電動汽車機電復合制動力分配策略

梁巖巖，方 恩，盤朝奉，3，林俊良，陳 燎，戴 偉

（1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013；2.上海汽車集團股份有限公司，上海 201804；3.江蘇大學 汽車工程研究院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013；4.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200120）

再生制動是目前電動汽車中應用最廣泛且最重要的技術(shù)之一[1-2]， 但是，再生制動系統(tǒng)的介入會對整車的制動性能產(chǎn)生一定的影響，在很多情況下，單電機制動滿足不了駕駛員的制動需求，因此，需要由液壓與電機共同來提高需求制動力[3-4]?，F(xiàn)階段對復合制動系統(tǒng)的研究主要分為兩個方面：一是再生制動控制策略研究，盡量在制動過程中多回收能量；二是機電復合制動的協(xié)調(diào)控制策略研究，保證制動力能夠滿足駕駛員的制動需求。

在國外，日本豐田公司針對混合動力汽車開發(fā)了一套再生制動系統(tǒng)，在制動過程中實現(xiàn)電制動與行車制動的協(xié)調(diào)控制，并且能使汽車的節(jié)油率達到30%[5]。本田在HEV Insight 上搭載ISG 電機的再生制動系統(tǒng)[6]，該車不僅使用機械制動與再生制動相配合的制動控制技術(shù)，還通過采用控制發(fā)動機節(jié)氣門開度的雙制動力分配系數(shù)控制策略，以提高其制動能量回收的效率。日本東海大學的PEEIE 等對小型電動汽車的防滑控制進行了研究，主要分析了再生制動力對摩擦制動力滯后產(chǎn)生的影響，結(jié)合液壓機械復合制動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)，提出了一種新的防滑控制仿真模型[7]。

在國內(nèi)，清華大學張俊智等通過多種控制策略的對比，提出了一種串聯(lián)式制動能量再生系統(tǒng)，實現(xiàn)了ABS 系統(tǒng)與再生制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，并在dSPACE 實時硬件平臺上搭建再生制動系統(tǒng)試驗，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在保證制動安全的前提下，能夠回收更多的能量[8-9]。同濟大學的王猛等開發(fā)了考慮電池和電機參數(shù)的制動能量回收系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)鼓試驗臺進行再生制動回收試驗，在日本1015 工況下的制動能量回收率達 59.15%左右[10]。合肥工業(yè)大學的楊亞娟等對某種電機制動力矩較小、響應較快的電動車進行了研究，根據(jù)制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制定了常規(guī)制動和防抱死制動的控制策略，并搭建了實車測試系統(tǒng)來驗證該控制策略，試驗結(jié)果表明，該控制策略能在滿足制動安全性的要求下回收較多能量[11]。

綜上所述，國內(nèi)外學者主要從控制策略上對電機或者液壓進行控制，盡量多回收能量，本文主要從以下幾個方面進行了研究：

（1）分析并計算電機與液壓的解耦門限值，并且對制動工況進行分類。

（2）不同的制動工況下設(shè)計不同的控制策略，盡量多回收制動能量。

（3）在最大限度回收再生制動能量的同時如何保證車輛的制動性能。

以某電動汽車機電復合制動系統(tǒng)為研究對象，綜合考慮ECE-R 13 制動法規(guī)要求以及最大程度發(fā)揮電機的制動作用，提出了不同制動工況下的制動力分配策略，采用二位二通電磁閥進行液壓的調(diào)節(jié)，并對不同制動工況下的策略進行仿真和試驗驗證。本研究為以超級電容為回收能量存儲裝置、ABS 系統(tǒng)進行調(diào)壓的復合制動系統(tǒng)的開發(fā)提供試驗與仿真的依據(jù)。

1 機電復合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

本文所選某電動汽車整車基本參數(shù)見表1。

綜合再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理[12-14]，本文制定了電動汽車機電復合制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，如圖1 所示。

