基于可調(diào)儲液缸的再生制動電液分配控制策略*

陳志成，朱 冰，趙 健，吳 堅，宋東鑒，杜金朋

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

前言

為緩解日益加劇的能源危機和環(huán)境污染問題，電動汽車近年來得到大力關(guān)注和發(fā)展。然而由于電池技術(shù)和車輛行駛安全性的約束，里程焦慮成為制約電動汽車進一步普及的重要因素。制動系統(tǒng)作為汽車安全性最關(guān)鍵的一環(huán)，不僅能為駕駛員提供基礎(chǔ)制動功能，還能與驅(qū)動電機配合，使用再生制動技術(shù)回收部分制動能量，提高電動車?yán)m(xù)駛里程。為此，許多學(xué)者針對不同構(gòu)型的液壓制動系統(tǒng)和再生制動電液分配控制方案展開了研究。

根據(jù)駕駛員輸入的制動踏板力是否在制動輪缸中形成制動壓力，可以將常見的液壓制動系統(tǒng)劃分為解耦式和非解耦式兩種制動構(gòu)型。一方面，非解耦式制動系統(tǒng)如常見的真空助力器、博世的iBooster 等構(gòu)型難以獨立實現(xiàn)再生制動電液分配控制。文獻［8］中針對自行設(shè)計的非解耦式電控助力制動系統(tǒng)，提出采用基于電子穩(wěn)定系統(tǒng)（electronic stability program，ESP）的再生制動電液分配控制策略。通過控制ESP將駕駛員輸入形成的制動液壓力存儲至ESP 的低壓蓄能器，配合驅(qū)動電機的回饋制動力矩實現(xiàn)踏板感覺良好的再生制動電液協(xié)同控制效果。與之類似，文獻［9］中也通過調(diào)用ESP 控制，為其設(shè)計的機-電-液串行再生制動系統(tǒng)解耦了因駕駛員輸入形成的制動壓力。另一方面，解耦式制動系統(tǒng)如普銳斯的電子液壓制動系統(tǒng)、德國大陸集團的MKC1 等構(gòu)型通過增添制動踏板感覺模擬器隔離駕駛員和制動輪缸之間的接觸，簡化了再生制動電液分配控制方案的設(shè)計。文獻［11］中針對自行設(shè)計的解耦式集成電子液壓制動系統(tǒng)提出了一種動態(tài)條件下的再生制動協(xié)調(diào)控制策略，成功地為不同制動強度需求的工作模式設(shè)計了可靠的液壓制動與再生制動的動態(tài)切換機制。盡管上述研究均為制動系統(tǒng)的電液分配控制提供了思路，但是調(diào)用ESP 進行輪缸壓力解耦、設(shè)計解耦式制動系統(tǒng)新構(gòu)型等方法，都存在研發(fā)成本與產(chǎn)品成本較高的問題，這對于很多小型電動車企業(yè)無疑是巨大的負擔(dān)。

考慮到小型電動車主要在城市通勤中使用，根據(jù)新歐標(biāo)測試循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）工況可知，0.15以下小制動強度的再生制動功能就能滿足這些低成本小型電動車的實際使用需求，因此，本文中采用了一種部分解耦液壓制動構(gòu)型，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了再生制動電液分配策略及液壓解耦控制策略。該方案只須在傳統(tǒng)真空助力器制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)一套活塞式可調(diào)儲液缸即可實現(xiàn)小制動強度下的踏板解耦，對原車制動系統(tǒng)改動小，成本低廉，適合低成本小微電動車對制動系統(tǒng)的需求。

