電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于瑛瑛

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院， 機(jī)電工程系， 山東， 煙臺 265500)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅猛，汽車數(shù)量的不斷增多，引發(fā)大量汽車尾氣的排放。該現(xiàn)象造成我國環(huán)境面臨巨大挑戰(zhàn)，為此，我國汽車工業(yè)領(lǐng)域開發(fā)出電動汽車。該類汽車具有低排放、低油耗的優(yōu)勢，但電動汽車易出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，為防止該現(xiàn)象的發(fā)生，本文針對電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分結(jié)合液壓制動系統(tǒng)以及電機(jī)制動系統(tǒng)的優(yōu)勢，構(gòu)建出復(fù)合制動系統(tǒng)，將其應(yīng)用于防抱死系統(tǒng)中可滿足安全駕駛的需求。

1 電動汽車復(fù)合制動系統(tǒng)分析

對車輛進(jìn)行制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)可最大限度地保證汽車行駛安全，而汽車制動系統(tǒng)實(shí)際上指的是路面對車輪施加一定力，在力的作用下強(qiáng)制車輪停止旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對汽車的制動作用。隨著技術(shù)的不斷提高，電動汽車保留傳統(tǒng)汽車原有的液壓制動系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上增加電機(jī)制動系統(tǒng)，使電動汽車更具優(yōu)勢。

1.1 液壓制動系統(tǒng)

液壓制動系統(tǒng)主要由制動驅(qū)動機(jī)構(gòu)和制動控制機(jī)構(gòu)兩部分共同組成。其中，制動驅(qū)動機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)任務(wù)執(zhí)行，可將駕駛員對汽車施加的力傳遞到車輪制動器上，從而實(shí)現(xiàn)汽車的驅(qū)動作用；而制動控制機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)中屬于核心機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其主要作用是對車輪制動器上制動力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，并根據(jù)車輛的狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)指令的下達(dá)，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)制動壓力調(diào)節(jié)器對于液壓管路造成的壓力。液壓制動系統(tǒng)的動力調(diào)節(jié)過程是：當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)時(shí)，測試人員可對制動踏板施加一定的壓力，該過程可產(chǎn)生位移信號，此時(shí)液壓制動系統(tǒng)可將該信號上傳至電子控制單元(ECU)，實(shí)現(xiàn)對車輛制動狀態(tài)的判斷。該系統(tǒng)的主要目的是為了阻止汽車?yán)^續(xù)前進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)該目的，液壓制動系統(tǒng)將針對車輪減速的程度以及制動輪缸內(nèi)的壓力進(jìn)行控制[1]。

1.2 電機(jī)制動系統(tǒng)

電動汽車中最主要的驅(qū)動部件應(yīng)屬電機(jī)，電機(jī)對于電動汽車具有一定驅(qū)動作用，與此同時(shí)，電機(jī)在制動系統(tǒng)中具有一定執(zhí)行力。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前電動汽車中最常用的電機(jī)是永磁無刷直流電機(jī)，此類電機(jī)具有可靠性高、機(jī)械噪音低等優(yōu)勢。將其應(yīng)用于汽車制動系統(tǒng)中，可充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對車輛進(jìn)行制動的目的。電機(jī)制動系統(tǒng)的主要工作原理是利用斬波對脈沖電壓信號的導(dǎo)通比進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電樞端電壓的目的。針對永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的控制應(yīng)選擇跟蹤法，該方法對于脈沖寬度的調(diào)節(jié)十分精確，跟蹤法的主要實(shí)現(xiàn)方法是將目標(biāo)波形作為被跟蹤信號，而系統(tǒng)內(nèi)存在的實(shí)際波形作為跟蹤信號，通過2種信號之間的對比分析，可確定功率管的開關(guān)，以此實(shí)現(xiàn)控制作用[2]。

1.3 電液汽車復(fù)合制動系統(tǒng)策略分析

通過上文敘述的工作原理分析可知，當(dāng)前液壓制動系統(tǒng)和電機(jī)制動系統(tǒng)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。為保證電動汽車的制動作用，可將液壓制動系統(tǒng)和電機(jī)制動系統(tǒng)充分結(jié)合，以此形成復(fù)合制動系統(tǒng)。在液壓制動和電機(jī)制動的共同作用下，可實(shí)現(xiàn)電液汽車復(fù)合制動系統(tǒng)的能量回收，使能源可持續(xù)利用。為此，本文提出3種能量回收協(xié)調(diào)控制策略，分別是持續(xù)性、階段性以及整體性能量回收協(xié)調(diào)控制策略。通過對3種方式的可行性、制動穩(wěn)定性等角度進(jìn)行研究可知，最終本文選擇整體性能量回收協(xié)調(diào)控制策略，該方案可最大限度地保證制動系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，有利于后期將該系統(tǒng)應(yīng)用于電動汽車防抱死控制中。

