈性及齒側(cè)間隙耦合等非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行主動補(bǔ)償，仿真結(jié)果表明制動過程中沖擊度減小了67%，但沒有做進(jìn)一步的試驗驗證.

圖1 不舒適度指數(shù)

電子液壓制動系統(tǒng)(electro-hydraulic brake system, EHB)是汽車液壓制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，具有響應(yīng)快速、制動力精確控制、易于實(shí)現(xiàn)再生制動等突出優(yōu)點(diǎn)[11].本文基于文獻(xiàn)[12]提出的集成式電子液壓制動系統(tǒng)(integrated-electro-hydraulic brake system，I-EHB)，并采用液壓力控制算法[13-14]對復(fù)合制動過渡工況沖擊度進(jìn)行研究.第1節(jié)介紹I-EHB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理.第2節(jié)介紹復(fù)合制動總體策略.第3節(jié)提出了雙閉環(huán)反饋和電機(jī)力修正的協(xié)調(diào)策略.第4節(jié)對液壓制動系統(tǒng)介入制動和再生制動力撤出制動兩種過渡工況進(jìn)行了仿真和臺架試驗，證明了控制策略的有效性.

1 集成式電子液壓制動系統(tǒng)

I-EHB由制動踏板單元、液壓驅(qū)動單元、制動執(zhí)行單元和控制系統(tǒng)4部分組成，如圖2所示，圖中，ECU為電控單元，DC/AC為逆變器，ESC為電子穩(wěn)定性控制單元,MC1、MC2為主缸的兩個腔.其中制動踏板單元提供駕駛員的制動踏板感覺，包括制動踏板、次級主缸、踏板模擬器、踏板模擬器電磁閥(電磁閥3)、次級主缸電磁閥(電磁閥1)；液壓驅(qū)動單元為系統(tǒng)提供動力源，包括電機(jī)和減速傳動機(jī)構(gòu)等；制動執(zhí)行單元與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持一致，包括主缸、液壓管路等.解耦缸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解耦，即實(shí)現(xiàn)正常制動時，制動踏板與制動主缸不直接相連.正常模式下，駕駛員踩下制動踏板，次級主缸的制動液注入到踏板模擬器，產(chǎn)生踏板感覺，同時制動踏板推桿推動解耦缸活塞壓縮解耦缸液壓腔，此時電磁閥2處于打開狀態(tài)，使得解耦缸內(nèi)制動液流入儲液罐，如此實(shí)現(xiàn)了制動踏板不再直接與制動主缸相連.工作時，電子液壓制動系統(tǒng)根據(jù)上層制動力分配策略計算出的目標(biāo)液壓力以及壓力傳感器反饋的實(shí)際液壓力構(gòu)成壓力閉環(huán)，時刻控制著電機(jī)應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩大小，并經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)作用在制動主缸上[14]，控制框圖如圖3所示.

圖2 集成式電子液壓制動系統(tǒng)(I-EHB)

圖3 I-EHB液壓力控制框圖

2 復(fù)合制動總體策略

復(fù)合制動總體策略如圖4所示，制動力分配策略通過車輛信息和電池信息計算出使能量回收最大化的目標(biāo)電機(jī)力和目標(biāo)液壓力并分別作用到制動電機(jī)和電子液壓制動系統(tǒng)，產(chǎn)生的電機(jī)制動力和液壓制動力共同作用使車輛減速，同時電機(jī)通過再生制動將產(chǎn)生的電能存入電池，實(shí)現(xiàn)能量回收[15].