本文中提出的控制策略如下：首先，引入再生制動電液分配策略，通過對駕駛員制動意圖的辨識和再生制動力的約束，實現(xiàn)再生制動力的分配；其次，設(shè)計踏板解耦決策策略，根據(jù)低成本小型電動車的小減速再生制動需求，確定可調(diào)儲液缸不同的工作階段和設(shè)計對應(yīng)階段合適的目標(biāo)活塞位移，降低該構(gòu)型制動系統(tǒng)進行電液分配控制時對真空助力器基礎(chǔ)助力特性的影響；最后，設(shè)計考慮機構(gòu)摩擦阻力和小阻尼特性的底層雙閉環(huán)可調(diào)儲液缸控制策略，并引入弱磁控制提升電機轉(zhuǎn)速?；赿SPACE 產(chǎn)品成功改裝了實車平臺用于算法的測試驗證。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的電液分配控制策略能夠在0.15以下的制動強度范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的再生制動電液協(xié)同控制性能。

1 基于可調(diào)儲液缸的制動系統(tǒng)解耦方案

從生產(chǎn)成本和實際使用角度出發(fā)，小型電動汽車對再生制動系統(tǒng)構(gòu)型和電液分配控制策略有以下幾點要求：

（1）減少對原車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改動和與其它車輛控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)；

（2）維持再生制動過程中制動踏板輸入特性與常規(guī)制動相類似，提高一定的駕駛感受；

（3）需要有0.15以下減速度范圍內(nèi)的再生制動強度覆蓋日常城市通勤工況。

為滿足上述小型電動汽車的再生制動要求（1），本文中提出了一種在傳統(tǒng)真空助力器制動系統(tǒng)上增設(shè)活塞式可調(diào)儲液缸的部分解耦構(gòu)型方案，如圖1所示?？烧{(diào)儲液缸由永磁同步電機、蝸輪蝸桿+滾珠絲杠減速機構(gòu)、儲液缸活塞組成。通過活塞位移的控制可以實現(xiàn)容腔容量的主動調(diào)節(jié)。儲液缸有接口連接到原車制動主缸的任一腔接口上。此外，須增設(shè)一個踏板行程傳感器用于感知駕駛員制動意圖。需要說明的是，盡管圖1 中標(biāo)示液壓控制單元（hydraulic control unit，HCU），本方案也適用于未裝備ESP或ABS的液壓制動系統(tǒng)。

圖1 基于可調(diào)儲液缸的制動系統(tǒng)解耦方案示意圖

該構(gòu)型制動系統(tǒng)的工作原理說明如下：

（1）再生制動未介入時，可調(diào)儲液缸始終保持其活塞在初始位置不動，儲液缸容積為0，避免制動液流入，駕駛員踩下制動踏板，在真空助力器的伺服力幫助下，將制動主缸中的制動液壓入制動輪缸，從而產(chǎn)生制動壓力；

（2）再生制動介入時，可調(diào)儲液缸控制永磁同步電機轉(zhuǎn)動，通過蝸輪蝸桿和滾珠絲杠傳動機構(gòu)改變儲液缸活塞位置，增大可調(diào)儲液缸容積形成一個低壓腔，使制動主缸輸出的制動液流入可調(diào)儲液缸，而不進入制動輪缸，從而實現(xiàn)解耦而不產(chǎn)生制動壓力，在此階段由驅(qū)動電機回饋制動轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)整車制動；

（3）當(dāng)制動強度需求達到該制動系統(tǒng)峰值時，可調(diào)儲液缸逐漸減小其容積，將存儲的制動液擠回原有制動管路中，形成匹配制動減速度需求的制動液壓力。

真空助力器在整個制動過程中仍然正常工作，會形成如圖2 所示的基礎(chǔ)助力特性曲線。各階段的主要工作特點為：（1）空行程段，制動踏板力和制動踏板行程增加，但是制動液壓力基本不變；（2）制動跳增段，制動踏板力基本不變，制動踏板行程和制動液壓力增加；（3）制動助力段，制動踏板力分別與制動踏板行程和制動液壓力增加呈一定比例關(guān)系；（4）助力結(jié)束段，制動踏板力增加，制動踏板行程和制動液壓力幾乎不變。

