輪轂驅(qū)動電動汽車復(fù)合制動防抱死協(xié)調(diào)控制及舒適性研究

劉 剛，于匯泳，侯鎖軍

輪轂驅(qū)動電動汽車復(fù)合制動防抱死協(xié)調(diào)控制及舒適性研究

劉 剛，于匯泳，侯鎖軍

（河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

車輛動力學(xué)；防抱死控制系統(tǒng)（ABS）；滑模控制算法；復(fù)合制動

輪轂電機驅(qū)動電動汽車的發(fā)展，可以有效應(yīng)對汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染等問題。電動汽車多采用制動能量回收技術(shù)以有效節(jié)省能源，但制動能量回收技術(shù)中的電機制動存在轉(zhuǎn)矩不足的問題，多數(shù)研發(fā)機構(gòu)采用液壓-電機復(fù)合制動系統(tǒng)來改善這一問題。

國內(nèi)外研究者針對輪轂電機驅(qū)動電動汽車的制動系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛深入的研究。美國研究者對電動汽車制動時四個車輪制動力分配進(jìn)行了研究；韓國研究者提出了基于最優(yōu)解的電機制動力和液壓制動力分配方法，并進(jìn)行了仿真和實車實驗[1]；國內(nèi)吉林大學(xué)研究團隊設(shè)計了純電動汽車的再生制動控制策略[2]；清華大學(xué)研究者針對電動汽車駕駛員的制動意圖以及再生能源回收問題設(shè)計了基于最優(yōu)控制的控制策略[3]。

目前，國內(nèi)外研究者多針對電動汽車的再生能量回收問題進(jìn)行研究，而對復(fù)合制動系統(tǒng)以及舒適性問題研究較少。在液壓制動-電機復(fù)合制動方面，液壓制動系統(tǒng)和電機制動系統(tǒng)之間存在相互干涉的現(xiàn)象而導(dǎo)致再生制動能量回收率低，且會造成電動汽車制動安全性低的問題。在舒適性方面，傳統(tǒng)車燃油車由于液壓制動會導(dǎo)致輪缸壓力出現(xiàn)頻繁變化，因而產(chǎn)生噪聲大和制動踏板抖動的問題，影響汽車制動舒適性。針對復(fù)合制動協(xié)調(diào)控制問題和舒適性問題，本文進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 控制策略總體架構(gòu)

本文設(shè)計的分布式輪轂電機驅(qū)動電動汽車復(fù)合制動系統(tǒng)如圖1所示，復(fù)合制動系統(tǒng)主要由電機制動系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)構(gòu)成，兩大制動系統(tǒng)包括了輪轂驅(qū)動電機、液壓調(diào)節(jié)單元、踏板行程傳感器、電機及逆變器控制單元、再生制動控制器等模塊。液壓制動系統(tǒng)主要是由電磁閥來控制制動液流入制動輪缸的流量。電機再生制動的控制主要是由再生制動控制器來實現(xiàn)。

在分布式輪轂電機驅(qū)動電動汽車復(fù)合制動系統(tǒng)中，液壓制動子系統(tǒng)是復(fù)合制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如圖2所示。液壓子系統(tǒng)包括傳統(tǒng)燃油車的制動操作機構(gòu)和液壓調(diào)節(jié)單元。其中的液壓調(diào)節(jié)單元有別于傳統(tǒng)車防抱死控制系統(tǒng)（Anti-lock brake system，ABS）液壓調(diào)節(jié)單元，液壓調(diào)節(jié)單元由兩個高壓蓄能器和2個回路控制閥構(gòu)成，回路控制閥通過配合高壓蓄能器來實現(xiàn)制動液的通斷，從而產(chǎn)生復(fù)合制動的基礎(chǔ)制動力矩。高壓蓄能器在液壓制動時主要有兩個作用：一是當(dāng)處于純電機制動時，駕駛員踩制動踏板產(chǎn)生的制動液暫時存儲在高壓蓄能器中；二是當(dāng)輪轂電機進(jìn)行制動時存在制動力不足或者制動故障問題時，存儲在高壓蓄能器中的制動液能夠迅速通過回路控制閥流入制動輪缸，實現(xiàn)車輛的目標(biāo)制動力需求。

