混合動力汽車的機電聯(lián)合制動系統(tǒng)研究

李 坤

（江蘇省徐州市張集中等專業(yè)學(xué)校，徐州 221114）

近年來，以新能源為動力的汽車成為社會關(guān)注的焦點，市場銷售量大幅上升。數(shù)據(jù)顯示，新能源動力汽車已經(jīng)達到200多萬輛。某公司生產(chǎn)的電混動車基于原來的油電混動設(shè)置了車用交流電插板，增加了電容量。該公司生產(chǎn)的聯(lián)動制動汽車不同于傳統(tǒng)的燃油汽車，維修人員如果不了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，會增加維修困難，影響工作效率。因此，針對該公司新款聯(lián)合制動車的制動原理、結(jié)構(gòu)模式等進行介紹，通過仿真實驗進一步驗證了該種聯(lián)合制動方式的優(yōu)越性。

1 混動汽車總體構(gòu)造

研究的汽車類型為插電雙電機混動汽車，總體構(gòu)造如圖1所示。發(fā)動機、前后軸電機、前后軸減速設(shè)備、變速設(shè)備以及離合器等構(gòu)成混動汽車的動力系統(tǒng)[1]。驅(qū)動工作中，利用離合器Ⅰ、離合器Ⅱ進行電機與發(fā)動機的切換。具有連續(xù)調(diào)節(jié)功能的變速設(shè)備的速比有助于電機或者發(fā)動機保持持續(xù)高效工作狀態(tài)，提高了汽車的工作性能和經(jīng)濟性能。實施制動中，離合器Ⅱ發(fā)生脫離，分離動力總成和發(fā)動機，利用前后軸實現(xiàn)制動能量的回收與再生，有效增加了混動汽車行駛里程。

2 混動汽車機電聯(lián)合制動系統(tǒng)

混動汽車機電聯(lián)合制動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動輪、制動回饋及制動控制等，主要進行參數(shù)的測量、計算和運行方式的判斷及應(yīng)用。首先測量車輛行駛狀態(tài)下的參數(shù)，計算附加行駛的參數(shù)，其次判斷制定方式，最后通過模糊邏輯控制行駛參數(shù)[2]。此外，它會對汽車行駛參數(shù)和控制需求所產(chǎn)生的混合制動信號給予響應(yīng)，促使執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行制動動作，進而完成機電聯(lián)合制動。

2.1 制動受力模式

圖1為水平路面汽車行駛受力狀況，其中空氣阻力、汽車滾動阻力產(chǎn)生的偶矩以及慣性產(chǎn)生的力偶矩等忽略不計[3]。圖1中，a為車輛質(zhì)心至前軸距離，b為車輛質(zhì)心至后軸距離，L為軸距，hg為質(zhì)心高度。

2.2 驅(qū)動模式

汽車在電量充足的情況下低速行駛，便可使前電機滿足驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需求，離合器Ⅱ發(fā)生分離。如果電量不足，離合器Ⅱ閉合，發(fā)動機處于低能耗運行狀態(tài)，同時前電機可將部分能量輸入電池內(nèi)完成電池蓄電。

中等負荷運行中的汽車，發(fā)動機低能耗運轉(zhuǎn)，僅靠發(fā)動機進行動力提供便可提高油料消耗的經(jīng)濟性。該過程中，離合器Ⅰ和離合器Ⅱ閉合，結(jié)合電池狀態(tài)選擇由前軸電機發(fā)揮發(fā)電機的作用，為電池蓄電或者由前軸電機供應(yīng)驅(qū)動力。當(dāng)汽車運行中需要較大牽引力時，可聯(lián)合混合動力汽車用起動發(fā)電一體化（Integrated Starter and Generator，ISG）電機與發(fā)動機共同提供驅(qū)動力，由后電機提供后軸啟動力，實現(xiàn)四輪驅(qū)動[4]?？偠灾?，結(jié)合混動汽車電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）和驅(qū)動負荷開啟相應(yīng)的工作模式。