圖2 真空助力器基礎(chǔ)助力特性曲線

根據(jù)真空助力器的工作原理可知，制動跳增段內(nèi)制動踏板力還未與真空助力器內(nèi)部反饋盤接觸，此時幾乎不變的制動踏板力主要用于克服踏板回位彈簧的作用。因此，在制動踏板行程大于制動空行程時進入再生制動電液分配控制，在制動踏板行程大于制動跳增段最大行程時退出再生制動電液分配控制，并不會改變后續(xù)制動踏板力大小，制動踏板輸入特性與常規(guī)制動類似，因此匹配使用要求（2）的條件。此外，針對本文后續(xù)使用的小型電動車，通過實車制動測試可知，在駕駛員制動踏板行程達到11 mm 時，可調(diào)儲液缸控制活塞移動約3 mm，可以增加約1.2 mL 容積，對應(yīng)可解耦約1.7 MPa 的制動壓力，能與整車0.15左右的再生制動減速度匹配，滿足使用要求（3）。

2 基于可調(diào)儲液缸的再生制動電液分配控制策略設(shè)計

2.1 再生制動電液分配控制策略架構(gòu)

針對本文提出的基于可調(diào)儲液缸的制動系統(tǒng)構(gòu)型，設(shè)計了如圖3 所示的再生制動電液分配控制策略架構(gòu)。具體說明如下：

圖3 再生制動電液分配控制策略架構(gòu)

（1）頂層再生制動電液分配策略根據(jù)制動踏板行程、車速、電池荷電狀態(tài)和再生制動約束轉(zhuǎn)矩，制定制動意圖辨識和再生制動力約束，獲得駕駛員目標(biāo)制動總壓力和實際可用最大再生制動轉(zhuǎn)矩；根據(jù)二者之間的關(guān)系，實現(xiàn)再生制動力分配，輸出目標(biāo)制動主缸壓力和驅(qū)動電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

（2）踏板解耦決策策略基于真空助力器的基礎(chǔ)助力特性分析，決策出可調(diào)儲液缸工作階段，輸出其工作階段標(biāo)志位；根據(jù)實際制動主缸液壓力、y、、之間的輸入關(guān)系，求解可調(diào)儲液缸不同工作階段內(nèi)適宜的目標(biāo)活塞位移。

（3）底層雙閉環(huán)可調(diào)儲液缸控制策略首先根據(jù)永磁同步電機轉(zhuǎn)角和，設(shè)計考慮機構(gòu)摩擦阻力和小阻尼特性的活塞位移伺服環(huán)控制器，輸出總目標(biāo)電機電流；電機弱磁電流環(huán)對進行分配，并根據(jù)實際勵磁軸和轉(zhuǎn)矩軸的電流i和i計算求解永磁同步電機目標(biāo)勵磁軸和轉(zhuǎn)矩軸電壓u和u。

