分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)控制研究

楊璐

摘 要：對(duì)于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)能量回收率效益低下的關(guān)鍵問(wèn)題，研究出了一種復(fù)合制動(dòng)控制策略。在控制策略之中，分層控制被作為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配的核心方法，而制動(dòng)穩(wěn)定性以及制動(dòng)能量回收則分別成為了上層控制器和下層控制器的控制目標(biāo)。利用AMEsim等相關(guān)軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行有關(guān)方面的聯(lián)合仿真，結(jié)果表明，本文中提到的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)能夠合理有效地分配制動(dòng)力。與此同時(shí)，此系統(tǒng)不僅可以有效的保證車(chē)輛的制動(dòng)效能以及穩(wěn)定性，還可以做到最大程度的回收制動(dòng)能量。

關(guān)鍵詞：分布式電動(dòng)汽車(chē);復(fù)合制動(dòng);能量回收

1 前言

隨著近年而來(lái)以燃油為動(dòng)力的汽車(chē)的保有量的迅速攀升，如何保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境，如何使核心資源不再短缺成為了擺在人類(lèi)面前難度愈發(fā)升高的重大考驗(yàn)[1]。在此環(huán)境下，世界范圍之內(nèi)掀起了一股研究并開(kāi)發(fā)以電能為動(dòng)力的汽車(chē)的狂熱浪潮。分布式電動(dòng)汽車(chē)具有電動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩獨(dú)立可控，系統(tǒng)響應(yīng)快，控制容易且精確等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了研究熱點(diǎn)。但是其存在的，例如續(xù)駛里程短以及能量利用率普遍較低等相關(guān)問(wèn)題也是關(guān)鍵性的難點(diǎn)。復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)可以有效的對(duì)制動(dòng)能量做出回收，使動(dòng)能完成向電能的轉(zhuǎn)化，以此增加續(xù)駛里程[2-3]。本文設(shè)計(jì)了分布式電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)在AMEsim等相關(guān)軟件中建立仿真模型，并根據(jù)聯(lián)合仿真以驗(yàn)證有關(guān)復(fù)合制動(dòng)控制系統(tǒng)的制動(dòng)性能與能量回收成效。

2 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型建立

對(duì)復(fù)合制動(dòng)模型的關(guān)鍵部件制動(dòng)輪缸在AMEaim之中做出建模。依據(jù)制動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理來(lái)建造的制動(dòng)輪缸模型可參照?qǐng)D1，此模型涵括了一個(gè)接觸式彈簧阻尼系統(tǒng)以及線性彈簧關(guān)鍵特征，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊與活塞缸。

活塞的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：mc是制動(dòng)鉗體具體質(zhì)量（kg）;而xc則被理解為是制動(dòng)鉗和制動(dòng)盤(pán)之間測(cè)量后得出的較為精確的距離（m）;pc為輪缸壓力（Pa）;Ac則是輪缸活塞的精確橫截面積（m2）;Cc為等效阻尼;kc為等效剛度（N/m）。

建立制動(dòng)主缸模型。當(dāng)前，絕大多數(shù)汽車(chē)的主要行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)一般都用雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，多數(shù)汽車(chē)也都利用串列雙腔制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)保證制動(dòng)的安全性[4]。比較常用的串列雙腔主缸結(jié)構(gòu)具體參照?qǐng)D2。

制動(dòng)主缸的推桿推力與主缸內(nèi)油液壓力的關(guān)系式為：

關(guān)系式里，F(xiàn)m常作為推桿的推力（N）;Pm則可以理解成制動(dòng)主缸的壓力數(shù)值（MPa）;Am被看作與主缸等效的橫截面積大?。╩2）;Fms在本式中是具體的回位彈簧力（N）;Fmf為缸壁摩擦阻力（N）。

如圖3所示，可知液壓系統(tǒng)主要由制動(dòng)踏板、制動(dòng)控制器、制動(dòng)主缸、高速開(kāi)關(guān)閥、回油泵及高壓蓄能器、單向閥和制動(dòng)輪缸組成。