2.3 制動模式

實施汽車制動的模式分為液壓、電機以及混合式制動模式。以上3種模式相互轉(zhuǎn)換，制動力由液壓制動和前后電機共同或者單獨提供。制動強度、行駛速度、道路附著的系數(shù)以及電池SOC等決定汽車的制動模式。當(dāng)電池SOC大于充電門的限制標(biāo)準(zhǔn)，電池不在充電高效區(qū)內(nèi)。為保障電池使用壽命和安全性，制動環(huán)節(jié)電機不參與。道路附著系數(shù)較小、制動強度超過0.8且高速行駛時，緊急制動開啟。為了確保運行的安全性，全部的制動力均由液壓系統(tǒng)供給。電池SOC高效充電區(qū)域內(nèi)時，電機盡量參與制動過程能量的回收。通過調(diào)節(jié)變速比實現(xiàn)工作點的改變，確保電池位于高效工作區(qū)內(nèi)[5]。

2.4 電力模式

混動汽車能量的制動回饋系統(tǒng)中，驅(qū)動輪接收由電機輸出的負力矩，實現(xiàn)動能與電能的轉(zhuǎn)換，并儲存轉(zhuǎn)化后的電能。現(xiàn)代化電力驅(qū)動控制系統(tǒng)主要包括控制設(shè)備、電力系統(tǒng)及控制計算方法等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2.5 輪胎模型

動力學(xué)研究中，輪胎受力模型建造作用重大。一般而言，輪胎模型建模方法有半經(jīng)驗式建模和理論解析兩種。本文半經(jīng)驗建模所用的魔術(shù)公式為Pacejka。此外，附著系數(shù)和垂直荷載的乘積等于附著于路面上的力[6]。

3 機電聯(lián)合制動壓力協(xié)同控制分析

混動汽車工作模式多樣。針對不同工況實施不同工作模式，十分有利于提高燃油的經(jīng)濟效益和降低排放量。它最大的缺陷是實施制動中切換制動模式導(dǎo)致液壓制動與電機的動態(tài)發(fā)生變化，控制動態(tài)過程會造成問題更加復(fù)雜。液壓制動與電機響應(yīng)特性存在差異，導(dǎo)致汽車在運行過程中的制動工況會發(fā)生突變，難免會出現(xiàn)沖擊。所以，分析耦合工作的特性，研究制動系統(tǒng)的壓力及電機轉(zhuǎn)矩等參數(shù)控制的方法，盡可能減小沖擊程度。

管理層面通過駕駛?cè)藛T實際的踏板動作了解制動意圖，然后針對期望轉(zhuǎn)矩進行計算，按照協(xié)同層策略獲得分配制動力的關(guān)系，按照執(zhí)行層發(fā)出的液壓系統(tǒng)壓力及電機力矩的信息對液壓系統(tǒng)及再生的制動力進行動態(tài)協(xié)調(diào)和控制，確保能夠?qū)崿F(xiàn)快速、及時、平穩(wěn)地切換各部件。通過汽車控制設(shè)備向液壓控制系統(tǒng)和電機傳遞控制指令，執(zhí)行層按照指令控制聯(lián)合制動系統(tǒng)。由于二者不同的響應(yīng)動態(tài)特性，聯(lián)合制動過程中會產(chǎn)生波動。目前，制動與實際制動存在差異，所以利用滯環(huán)反饋修正制動信號。制動的實際強度超出一定范圍時，根據(jù)目標(biāo)制動與實際制動之間存在的強度差異計算修正值，并在下一個階段補償制動力矩，從而滿足駕駛?cè)藛T的需求。

在常規(guī)制動強度發(fā)生變化時，制動模式也發(fā)生了變化，由聯(lián)合式向純電機式轉(zhuǎn)變或者由電機式向機電聯(lián)動模式轉(zhuǎn)變，或者由聯(lián)動狀態(tài)向其他制動狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因工作模式的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生瞬態(tài)變化，將直接影響汽車的平順性和動態(tài)響應(yīng)。為了減小制動力波動，需控制制動強度，從而有效協(xié)調(diào)動力矩的變化。處理信號時獲得制動強度的變化率，并將其反饋給汽車的控制設(shè)備，根據(jù)制動強度的轉(zhuǎn)變形勢預(yù)判制動意圖。當(dāng)制動強度由大變小時，主要為平順性，選擇較小絕對值的下限值。當(dāng)制動強度由小變大時，主要為制動性，上限值較大，通過變化率及其限值的對比修正實際強度的變化率，確保無大幅波動的發(fā)生，盡可能減少沖擊強度[7]。