2 電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對電動汽車進(jìn)行制動過程中，因針對車輪速度減慢的程度進(jìn)行控制，而車輪的速度主要與制動力矩的大小有關(guān)，制動力矩越大，車輪停轉(zhuǎn)的速度越快。根據(jù)力學(xué)原理表明，電動汽車處于行駛狀態(tài)時(shí)，路面會有一定附著力，該附著力可為電動汽車提供與車輪速度保持一致且同方向的力矩。當(dāng)制動力矩的大小明顯高于路面附著力時(shí)，電動汽車的前輪可出現(xiàn)轉(zhuǎn)向能力喪失現(xiàn)象，與此同時(shí)，電動汽車的后輪會出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，該現(xiàn)象可稱之為抱死現(xiàn)象。為了改善該現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)對車輪制動器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，在此基礎(chǔ)上建立汽車防抱死制動系統(tǒng)[3]。

2.1 汽車防抱死制動系統(tǒng)

電動汽車出現(xiàn)抱死現(xiàn)象時(shí)，車輪存在滑動情況，對于汽車的行駛安全將構(gòu)成一定損害，為防止汽車出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，應(yīng)對滑動狀態(tài)進(jìn)行定量。定量過程中可采用滑移率的概念，計(jì)算車速與輪速的比值情況，此外，應(yīng)對路面制動力與車輪法向載荷之比進(jìn)行計(jì)算，二者之間的比值也可稱之為附著系數(shù)。附著系數(shù)的大小對于汽車制動時(shí)路面給車輪的制動力矩的多少至關(guān)重要，通常情況下，附著系數(shù)主要包括2種情況，分別是橫向附著系數(shù)和縱向附著系數(shù)。通過相關(guān)計(jì)算可知，在路面附著系數(shù)不同的情況下，滑移率與之形成一定的聯(lián)系，滑移率越大，縱向附著系數(shù)越大，當(dāng)縱向附著系數(shù)達(dá)到峰值后，出現(xiàn)下降趨勢，峰值狀態(tài)下的車輛將徹底失去側(cè)向滾動能力，此時(shí)車輛后輪極易發(fā)生橫擺。為保證車輛的安全行駛，應(yīng)控制滑移率和附著系數(shù)的數(shù)值，盡可能地縮短制動時(shí)間和距離，汽車防抱死制動系統(tǒng)控制過程[4]如圖1所示。

從圖1可知，本研究主要利用滑移率計(jì)算模塊對車輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的輪速信號進(jìn)行測量。除此之外，該模塊具有估算控制單元車速信號的功能，通過該方式即可獲得相應(yīng)的實(shí)際滑移率λreal。而理想滑移率則用λideal表示，將二者進(jìn)行對比，可得到3種不同情況。

圖1 汽車防抱死制動系統(tǒng)控制過程

(1) 若λreal<λideal，汽車防抱死制動系統(tǒng)應(yīng)增加汽車車輪制動器的制動力矩。

(2) 若λreal>λideal，汽車防抱死制動系統(tǒng)應(yīng)減小汽車車輪制動器的制動力矩。

(3) 若λreal=λideal，汽車防抱死制動系統(tǒng)應(yīng)保持汽車車輪制動器的制動力矩處于不變狀態(tài)。

2.2 復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)

復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)主要由液壓制動和電機(jī)制動共同組成。其中，液壓制動防抱死系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理是結(jié)合汽車進(jìn)行制動過程中的狀態(tài)變化情況，對制動輪缸進(jìn)行增壓、減壓和保壓的相應(yīng)調(diào)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)對電動汽車車路滑移率的改變，最終達(dá)成防止汽車車輪出現(xiàn)抱死現(xiàn)象的目的。液壓制動系統(tǒng)雖然具有一定的防抱死作用，但與電機(jī)制動系統(tǒng)進(jìn)行對比可知，液壓制動系統(tǒng)存在一定延遲現(xiàn)象，針對該現(xiàn)象應(yīng)將液壓控制單元響應(yīng)和液壓管路傳輸滯后等效成一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)，液壓制動防抱死系統(tǒng)框圖[5]如圖2所示。

圖2 液壓制動防抱死系統(tǒng)框圖

電機(jī)制動防抱死系統(tǒng)的主要工作原理與液壓制動系統(tǒng)基本相似，在針對制動力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)過程中同樣分為三步，分別是增加、減小和保持。電機(jī)制動防抱死系統(tǒng)滑移率、制動力矩和車輪角的加速度有關(guān)。通過研究表明，若制動力矩處于增長狀態(tài)時(shí)，車輪角加速度增大，滑移率上升；制動力矩處于減小狀態(tài)時(shí)，車輪角加速度減小，滑移率下降，由此可知，為達(dá)到電機(jī)防抱死制動的目的，應(yīng)針對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)制動防抱死系統(tǒng)框圖[6]如圖3所示。

圖3 電機(jī)制動防抱死系統(tǒng)框圖

2.3 電動汽車復(fù)合制動防抱死控制系統(tǒng)

