分布式電驅(qū)動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)控制策略

劉 暢，楊濤濤，王式民

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277599）

0 引言

以電能為主要能源的新型能源汽車已成為最新的研究方向，具有獨(dú)立可控的電動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)響應(yīng)快、控制精準(zhǔn)且容易是分布式電動(dòng)汽車的特有優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)人士的高度重視，且成為重點(diǎn)研究方向。需注意的是，新能源電動(dòng)汽車存在續(xù)航里程短、充電慢、能量利用率不高等問題，而這些問題是目前最需要克服和突破的關(guān)鍵點(diǎn)。復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)能有效回收制動(dòng)能量，促使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，在解決能量利用率低的同時(shí)，增加了續(xù)航里程。

1 下層控制器設(shè)計(jì)

粒子群優(yōu)化算法自1995 年被提出以來，得到社會(huì)各界的高度關(guān)注，該階段主要應(yīng)用于鳥類覓食行為的研究中，后續(xù)逐步發(fā)展，理念及方法得以持續(xù)更新。在粒子算法的理念中，將優(yōu)化問題的潛在解均視為多維空間中的某個(gè)點(diǎn)，將其稱之為“粒子”，并且通過目標(biāo)函數(shù)的應(yīng)用，任何粒子都有其適應(yīng)值，同時(shí)也存在特定的飛翔方向與距離的速度，此條件下，粒子將朝著最優(yōu)粒子在解空間內(nèi)進(jìn)行搜索。在該類算法的視域下，衍生出下層控制器，其設(shè)計(jì)要在滿足上層控制器要求的同時(shí)，縮減車輛能耗。在車輛制動(dòng)的過程中，動(dòng)能原本轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽劳杏陔姍C(jī)的再生制動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)部分動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換。因此，制動(dòng)時(shí)要優(yōu)先使用電機(jī)再生制動(dòng)。

2 上層控制器設(shè)計(jì)

2.1 基于變論域模糊比例積分的上層控制器設(shè)計(jì)

在該控制器中，輸入指的是橫擺角速度的期望值與實(shí)際值的差值，輸出指的是附加橫擺力矩，運(yùn)行流程如圖1 所示。

圖1 變論域模糊比例積分控制器結(jié)構(gòu)

2.2 變論域模糊控制器

相比而言，車輛穩(wěn)定性控制比較復(fù)雜，在分析時(shí)從組織概念著手，引出模糊控制器，通過對控制器性能的全面檢測，促進(jìn)模糊論域范圍自動(dòng)調(diào)整目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)。模糊控制機(jī)制下，若系統(tǒng)從非理想狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐霠顟B(tài)，此時(shí)偏差的實(shí)際值將有明顯減小的特點(diǎn)，同時(shí)分布區(qū)的跨度也減小，集中在初始論域的某個(gè)特定的小區(qū)間內(nèi)。若偏差值僅存在微小的變化，此條件下控制量也偏小，很大程度上也會(huì)固定在一個(gè)值長久不變。理想狀態(tài)應(yīng)該是系統(tǒng)逐漸變得穩(wěn)定，其整個(gè)偏差的實(shí)際值只會(huì)越來越小，而此時(shí)的論域也會(huì)不斷壓縮；反之，隨著偏差實(shí)際值的擴(kuò)大，論域也會(huì)不斷擴(kuò)大（圖2）。

圖2 論域伸縮過程

3 建立復(fù)合制動(dòng)控制模型

在分層分配中，上層控制器的核心作用在于有效維持制動(dòng)的可靠性，以實(shí)際條件為立足點(diǎn)，因地制宜地為各車輪分配相適配的制動(dòng)力；下層控制器的關(guān)鍵功能在于盡可能實(shí)現(xiàn)能量回收最大化的目標(biāo)，其又可細(xì)分為兩個(gè)層面，即液壓制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力，使其可以滿足各車輪的要求，也能夠立足于實(shí)際條件針對兩類制動(dòng)力做出調(diào)整，優(yōu)化其在車輪上的比重關(guān)系和動(dòng)力在每個(gè)車輪上的占比。首先要保證前后軸制動(dòng)力的分配精確，為確保制動(dòng)效果和質(zhì)量均處于最優(yōu)狀態(tài)，分配前后軸的制動(dòng)力要按照I 曲線進(jìn)行。同時(shí)，考慮到車輛方向的穩(wěn)定性要求，如不出現(xiàn)跑偏和位移等，需要以合理的方式向各軸的左右車輪分配制動(dòng)力，必須確保制動(dòng)力的分配具有均勻性，否則易出現(xiàn)橫擺力矩或是其他異常狀況。

在制動(dòng)期間相較于最佳滑移率而言，若車輪產(chǎn)生的實(shí)際滑移率未大于該值，ABS 系統(tǒng)就不會(huì)被觸發(fā)且保持運(yùn)作；相反，若車輪的具體滑移率超過最初的最佳滑移率，ABS 系統(tǒng)就會(huì)被觸發(fā)且保持持續(xù)的運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)對車輪制動(dòng)力矩的動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)，使滑移率可維持相對合理的區(qū)間內(nèi)。制動(dòng)力矩分配模型能夠確定電機(jī)所需的最大制動(dòng)力，考慮到制動(dòng)能量回收的效率要求，應(yīng)當(dāng)注重對制動(dòng)力使用順序的控制，即首先宜使用電機(jī)制動(dòng)力，若該部分制動(dòng)力難以完全滿足要求，則借助液壓制動(dòng)力對空缺部分進(jìn)行補(bǔ)充。