圖4 復(fù)合制動總體策略

3 雙閉環(huán)反饋和電機(jī)力修正策略

3.1 雙閉環(huán)反饋控制策略

液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略，旨在由電機(jī)再生制動力直接對目標(biāo)液壓力與實(shí)際制動液壓力之間的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，以期使總制動力在過渡工況下更接近總需求制動力，從而改善液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度慢與超調(diào)帶來的制動沖擊.從控制角度，由于I-EHB系統(tǒng)自身實(shí)行的是液壓力閉環(huán)控制[16]，在此基礎(chǔ)上再將目標(biāo)液壓力與實(shí)際制動液壓力求差后成為電機(jī)需求制動力的一部分，由此形成了對液壓力的雙閉環(huán)反饋.制動液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略的具體框圖如圖5所示.

圖5 制動液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略框圖

在引入制動液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略后，電機(jī)實(shí)時響應(yīng)上層制動力分配策略計算出的目標(biāo)電機(jī)力以及I-EHB的液壓力跟蹤誤差，使總實(shí)際制動力在過渡工況下更接近總需求制動力.

3.2 電機(jī)力修正策略

對于制動初始階段，液壓力介入的過渡工況，根據(jù)制動力分配策略，電機(jī)力已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，無法對液壓力進(jìn)行協(xié)調(diào)補(bǔ)償.為了提升電機(jī)在液壓力介入工況下的補(bǔ)償能力，添加電機(jī)力修正策略，如圖6所示.

圖6 電機(jī)力修正策略框圖

電機(jī)力修正策略作用如下：車輛檢測制動需求狀態(tài)，若制動需求在增加，并且量綱一制動強(qiáng)度小于0.1時，此時液壓力即將介入，令制動力分配策略的電機(jī)力上限值低于最大值，從而使得液壓力介入時由于滯后產(chǎn)生的不足制動力可以由電機(jī)協(xié)調(diào)補(bǔ)償；當(dāng)制動需求仍在增加，且制動強(qiáng)度在0.1～0.15時，過渡過程從開始到逐漸進(jìn)入尾聲，制動力分配策略中的電機(jī)力上限值逐步恢復(fù)到最大值，以回收更多能量；若制動需求維持在某一定值，則分配策略的電機(jī)力上限值始終為最大值，策略流程圖如圖7所示.此外，在再生制動低速撤出工況下，電機(jī)力應(yīng)提前一段時間退出，以給電機(jī)響應(yīng)電機(jī)補(bǔ)償力提供力矩空間.這樣就保證了電機(jī)在各個過渡工況下始終具有補(bǔ)償能力.

圖7 電機(jī)力修正策略流程圖

4 仿真與試驗

由于液壓制動系統(tǒng)介入與液壓制動系統(tǒng)撤出的過渡工況類似，本文僅對液壓制動系統(tǒng)介入與再生制動力低速撤出兩種復(fù)合制動過渡工況進(jìn)行仿真和硬件在環(huán)試驗驗證.

仿真和試驗所選取的某電動汽車的整車參數(shù)見表1，驅(qū)動形式為雙輪轂電機(jī)前驅(qū)，電機(jī)參數(shù)見表2.I-EHB響應(yīng)時間為0.2 s，最大建壓能力為200 bar(1 bar=0.1 MPa).

表1 整車參數(shù)

表2 電機(jī)參數(shù)

仿真和試驗工況為：初始車速為40 km·h-1，路面附著系數(shù)0.8，車輛制動強(qiáng)度從0開始逐步增長到0.4并保持不變，直到車速減為0.

4.1 仿真結(jié)果及分析

基于Simulink/AMESim/CarSim三個軟件對上述工況進(jìn)行聯(lián)合仿真，圖8為無過渡過程協(xié)調(diào)策略的仿真結(jié)果.在液壓力建立的階段A，車輛的總制動力落后于需求的總制動力，實(shí)際制動減速度也落后于目標(biāo)制動減速度，從而產(chǎn)生了制動沖擊度，在A段處其數(shù)值上為-34.77 m·s-3.而在B段，制動強(qiáng)度維持在中等制動強(qiáng)度后，當(dāng)車速降到極限值時，再生制動力撤出.此時由于總的制動強(qiáng)度需求不變，電機(jī)制動力快速退出，液壓制動力的需求快速上升，導(dǎo)致液壓制動力的響應(yīng)產(chǎn)生了一定的超調(diào)量，使得B處的制動沖擊度達(dá)到了78.31 m·s-3.