汽車在制動中，所需的制動轉(zhuǎn)矩一般低于200N.m，而輪轂電機制動時產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩高達(dá)360N.m，因此輪轂電機可滿足制動需求。在高強度制動時，ABS介入，液壓制動子系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)力矩，輪轂電機制動則依據(jù)當(dāng)前制動工況進(jìn)行制動力矩調(diào)節(jié)，避免輪轂電機電動汽車出現(xiàn)抱死狀況。ABS介入時以電機制動為主，以減少液壓制動力調(diào)節(jié)，避免制動液在增壓過程中出現(xiàn)流體噪聲和制動踏板振動情況，這樣可有效改善輪轂電機電動汽車ABS介入時的舒適性。ABS協(xié)調(diào)控制策略如圖3所示，車輛制動時所需的總制動力矩smc由滑模算法根據(jù)車輛狀態(tài)參數(shù)和車輪輪速計算得到，總制動力矩中輪轂電機制動力和液壓系統(tǒng)制動力之間的比例由模糊算法依據(jù)制動踏板位移和電池SOC（電荷狀態(tài)參數(shù)，state of charge）值確定。輪轂電機制動力和液壓制動力依據(jù)比例作用于輪轂電機電動汽車的車輪上，以實現(xiàn)制動和ABS介入。

圖1 輪轂電機驅(qū)動電動汽車復(fù)合制動架構(gòu)圖

圖2 液壓制動子系統(tǒng)設(shè)計圖

圖3 復(fù)合制動系統(tǒng)控制策略架構(gòu)圖

2 電動汽車復(fù)合制動防抱死協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計

2.1 復(fù)合制動系統(tǒng)制動模式判斷

圖4 駕駛員制動強度判斷流程圖

2.2 基于滑模算法的制動轉(zhuǎn)矩計算

高強度制動往往伴隨著ABS介入，此時復(fù)合制動系統(tǒng)控制器依據(jù)當(dāng)前制動工況下的車輛狀態(tài)參數(shù)，利用滑模算法，來計算當(dāng)前車輛所需的制動總轉(zhuǎn)矩。車輪模型采用單輪模型，如圖5所示，依據(jù)動力學(xué)理論，可知車輪在制動工況下的方程為：

縱向制動力和滑移率可以表示為：

滑模算法的切換函數(shù)可以表示為：

整理可得：

式中，為消除滑模算法引起抖振時的邊界層。

2.3 基于模糊數(shù)學(xué)的制動力分配比例計算

依據(jù)上述分析可知，制動踏板行程和電池SOC越小，說明電機制動在總制動轉(zhuǎn)矩中的占比越高，從而越能保證高效回收能量，因此模糊規(guī)則如表1所示。

圖6 輸入變量1隸屬度函數(shù)圖

圖7 輸入變量2隸屬度函數(shù)圖

表1 模糊控制規(guī)則

3 軟件聯(lián)仿

本文搭建了基于Matlab/Simulink、Carsim車輛仿真軟件和Lab Amesim液壓仿真軟件的聯(lián)合仿真平臺。整個軟件聯(lián)合仿真平臺架構(gòu)如圖8所示。制動協(xié)調(diào)控制策略部分和輪轂電機模型均采用Matlab/Simulink軟件建模，液壓調(diào)節(jié)單元采用Lab Amesim建模，電動汽車模型采用Carsim建模。制動輪缸壓力控制和輪缸估計模塊具體算法及建模參考文獻(xiàn)[4]，傳感器和觀測器算法參考文獻(xiàn)[5]。仿真驗證分別進(jìn)行了高低兩種附著路面的緊急制動驗證。