2.2 再生制動電液分配策略

一般情況下，驅(qū)動電機的實際可用最大再生制動轉(zhuǎn)矩受車速和電池荷電狀態(tài)的影響。

在車速較低時，驅(qū)動電機的實際轉(zhuǎn)矩存在較大波動，因此設(shè)計車速約束因子k為

式中：表示再生制動退出時的車速；表示再生制動不受車速約束時的門限值。

在較大時，對電池繼續(xù)充電會影響其壽命和使用安全。因此設(shè)計電池荷電狀態(tài)約束因子k為

式中：表示再生制動退出時的電池荷電狀態(tài)；表示再生制動不受電池荷電狀態(tài)約束時的門限值。

為減小再生制動對真空助力器的基礎(chǔ)助力特性影響，本文僅在真空助力器的制動跳增段進行再生制動。因此，設(shè)計了踏板行程約束因子為

式中：表示再生制動退出時的制動踏板行程，且根據(jù)上文分析可知本文設(shè)計=；表示再生制動不受制動踏板行程約束時的門限值。

最終，根據(jù)約束條件可以獲得實際可用最大再生制動轉(zhuǎn)矩為

式中表示再生制動約束轉(zhuǎn)矩。

駕駛員的制動意圖可以根據(jù)目標(biāo)車制動系統(tǒng)輸入輸出特性進行擬合，如圖4 所示。則駕駛員目標(biāo)制動總壓力為

圖4 目標(biāo)車制動系統(tǒng)輸入輸出特性

式中參數(shù)擬合結(jié)果為：= -9.17 × 10，= 8.99 ×10和= 6.06 × 10。

為便于后面分析，將駕駛員目標(biāo)制動總壓力換算為駕駛員目標(biāo)制動總轉(zhuǎn)矩，即

式中、分別表示車輛前、后輪制動效能因素。

基于上述結(jié)果，對設(shè)計的再生制動力分配策略說明如下：

（1）當(dāng)駕駛員目標(biāo)制動總轉(zhuǎn)矩不大于各項約束下的實際可用最大再生制動轉(zhuǎn)矩時，目標(biāo)制動主缸壓力為0，驅(qū)動電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩=。此時僅有再生制動參與整車制動過程，即

（2）當(dāng)駕駛員目標(biāo)制動總轉(zhuǎn)矩大于各項約束下的實際可用最大再生制動轉(zhuǎn)矩時，目標(biāo)制動主缸壓力為駕駛員目標(biāo)制動總壓力和電機等效回饋制動壓力之差，驅(qū)動電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩=。此時，再生制動和液壓制動均參與整車制動過程，即

式中表示電機實際回饋制動轉(zhuǎn)矩。

2.3 踏板解耦決策策略

本文設(shè)計的可調(diào)儲液缸踏板解耦決策過程如圖5 所示。主要包含可調(diào)儲液缸不工作階段（對應(yīng)= 1，稱為階段1）、可調(diào)儲液缸增容階段（對應(yīng)= 2，稱為階段2）、可調(diào)儲液缸減容階段（對應(yīng)= 3，稱為階段3）。假設(shè)實際可用最大再生制動轉(zhuǎn)矩的絕對值||＞0，下面對可調(diào)儲液缸不同工作階段說明如下。

圖5 可調(diào)儲液缸踏板解耦決策過程示意圖

（1）不工作階段：駕駛員輸入制動踏板行程小于制動空行程或大于再生制動退出時的制動踏板行程，再生制動完全退出，此時可調(diào)儲液缸不工作，保持初始狀態(tài)，即

式中為可調(diào)儲液缸工作階段標(biāo)志位。

（2）增容階段：超過制動空行程后，電機回饋制動轉(zhuǎn)矩介入。為控制制動液壓力為0，設(shè)定可調(diào)儲液缸進行增容時活塞位移跟隨變化，即

式中：表示活塞位移修正系數(shù)，其值略大于可調(diào)儲液缸活塞與主缸活塞的截面積之比；表示制動踏板杠桿比。

（3）減容階段：繼續(xù)增大，超過再生制動不受制動踏板行程約束時的門限值后，再生制動逐漸退出?？烧{(diào)儲液缸控制其活塞位移逐漸減小，排出存儲的制動液，逐漸增大的制動液壓力，補償逐漸降低的電機回饋制動轉(zhuǎn)矩?？紤]可調(diào)儲液缸減容時須進行壓力調(diào)節(jié)，因此引入壓力閉環(huán)：

式中：=-表示壓力跟隨誤差；、和表示壓力環(huán)控制參數(shù)；表示階段2 結(jié)束時的活塞位移。

最終，根據(jù)實車制動特性測試，確定再生制動不受制動踏板行程約束時的門限值為11.0 mm，再生制動退出時的制動踏板行程為13.0 mm。

2.4 可調(diào)儲液缸控制策略

圖6 為雙閉環(huán)可調(diào)儲液缸控制策略簡圖。關(guān)于永磁同步電機的矢量控制（space vector pulse width modulation，SVPWM）和相應(yīng)的矢量變換公式可以查閱文獻［13］。