復合制動控制單元根據(jù)踏板位移傳感器的信號，準確地計算得出需求制動力，根據(jù)整車控制器提供的電機狀態(tài)信息，復合制動控制單元向整流橋發(fā)送控制信號，以此來控制再生制動力的大小，同時也向液壓制動系統(tǒng)發(fā)送電磁閥控制信號。其中，液壓制動系統(tǒng)由2 個電磁閥和ABS 系統(tǒng)組成，兩個電磁閥位于主油路，用于實現(xiàn)機電解耦，ABS 系統(tǒng)用于液壓的調(diào)節(jié)。本研究是串聯(lián)超級電容，制動能量回收是通過整流橋?qū)⑷嘟涣麟娮兂芍绷麟娀厥战o超級電容。

表1 電動汽車整車基本參數(shù)

圖1 電動汽車機電復合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 前后軸制動力分配策略

2.1 滿足ECE 制動法規(guī)和電機最大制動力的前后軸制動力分配

考慮本研究針對的是前軸驅(qū)動電動汽車，在滿足制動需求的前提下，盡量將制動力分配至前軸，即盡量保持制動力分配系數(shù)β=1，但是要保證β=1 處在其合理的范圍之內(nèi)。對于M1類汽車，ECE-R13 制動法規(guī)對車輛前、后軸制動力分配曲線要求為當制動強度z= 0.1 ～0.61時：

將β=1 與車輛的參數(shù)代入式（1）中，可以發(fā)現(xiàn)，當制動強度在z≤0.127 或z≥0.882 時，制動力可以完全由前軸提供。但是考慮到大強度制動時可能會導致車輪的抱死從而引發(fā)一些不必要的危險，所以將z0=0.127 作為機電解耦的門限值。

在制定制動力分配策略時，不僅需要考慮在符合ECE 法規(guī)的條件下機電解耦的門限值，同時還需要考慮電機的最大制動力矩。電機的制動特性曲線如圖2 所示，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系，可得電動汽車所使用的電機最大制動力矩為Tmax=40 Nm，則電機能夠提供的最大制動強度

圖2 電機的制動特性曲線

2.2 前后軸制動力分配策略

前后軸制動力分配需要滿足以下兩個要求：

（1）最大程度利用電機制動。

（2）不改變車輛原有前后軸制動力固定分配比例。

基于以上要求，本文的前后軸制動力分配曲線如圖3 紅色線所示。

圖3 前后軸制動力分配曲線

在圖3 中，本文所提出的曲線為折線OABC，其中，A 點為機電解耦的門限點，在A 點之前，制動力全部由前軸電機制動力提供。在AB 段中，保持前軸整體制動力不變，增加后軸液壓制動力直到恢復到原有的前后軸制動力分配曲線，過了B 點之后，前后軸制動力就按照車輛原有的制動力分配曲線進行。C 點作為緊急制動的門限點，也就是說，在BC 段進行機電復合制動，過了C 點之后，此時的制動強度大于0.7，直接進行液壓ABS 制動。

圖4 為前軸液壓制動力與電機制動力的分配曲線。電機首先進行制動并逐漸增加到最大，即到達圖中A 點，由于電機不能維持在最大制動力，所以為了時刻保證前軸制動力不變，需要液壓制動力介入，如圖中藍色線所示。圖4 中的AB 段對應圖3 中的AB 段，當達到B 點之后，前后軸的制動力分配比例達到了原車前后軸制動比例，之后前后軸制動力就會按照原車前后軸制動比例進行分配。由于過了B 點之后，前軸制動力開始逐漸增加，所以BC段的斜率明顯變大，當?shù)竭_C 點之后，電機制動力全部撤銷，只靠液壓制動力來進行制動。

圖4 前軸制動力分配曲線

依據(jù)上述分析，本文所制定的電動汽車復合制動控制策略如圖5 所示。

圖5 復合制動控制策略流程

其中，F(xiàn)req表示總需求制動力；Ff表示前軸制動力；Fr表示后軸制動力；Ffy表示前軸液壓制動力；Freg表示電機制動力；Fregmax表示最大電機制動力。