圖8 復(fù)制制動控制策略聯(lián)合仿真驗證方案

3.1 低附著路面制動驗證

圖9 低附著工況車輛參考車速和輪速數(shù)據(jù)曲線

圖10 低附著工況滑移率曲線

圖11 低附著工況車輛加速度曲線

圖12 前后軸電機制動轉(zhuǎn)矩和液壓制動轉(zhuǎn)矩曲線

3.2 高附著路面制動驗證

第二組仿真主要是模擬在高附著路面高速行駛的汽車緊急制動工況，車輛制動初速度為117Km/h，路面附著系數(shù)為0.8。從圖13可以看出，從1s開始直到制動結(jié)束，車輛輪速始終密切跟蹤車速。圖14所示為滑移率，表明四個車輪均未出現(xiàn)車輪抱死。圖15所示表明電動汽車加速度為-7.8m/s2左右。圖16所示為前后軸電機制動轉(zhuǎn)矩和液壓制動轉(zhuǎn)矩曲線，可以看出在ABS介入前期，液壓制動始終以基礎(chǔ)制動為主，主要依靠電機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)速，液壓輪缸壓力基本保持不變，此時電磁閥無動作，制動踏板不會跟隨輪缸壓力變化產(chǎn)生高頻振動，增強了制動踏板的舒適性。

圖13 高附著工況車輛參考車速和輪速數(shù)據(jù)曲線

圖14 高附著工況滑移率曲線

圖15 高附著工況車輛加速度

圖16 前后軸電機制動轉(zhuǎn)矩和液壓制動轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)論

[1] KIM S H，KWON O J，HYON D，et al. Regenerative braking for fuel cell hybrid system with additional generator[J]. International journal of hydrogen energy，2013，38(20): 8415-8421.

[2] 姚亮，初亮，周飛鯤，等.純電動轎車制動能量回收節(jié)能潛力仿真分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2013(1):6-11.

[3] 羅禹貢，李蓬. 基于最優(yōu)控制理論的制動能量回收策略研究[J].汽車工程，2006，28（4）：356-360.

[4] 劉剛，徐文博，靳立強.輪轂電機驅(qū)動電動汽車液壓執(zhí)行單元的壓力估計與控制方法研究[J].汽車工程，2019 (10):6-11.

[5] 劉剛，靳立強.基于多模型交互的復(fù)雜工況下車輛狀態(tài)估計[J]. 汽車工程，2018(5):122-129.

Research on Anti-lock Braking Coordinate Control System and Comfort of Electric Vehicle

LIU Gang，YU Hui-yong，HOU Suo-jun

(Department of Automotive Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

Aiming at the coordination control and comfort problem of the motor hydraulic composite brake system of the hub driven electric vehicle， a control strategy based on the sliding mode variable structure control algorithm and fuzzy algorithm is proposed. Firstly， the total braking torque required by the electric vehicle is calculated by the sliding mode algorithm according to the vehicle state parameters. Then， according to the stroke of brake pedal and SOC（state of charge） value of battery， the distribution proportion of hydraulic braking and motor braking torque is calculated. The hydraulic braking torque is used as the basic braking， and the wheel slip rate is adjusted by motor torque to realize anti-lock control. Moreover， the brake comfort is improved by reducing the pressure change of hydraulic brake wheel cylinder. Matlab / Simulink， AMESim and CarSim software are used to simulate the high adhesion and low adhesion road respectively. The simulation results show that the anti-lock coordinated control strategy of the composite brake system is effective and improves the comfort of the anti-lock control intervention.

vehicle dynamics; ABS (Anti-lock braking system); sliding mode control algorithm; coordinated braking

U461.2

A

2096–7772(2020)02–0015–06

2019-12-24

河南省科技攻關(guān)計劃（192102210063）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（201901186011）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（201901203004）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（2016GGJS-196）

劉剛（1981―），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士，主要從事汽車底盤電子控制技術(shù)研究。

（責(zé)任編輯呂春紅）