圖6 雙閉環(huán)可調(diào)儲液缸控制策略結(jié)構(gòu)簡圖

為幫助可調(diào)儲液缸克服機構(gòu)摩擦阻力，在活塞位移伺服環(huán)控制中引入前饋控制增益?？紤]到可調(diào)儲液缸系統(tǒng)阻尼較小，引入阻尼補償增益避免系統(tǒng)發(fā)生振蕩。最終設(shè)計的活塞位移伺服環(huán)控制律為

式中：表示總目標(biāo)電機電流；k和k表示位移伺服控制器參數(shù)；Δ表示可調(diào)儲液缸活塞跟蹤誤差，Δ=-，表示可調(diào)儲液缸活塞的目標(biāo)位移；表示絲杠導(dǎo)程；表示蝸輪蝸桿傳動比。

本文中采用手工標(biāo)定的弱磁前饋角實現(xiàn)電機弱磁控制，對總目標(biāo)電機電流進行分配獲得目標(biāo)勵磁軸和轉(zhuǎn)矩軸的電流i和i為

為滿足不同工況需求，根據(jù)永磁同步電機轉(zhuǎn)速變化設(shè)計變增益的電機電流閉環(huán)控制器：

3 實車試驗

3.1 實車試驗平臺

針對企業(yè)提供的某款裝有電動真空助力器的小型電動車，進行活塞式可調(diào)儲液缸的改裝。圖7 所示為搭建的實車試驗平臺結(jié)構(gòu)簡圖。具體說明如下：①上位機Host PC 通過以太網(wǎng)與控制器MicroAutoBoxⅡ?qū)崿F(xiàn)通信；②MicroAutoBoxⅡ?qū)崟r運行控制策略，采集電機電流與轉(zhuǎn)角信號、制動踏板行程傳感器信號和車輛信號（包含車速、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩、制動主缸壓力等信號）；向驅(qū)動器RapidPro 發(fā)送脈沖調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制信號，向車輛發(fā)送驅(qū)動電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩信號；③RapidPro根據(jù)控制器請求，調(diào)節(jié)輸出的電機三相電壓，控制可調(diào)儲液缸工作；④駕駛員在被控車輛中進行制動操作；可調(diào)儲液缸根據(jù)三相電壓大小調(diào)整其容積，配合實車制動轉(zhuǎn)矩控制，實現(xiàn)制動能量回收功能。

圖7 實車試驗平臺結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 小制動踏板行程試驗

小制動踏板行程的試驗工況為車速20 km/h 左右，控制制動踏板行程始終小于11.0 mm。最終試驗結(jié)果如圖8 所示，依次展示了車速、加速度、可調(diào)儲液缸工作階段、電機等效回饋制動壓力、關(guān)鍵部件行程和液壓力曲線。

圖8 小制動踏板行程性能測試曲線

從圖8 可以看出，行車過程中車速和加速度變化平緩。由于制動踏板行程＜11.0 mm，可調(diào)儲液缸工作狀態(tài)僅在階段1 和階段2 內(nèi)變化。駕駛員目標(biāo)制動總壓力全部由電機等效回饋制動壓力提供。為控制實際制動主缸壓力為0，在階段2 中（0.9～2.4 s）設(shè)計的算法輸出的可調(diào)儲液缸活塞的目標(biāo)位移跟隨制動踏板行程移動。整個制動過程中，可調(diào)儲液缸活塞位移跟隨良好，跟蹤誤差幾乎為0；制動主缸壓力跟隨誤差較小，約為0.05 MPa左右，幾乎可以忽略。