3 復(fù)合制動(dòng)控制模型的建立

通過(guò)分層分配的方式，上層控制器以制動(dòng)穩(wěn)定性作為控制目標(biāo)，將總制動(dòng)力分配到每個(gè)車(chē)輪，下層控制器本著能量回收做到最大化的控制目標(biāo)，具體分配每個(gè)車(chē)輪上面大概的液壓制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力的分占比例。首先進(jìn)行前后軸制動(dòng)力之間的分配，為了達(dá)到最佳制動(dòng)效果，前后軸制動(dòng)力按照I曲線分配，為了保證車(chē)輛的方向穩(wěn)定性，每個(gè)軸的左右車(chē)輪平均分配制動(dòng)力，這樣能避免因制動(dòng)力分配不均產(chǎn)生橫擺力矩，影響制動(dòng)的方向穩(wěn)定性。值得注意的是制動(dòng)時(shí)車(chē)輪具體滑移率如果并未超過(guò)原本的最佳滑移率，那么ABS系統(tǒng)將不會(huì)運(yùn)作，如果滑移率高出了原本的最佳滑移率那么ABS系統(tǒng)運(yùn)作，并且利用車(chē)輪制動(dòng)輪缸的減壓或增壓以調(diào)整車(chē)輪具體的制動(dòng)力矩，保證滑移率不會(huì)與最佳滑移率產(chǎn)生較大偏差。同時(shí)下層控制器將依據(jù)車(chē)輛具體的行駛參數(shù)以合理分配每個(gè)車(chē)輪上面液壓制動(dòng)力以及電機(jī)制動(dòng)力的分占比例。制動(dòng)力矩分配模型根據(jù)電機(jī)制動(dòng)力的各項(xiàng)約束條件，得到當(dāng)前電機(jī)最大制動(dòng)力，為了保證制動(dòng)能量回收最大化，所以?xún)?yōu)先使用電機(jī)制動(dòng)力，若電機(jī)制動(dòng)力的最大值不能滿足單個(gè)車(chē)輪的需求制動(dòng)力，剩余的部分由液壓制動(dòng)力補(bǔ)充。利用Matlab構(gòu)建控制模型，具體控制模型結(jié)構(gòu)參考圖4即可。

4 仿真分析

仿真工況定義為路面的附著系數(shù)大概在0.7左右，設(shè)定72km/h作為開(kāi)始時(shí)刻的初速度，0.8的制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行制動(dòng)。

下圖中可以發(fā)現(xiàn)，車(chē)速大約在3.3s以?xún)?nèi)就由72km/h減到0，因此得出，制動(dòng)時(shí)間是3.3s。在前0.4s的時(shí)候，可以看出制動(dòng)強(qiáng)度比較小，那么所需要的制動(dòng)力矩也就隨之變小，而液壓制動(dòng)系統(tǒng)是基本不參加工作的，只是靠電機(jī)參加制動(dòng)。那么也就不難解釋為何電機(jī)制動(dòng)力矩會(huì)在前0.4s得到不斷的增大，與此同時(shí)的前后軸液壓制動(dòng)力矩則為0。而在0.4s的之后，由于制動(dòng)強(qiáng)度的逐漸增大，電機(jī)制動(dòng)力矩已經(jīng)不再能滿足制動(dòng)力矩大小的需求，液壓系統(tǒng)由此進(jìn)入工作，并且補(bǔ)充剩下所需要的制動(dòng)力矩，開(kāi)始電液復(fù)合制動(dòng)的模式。當(dāng)工作進(jìn)行到1.3s左右時(shí)，相應(yīng)的制動(dòng)強(qiáng)度基本已經(jīng)超過(guò)了規(guī)定的電液復(fù)合制動(dòng)中的制動(dòng)強(qiáng)度的上限。于是此時(shí)的電機(jī)制動(dòng)力矩開(kāi)始退出。前后軸滑移率維持在0.19-0.20左右，ABS系統(tǒng)的有效控制保證了前后軸車(chē)輪的滑移率始終沒(méi)有過(guò)分偏離最佳滑移率，ABS系統(tǒng)在復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型中工作效果比較好。開(kāi)始的1.3s中，系統(tǒng)基本在電液復(fù)合制動(dòng)和純電機(jī)制動(dòng)的工作模式下面進(jìn)行工作，擁有電機(jī)參與制動(dòng)則充分地有效的回收了制動(dòng)能量，電池的SOC值也從50%提高到了50.4%左右，在1.3s以后，電機(jī)已經(jīng)基本不再參與制動(dòng)環(huán)節(jié)，相對(duì)應(yīng)的能量回收工作也已停止，與此同時(shí)電池SOC值則保持不變。

5 結(jié)果分析

在AMEsim和Matlab中建立了分布式電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型和制動(dòng)控制模型，通過(guò)聯(lián)合仿真得到了在制動(dòng)仿真工況下的制動(dòng)距離曲線，制動(dòng)力分配曲線，滑移率曲線以及電池SOC值變化曲線。由此可以發(fā)現(xiàn)，本文所構(gòu)建的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)以及制動(dòng)控制系統(tǒng)是可以依據(jù)制動(dòng)工況有效合理的分配制動(dòng)力矩的。ABS系統(tǒng)能夠?qū)⒒坡士刂圃谧顑?yōu)滑移率附近，并且實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收最大化。由此確定本文提出的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)和有關(guān)制動(dòng)控制的模型具有比較好的制動(dòng)性能以及能量回收成效。

參考文獻(xiàn)：

[1]單鵬.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017，2（2）：18-21.

[2]伍令飛.分布式電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛回饋制動(dòng)控制策略研究[J].電工電能新技術(shù)，2017，35（9）：1-7.

[3]徐國(guó)棟.基于解耦式EHB的多電機(jī)再生制動(dòng)策略設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)技術(shù)，2019，（03）：25-30.

[4]黃智奇.電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合能源系統(tǒng)再生制動(dòng)分段控制策略研究[J].機(jī)電工程，2016，33（03）：280-286.