4 制動強度仿真

針對機電聯(lián)合制動的耦合性進行研究，利用Simulink AMESim進行聯(lián)合仿真，設(shè)置聯(lián)合仿真的連接口，設(shè)置仿真中的精度和步長，聯(lián)合仿真制動控制系統(tǒng)，Simulink控制設(shè)備計算得出前后輪的目標(biāo)壓力信號向AMESim內(nèi)輸送，通過液壓制動響應(yīng)仿真向仿真模塊輸入前后輪的制動力，然后反饋控制。利用聯(lián)合仿真閉環(huán)控制機電聯(lián)合制動系統(tǒng)，保證由軸傳輸?shù)目刂齐娏M足駕駛?cè)藛T的需求。通過研究對切換制動模式產(chǎn)生影響的制動模式和因素，注重邊界條件及切換條件的安全性與經(jīng)濟性，確定制動模式狀態(tài)和液壓及電機目標(biāo)制動能力的大小[8]。

4.1 大強度制動

大強度制動的制動強度不小于0.5，初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，Z=0.6。降低車速則速比增大，當(dāng)速比增長到最大限度后保持不變。液電聯(lián)合制動初期，實際動力與目標(biāo)動力存在較大的強度差異，協(xié)調(diào)控制完成后，隨著時間的延長二者之間的差異逐漸變大。協(xié)調(diào)控制過程中，液壓與電機共同制動過程中變化平穩(wěn)，制動力無明顯波動，減小液壓制動及增大電機制動過程響應(yīng)的速度較快。

4.2 中強度制動

中強度制動的制動強度在0.2～0.5，初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，Z=0.3。初始行車速度高，軸電機的制動最大扭矩小，提供的扭矩不能滿足制動需要，應(yīng)聯(lián)合液壓制動。逐漸降低車速時，軸電機所提供的最大制動力可滿足制定需要，此時逐漸退出液壓制動。在未采取協(xié)調(diào)制動措施時，目標(biāo)制動與實際制動之間存在強度差異。該差異隨著時間的延長逐漸變大，在協(xié)調(diào)控制措施的實施下，差異明顯減小，且逐漸向目標(biāo)強度靠近。

4.3 小強度制動

小強度制動的制動強度不大于0.2，初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，Z=0.1。這種情況下再生制動回收能量由電機完成，液壓制動無動作。根據(jù)分配策略獲得強度較小的強度制動狀態(tài)下的動力分配，如圖2所示。前后電機共同完成初期階段的再生制動。制動過程中，降低行車速度，速比發(fā)生變化。最大制動力由前電機提供，后電機退出制動程序。

4.4 漸變制動

制動強度的變化具有連續(xù)性時，制動力兼顧汽車能量回收和行車安全。軸電機同時作用時，其峰值轉(zhuǎn)矩滿足不斷變化的強度制動，控制措施則主要側(cè)重于安全性向經(jīng)濟性的轉(zhuǎn)變。強度制動較大時，可適當(dāng)減小制動回饋；強度制動較小時，軸電機制動最大力矩發(fā)揮作用，為盡可能回收更多的制動能量提供保障。制動實施中，及時反饋控制液電聯(lián)合制動，進行目標(biāo)強度修正和制動力的變化控制，可有效減小車速誤差和沖擊度。

4.5 突變制動

初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，制動強度由0.6突降為0.3，導(dǎo)致制動目標(biāo)值突然發(fā)生變化，尤其是大幅減小液壓動力時。3.00 s時目標(biāo)強度突然變化，3.02 s時制動力發(fā)生最大波動，波動速率為94.50 m·s-3?？刂茀f(xié)調(diào)實施后，減小實際控制動力的變化率，顯著降低沖擊度為17.63 m·s-3，制動強度由0.3增至0.6。協(xié)調(diào)控制實施后，沖擊度獲得明顯改善。制動力的變化如圖3所示。

5 結(jié)語

以插電雙電機混動汽車為研究對象，通過液壓和電機制動聯(lián)合仿真建模，分析機電聯(lián)合制動耦合特性，采取以安全為基礎(chǔ)的能量回收最大化的控制措施。仿真實驗結(jié)果表明，機電聯(lián)合制動可使汽車運行保持良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)。有效實施制動協(xié)調(diào)措施的情況下，制動波動明顯減小，能量回收效率提高，綜合制動效果良好。