3.3 中等制動踏板行程試驗

中等制動踏板行程的試驗工況為初始車速40 km/h 左右，駕駛員最終控制制動踏板行程介于11.0和13.0 mm之間，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 中制動踏板行程性能測試曲線

由圖9 可知，駕駛員在約0.9 s時踩下制動踏板，2.1 s 左右制動踏板行程達到11.0 mm?？烧{(diào)液壓缸在0.9～2.1 s 左右，從階段1 切換至階段2 工作，該過程與圖8類似。此外，在2.1 s左右，可調(diào)儲液缸的儲液容積達到最大。該時刻的整車制動減速度為該構(gòu)型制動系統(tǒng)最大再生制動強度，約為0.16左右。在2.1 s 以后，大于11.0 mm，可調(diào)儲液缸工作模式由階段2 切換至階段3 工作，車速和加速度變化平順。此時，再生制動逐漸退出，駕駛員目標(biāo)制動總壓力由電機等效回饋制動壓力和液壓力共同提供。因此在階段3 內(nèi)可調(diào)儲液缸活塞的位移逐漸減小，將容腔中的制動液排向原有制動系統(tǒng)，使實際制動主缸液壓力逐漸增大，能夠跟隨目標(biāo)制動主缸壓力而變化。整個制動過程可調(diào)儲液缸精確地控制其活塞位移跟隨移動，最大位移跟蹤誤差僅為0.3 mm。在階段3 的壓力閉環(huán)控制中，壓力跟隨誤差僅為0.1 MPa。

3.4 大制動踏板行程試驗

大制動踏板行程的試驗工況為初始車速50 km/h 左右，駕駛員踩下制動踏板，且最終實際制動踏板行程超過13.0 mm，試驗結(jié)果如圖10所示。

由圖10 可知，從試驗測試開始到3.8 s 左右，制動踏板行程達到11.0 mm，可調(diào)儲液缸工作狀態(tài)從階段1 切換至階段2，該過程與圖8 類似。在3.8 s 左右，制動液壓力幾乎為0，整車0.16左右的制動減速度全部由電機等效回饋制動壓力提供。3.8～5.1 s 左右，繼續(xù)增大至介于11.0 和13.0 mm 之間，可調(diào)儲液缸工作狀態(tài)處于階段3，此時的工作過程與圖9 類似。至此，說明了基于此制動構(gòu)型設(shè)計的再生制動電液分配控制策略具有較好的一致性。在5.1 s 時，實際制動踏板行程即將超過13.0 mm，此時可調(diào)儲液缸的工作狀態(tài)由階段3恢復(fù)到階段1，即可調(diào)儲液缸在5.1 s 后不再工作，駕駛員目標(biāo)制動總壓力完全由實際制動主缸壓力提供，與常規(guī)制動相同，滿足使用要求（2）的條件。整個制動過程可調(diào)儲液缸活塞位移控制良好，車速和加速度變換較為平緩，滿足實際使用要求。

圖10 大制動踏板行程性能測試曲線

4 結(jié)論

為匹配低成本小型電動車企業(yè)的小制動強度再生制動的需求，提出了一種基于活塞式可調(diào)儲液缸的再生制動系統(tǒng)并設(shè)計了相應(yīng)的電液分配控制策略。首先，再生制動電液分配策略實現(xiàn)了駕駛員制動意圖辨識和再生制動力的約束與分配；踏板解耦決策策略界定了可調(diào)儲液缸不同的工作階段，確定了適合各階段的目標(biāo)活塞位移；底層雙閉環(huán)可調(diào)儲液缸控制策略考慮了機構(gòu)摩擦阻力和小阻尼特性，并引入弱磁控制提升電機轉(zhuǎn)速。通過搭建的實車平臺進行算法驗證。結(jié)果表明，基于該制動構(gòu)型設(shè)計的再生制動電液分配控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)在0.15以下減速度范圍內(nèi)性能良好、一致性較高的再生制動電液協(xié)同控制效果。