添加策略后的仿真結(jié)果如圖9所示，從圖中可以明顯看出，制動初始階段，實(shí)際減速度能夠很好地跟蹤需求減速度，制動沖擊度降低至-25.66 m·s-3，減小了26.2%；再生制動低速撤出階段的制動減速度也基本沒有了突變.制動沖擊度降低至-39.96 m·s-3，減小了49.0%.有無策略的仿真結(jié)果對比見表3.

a 車速

b 制動力

c 減速度

d 沖擊度

a 車速

b 制動力

c 減速度

d 沖擊度

液壓力介入時沖擊度/(m·s-3)再生制動撤出時沖擊度/(m·s-3)無策略-34.7778.31有策略-25.66-39.96沖擊度減小率/%26.249.0

4.2 試驗結(jié)果及分析

基于圖10的硬件在環(huán)試驗平臺對所提出策略進(jìn)行試驗驗證，其中，CAN為控制器局域網(wǎng)，用來傳遞數(shù)據(jù)；INCA軟件用于在線觀測和標(biāo)定.

圖10 硬件在環(huán)實(shí)驗平臺結(jié)構(gòu)圖

圖11為無過渡過程協(xié)調(diào)策略的試驗結(jié)果，可以看出，在液壓開始介入時，由于液壓系統(tǒng)響應(yīng)時間較慢，導(dǎo)致總的制動力無法滿足制動需求，產(chǎn)生制動失效的感覺，可能對駕駛員造成一定的恐慌，最大沖擊度達(dá)28.26 m·s-3.之后隨著制動時間的增長，車速下降到一定時，電機(jī)制動力退出，液壓制動力介入，同樣由于系統(tǒng)的響應(yīng)時間問題，液壓力沒能及時補(bǔ)充由于電機(jī)力退出產(chǎn)生的不足制動力，導(dǎo)致制動強(qiáng)度突然減小，沖擊度高達(dá)-60.94 m·s-3，這會使得駕駛員產(chǎn)生制動失效的錯覺，影響制動感覺.

添加策略后的試驗結(jié)果如圖12所示，隨著制動強(qiáng)度的增加，雖然實(shí)際制動強(qiáng)度仍略小于目標(biāo)值，但兩者的增長幅度相同，這樣避免了制動時出現(xiàn)較大的沖擊，同時不會讓駕駛員有制動失效的錯覺，能夠很好保證制動感覺，此時沖擊度在16 m·s-3左右波動，最大值為18.39 m·s-3，減小了34.9%，；再生制動低速撤出階段，最大沖擊度減小至16.84 m·s-3，減小了72.3%.有無策略的試驗結(jié)果對比見表4.

a 車速

b 制動力

c 減速度

d 沖擊度

a 車速

b 制動力

c 減速度

d 沖擊度

液壓力介入時沖擊度/(m·s-3)再生制動撤出時沖擊度/(m·s-3)無策略28.26-60.94有策略18.3916.84沖擊度減小率/%34.972.3

5 總結(jié)

基于集成式電子液壓制動系統(tǒng)，針對復(fù)合制動過渡工況沖擊度問題，提出了雙閉環(huán)反饋和電機(jī)力修正的協(xié)調(diào)策略，通過仿真和硬件在環(huán)試驗，證明了所提出的策略能有效減小復(fù)合制動過渡工況沖擊度，使得液壓力介入時的沖擊度從最初的28.26 m·s-3降低到18.39 m·s-2，減小了34.9%；再生制動低速撤出時的沖擊度從最初的-60.94 m·s-3降低到16.84 m·s-3，減小了72.3%，提高了車輛制動舒適性，為該策略的實(shí)際應(yīng)用提供了參考依據(jù).