4 建立復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型

在復(fù)合制動(dòng)模型的組成中，以制動(dòng)輪缸尤為關(guān)鍵，需要在AMESim 中建模。結(jié)合制動(dòng)缸的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)建模型，如圖3 所示。

圖3 ABS 模型

活塞的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中 mc——制動(dòng)鉗的質(zhì)量，kg

xc——制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤間的測量距離，m

pc——輪缸壓強(qiáng)，Pa

Ac——輪缸活塞橫截面積，m2

Cc——等效阻尼

kc——等效剛度，N/m

現(xiàn)階段的汽車行車制動(dòng)系統(tǒng)的配套中，應(yīng)用較為廣泛的當(dāng)屬雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，而該系統(tǒng)的功能得以正常實(shí)現(xiàn)的前提在于可靠的串列雙腔制動(dòng)系統(tǒng)。

制動(dòng)主缸推桿推力與主缸內(nèi)油液壓力兩項(xiàng)參數(shù)間存在密切的關(guān)聯(lián)，具體如下：

式中 Fm——推桿推力，N

Pm——制動(dòng)主缸壓強(qiáng)，MPa

Am——與主缸等效的橫截面積，m2

Fms——回位彈簧力，N

Fmf——缸壁摩擦阻力，N

制動(dòng)主缸、制動(dòng)踏板、控制器、回油泵、蓄能器、單向閥、開關(guān)閥、制動(dòng)輪缸是構(gòu)成液壓系統(tǒng)的主要部件。

5 仿真結(jié)果

仿真工況中，絕大部分情況下將路面的附著系數(shù)取為0.7，同時(shí)初速度為72 km/h，但就實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境來看，其經(jīng)常會(huì)使用0.8 的制動(dòng)強(qiáng)度來進(jìn)行制動(dòng)。如圖4 所示，車速從72 km/h 降至0 所耗費(fèi)的時(shí)間約為3.3 s，由此推斷制動(dòng)時(shí)間為3.3 s。在整個(gè)制動(dòng)過程中，0.4 s 為明顯的分界點(diǎn)，前后具有階段性變化的特征。前0.4 s 的制動(dòng)強(qiáng)度相對較小，此時(shí)只需要較小的制動(dòng)力矩，因此前0.4 s 只依靠電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，整個(gè)液壓制動(dòng)系統(tǒng)并不參與車輛的制動(dòng)工作，這可解釋前0.4 s 內(nèi)電機(jī)制動(dòng)力矩直線增加而后軸液壓制動(dòng)力矩是0 的問題。一旦超過0.4 s，制動(dòng)強(qiáng)度會(huì)快速增加，此時(shí)僅依靠電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩根本滿足不了制動(dòng)的需求，液壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟，自動(dòng)補(bǔ)全制動(dòng)力矩空余的部分，這時(shí)車輛的制動(dòng)便屬于電液復(fù)合制動(dòng)模式。當(dāng)整個(gè)制動(dòng)作業(yè)推進(jìn)到1.3 s 之后，電液復(fù)合制動(dòng)的性能已經(jīng)達(dá)到極限，但仍難以滿足強(qiáng)度要求，在此運(yùn)行環(huán)境中，電機(jī)不再保持制動(dòng)狀態(tài)。隨著ABS 系統(tǒng)的介入，可以發(fā)揮出強(qiáng)有力的控制作用，有效控制前后軸車輪的滑移率，即穩(wěn)定在最佳滑移率附近，并未出現(xiàn)過分的偏差。這也從側(cè)面證明在復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的模型中，ABS 系統(tǒng)能產(chǎn)生較好的工作效果和質(zhì)量。在最初的1.3 s 內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)部的工作機(jī)制具有協(xié)同性，即純電機(jī)制動(dòng)和電液復(fù)合制動(dòng)兩者協(xié)同。由于電機(jī)的參與，制動(dòng)能量的回收率較高，促使電池的SOC荷電狀態(tài)值發(fā)生變化，即從50%增至50.4%；而在該時(shí)間之后（1.3 s 后），電機(jī)不再繼續(xù)參與到制動(dòng)工作中，能量回收進(jìn)程結(jié)束，此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)電池的SOC 值維持在恒定狀態(tài)。

圖4 車速變化曲線

6 結(jié)果分析

以AMESim 和MATLAB 為主要分析平臺，建立復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型和制動(dòng)控制模型，經(jīng)仿真操作后，得到在特定工況下的具體圖形結(jié)果，即制動(dòng)距離曲線、制動(dòng)力分配曲線、滑移率曲線及電池SOC 值變化曲線。本文搭建起來的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)控制系統(tǒng)，能結(jié)合制動(dòng)的實(shí)際工況合理分配制動(dòng)力矩。同時(shí)由于ABS 的介入，可以較為可靠地控制滑移率，避免出現(xiàn)大幅度波動(dòng)的情況，實(shí)際值可控性好，穩(wěn)定在最佳滑移率附近，并在最大程度上實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。