3 制動力分配策略仿真與試驗分析

3.1 小強度制動

首先對小強度（z＜0.1）制動進行仿真分析，在此工況下，僅進行電機制動。讓車輛加速到30 km/h 左右開始進行制動，超級電容的初始電壓為10 V 左右，直到車輛停下來之后仿真結(jié)束，仿真圖如下。

圖6 小強度制動整車制動力仿真曲線

圖7 超級電容端電壓仿真

圖8 占空比控制信號仿真

圖9 需求制動力與實際制動力仿真對比

圖6 ～9 是小強度制動工況下的仿真圖，隨著占空比信號的逐漸增加，電機制動力跟隨需求制動力變化，此時沒有液壓制動，所以解耦電磁閥關(guān)閉。當電機制動力不足以滿足需求制動力，此時占空比達到最大，前輪解耦電磁閥打開，后輪不進行制動，液壓制動力介入，超級電容端電壓升高。在此過程中可以看出實際制動力能夠很好地滿足需求制動力。

根據(jù)仿真結(jié)果，進行了電機小強度再生制動力試驗，結(jié)果如圖10 ～12 所示。

圖10 小強度制動電機制動力試驗

圖11 小強度制動占空比試驗

圖12 小強度制動超級電容端電壓試驗

圖10 ～12 為最大電機制動力矩相關(guān)信號的變化曲線。在剛開始時，電機制動力隨占空比的增加逐漸增加到需求制動力，為了保持需求制動力不變，占空比繼續(xù)增加，在此過程中，超級電容的端電壓逐漸增加。

3.2 中強度制動

當0.1 ＜z＜0.7，中強度制動工況下，此時電機制動力不能完全滿足需求制動力，在此種制動工況下就需要進行電機與液壓的復合制動，電機以最大的制動力進行制動。在此仿真過程中，讓車輛加速到30 km/h 左右開始進行制動，超級電容的初始電壓為10 V 左右，直到車輛停下之后仿真結(jié)束，仿真圖如下。

圖13 中強度制動整車制動力仿真曲線

圖14 超級電容端電壓仿真

圖15 占空比控制信號仿真

圖16 需求制動力與實際制動力仿真對比

圖13 ～16 是中強度制動工況下的仿真圖。在剛開始時，電機制動力隨占空比的增加逐漸增加到最大，占空比增加到1 時，電機制動力達到最大之后開始逐漸降低，當電機制動力不能滿足需求制動力時，解耦電磁閥打開。在此過程中，超級電容端電壓逐漸增大，當占空比為100%時趨于穩(wěn)定，實際制動力能夠很好地滿足需求制動力。

根據(jù)仿真結(jié)果，進行了電機中強度再生制動力試驗和液壓制動力試驗，圖17 為中強度制動下電機制動力矩圖。在中強度液壓制動試驗中，由于晶閘管G 極的占空比始終為1，不需要對電機進行控制，從而采取等效的試驗方法，將試驗中測得的最大再生制動力試驗數(shù)據(jù)作為已知量，以中強度工況下的需求制動力減去已知量作為液壓制動系統(tǒng)中的目標制動力，如圖18 所示，即在所提出的液壓制動力控制策略下能夠使液壓制動力按照圖18 所示的曲線進行變化，從而能夠證明所提出的液壓制動力控制策略的有效性。但是液壓制動力控制試驗臺架中的壓力傳感器測得的單位是MPa，為了便于試驗，將圖18等效成圖19進行試驗，結(jié)果如圖20所示。

圖17 中強度制動電機制動力矩試驗

圖18 復合制動液壓需求制動力

圖19 復合制動等效液壓需求制動力

圖20 復合制動液壓實際制動力

3.3 緊急制動

當z＞0.7 時，在緊急制動工況下，為了安全性以及蓄電池和超級電容的壽命考慮，不采取電機進行制動。本文設(shè)定0.2 為滑移率目標值，仿真時讓車輛加速到60 km/h 開始進行制動，超級電容的初始電壓為10 V 左右，直到車輛停下來之后仿真結(jié)束，仿真圖如下。

圖21 緊急制動整車制動力仿真曲線

圖22 超級電容端電壓仿真

圖23 占空比控制信號仿真

圖24 前后輪滑移率仿真

圖21 ～24 是緊急制動工況下的仿真圖，由于駕駛員踩踏板有一個過程，所以在前期很短的時間內(nèi)會有電機制動力的介入并迅速達到最大值，當檢測到此次為緊急制動時，電機撤出制動，液壓開始介入，并且以0.2 作為目標滑移率進行制動。超級電容的端電壓由于電機制動力僅在前期很短的時間內(nèi)介入，最終超級電容的端電壓基本保持不變。整流橋G 極信號的占空比由于電機制動力在前期很短的時間內(nèi)就達到了最大，所以占空比也在很短的時間內(nèi)上升到1，但是在檢測為緊急制動時，為了保護蓄電池、超級電容以及制動的安全性，將占空比設(shè)置為0，即電機不進行制動，制動力全部由液壓提供。

根據(jù)仿真的結(jié)果，進行了液壓緊急制動試驗，試驗圖如下。

圖25 前后輪滑移率試驗

圖26 前后輪轉(zhuǎn)速以及車速試驗

圖27 前后輪制動力試驗

圖25 ～27 為緊急制動時的前后輪滑移率、轉(zhuǎn)速以及制動力矩的試驗圖。根據(jù)控制策略中設(shè)定的滑移率，其保持在0.2 左右變化，轉(zhuǎn)速始終與車速保持著很小的滑移。

3.4 不同制動強度結(jié)果分析

小強度制動由于最后由液壓介入，所以最終車速以電機制動力為0 時的速度計算。

根據(jù)式（2）和式（3），得到超級電容回收的能量以及車輛制動消耗的總能量，得到回收率。

式中：E為超級電容回收的能量，J；C為超級電容的法拉值，F(xiàn)；U2為超級電容的末端電壓，V；U1為超級電容的初始電壓，V。

式中：EP為動能的減少量，J；m為試驗車的質(zhì)量，kg；v1為車輛初始速度，m/s；v2為車輛末速度，m/s。

根據(jù)表2 所分析的仿真數(shù)據(jù)，在小強度制動與中強度制動的仿真中，都是從幾乎相同的車速以及相同的超級電容端電壓開始進行制動的，中強度制動由于電機以最大制動力制動，此過程中的能量回收率遠高于小強度制動過程。在小強度制動中，僅電機進行制動，需求制動力變大，能量回收率越來越大。到中強度制動階段，電機以最大制動力參與制動，但是隨著需求制動力的增加，電機在全部制動力中所占的比例越來越小，所以在中強度制動中，能量回收率會隨著需求制動力的增加而減小。緊急制動時，本研究采取不進行電機制動的策略，所以沒有能量的回收。

表2 不同制動強度結(jié)果對比

4 結(jié)論

針對某電動汽車機電復合制動系統(tǒng)進行了研究，提出了不同工況下的制動力分配策略，并對其進行了仿真和試驗驗證。結(jié)果證明了本文所設(shè)計的以超級電容為儲能裝置并以ABS 系統(tǒng)進行壓力調(diào)節(jié)的復合制動系統(tǒng)的正確性，以及制動力控制策略的有效性。在小強度制動時電機能夠滿足駕駛員的需求制動力，并且能量回收率能夠達到25%；在中強度制動時電機以最大制動力進行制動并且在最大限度回收能量的同時能夠使該系統(tǒng)滿足制動性能，能量回收率能夠達到74%；在緊急制動時能夠保證滑移率穩(wěn)定在0.2 并且使車速與轉(zhuǎn)速之間沒有太大的滑移，電機制動力能夠迅速撤出制動。本文的創(chuàng)新點有以下兩個方面：（1）中強度制動中采用數(shù)值模擬電機制動力的方法將電機制動力作為已知量輸入控制器進行復合制動力控制試驗。（2）提出的控制策略在每種制動強度下只需要對一種制動方式進行控制，這樣就減小了同時控制兩種制動方式所帶來的不協(xié)調(diào)性。