通常狀態(tài)下，電動汽車復(fù)合制動防抱死控制系統(tǒng)的控制方法主要分為2種，分別是古典控制理論以及現(xiàn)代控制理論。其中，古典控制理論實(shí)現(xiàn)對車輛制動的主要控制方法是邏輯門限值控制，而現(xiàn)代控制理論具有較強(qiáng)的特殊性，該方法顛覆以往的控制方法，將自身分為最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、PID控制以及模糊控制方法。不同方法的特點(diǎn)各不相同，結(jié)合不同方法的特點(diǎn)，最終將PID控制方法和模糊控制方法充分結(jié)合，從而形成效果十分優(yōu)秀的模糊PID控制方法。將其應(yīng)用于電動汽車復(fù)合制動防抱死控制系統(tǒng)中，可充分發(fā)揮該方法的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對車輪的制動。PID控制方法的控制環(huán)節(jié)主要分為3個(gè)，分別是比例、積分以及微分，各環(huán)節(jié)對于該系統(tǒng)的影響存在多種情況。其中，比例參數(shù)對于系統(tǒng)具有一定增益作用，在一定程度上可減小靜態(tài)誤差，但該環(huán)節(jié)可加大系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分參數(shù)對于系統(tǒng)的積分性能具有一定提高作用，有效去除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但也存在不穩(wěn)定性；而微分參數(shù)可判斷偏差變化的趨勢，在一定程度上可提高系統(tǒng)的整體性能，其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)時(shí)間較長，為此應(yīng)充分利用模糊控制方法，求出最大隸屬度[7]。

3 電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)模型建立

3.1 復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)控制模型

對電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)進(jìn)行模型建立過程中，可忽略懸架系統(tǒng)對該系統(tǒng)造成的影響，僅考慮汽車的車輪運(yùn)動狀態(tài)。汽車車輪的主要運(yùn)動狀態(tài)分為縱向運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)汽車處于行駛狀態(tài)時(shí)，汽車的驅(qū)動方式為前驅(qū)，由此現(xiàn)象可判斷針對汽車進(jìn)行制動過程中，電機(jī)制動僅參與汽車的前輪，該模式為電-液復(fù)合制動，此時(shí)的汽車后輪可通過液壓進(jìn)行制動。

3.2 復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)控制模式

本文設(shè)計(jì)的防抱死系統(tǒng)控制模式主要依據(jù)附著系數(shù)的大小，在制動處于開始狀態(tài)時(shí)滑移率計(jì)算模塊可根據(jù)車輪速度與汽車行駛速度進(jìn)行實(shí)際滑移率的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與理想中的滑移率進(jìn)行對比分析。若對比結(jié)果一致，該模塊可向系統(tǒng)發(fā)出保持制動力的需求信號，實(shí)際結(jié)果大于理想狀態(tài)，應(yīng)減小制動力，否則反之，復(fù)合制動防抱死控制模式[8]如圖4所示。

圖4 復(fù)合制動防抱死控制模式

該系統(tǒng)針對汽車開啟制動時(shí)，滑移率計(jì)算模塊可采用對比分析的方式，將測得的實(shí)際滑移率與理想滑移率進(jìn)行對比，以此實(shí)現(xiàn)對制動力大小的控制。其結(jié)果表明，若理想滑移率偏大，應(yīng)發(fā)出減小制動力的需求信號；若理想滑移率偏小，則發(fā)出增加制動力的需求信號；若二者處于相等的狀態(tài)，應(yīng)保持原有的制動力。而控制單元針對路面附著系數(shù)進(jìn)行讀取時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)的需求信號向車輪處輸出制動力矩。通過輪速傳感器測得數(shù)據(jù)可知，若輪速降至0，可表示復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)制動結(jié)束，反之，則繼續(xù)防抱死控制模式。

4 基于整車行駛條件下防抱死系統(tǒng)仿真測試分析

4.1 制動防抱死系統(tǒng)仿真工況和評價(jià)指標(biāo)的選取

為保證電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，最大限度的滿足制動安全的需求，使汽車在不同行駛速度下仍能按照駕駛員的制動需求進(jìn)行相應(yīng)的工作，防止車輛出險(xiǎn)側(cè)滑等現(xiàn)象，盡可能地針對汽車能量進(jìn)行回收操作。在此基礎(chǔ)上結(jié)合控制策略，進(jìn)行實(shí)際工況的選?。浩湟唬诟街禂?shù)較高的路面上，將車輛的行駛速度控制在80 km/h，此時(shí)針對車輛進(jìn)行小強(qiáng)度制動；其二，在附著系數(shù)較高的路面上，將車輛的初始速度控制在80 km/h，此時(shí)針對車輛進(jìn)行大強(qiáng)度制動；其三，將路面條件定位雪路和土路，此時(shí)的車輛初始速度控制在80 km/h；其四，在車輛的初始速度控制為80 km/h和高附著系數(shù)的條件下，采取制動時(shí)刻變化的強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)測試[9]。

4.2 典型工況下制動防抱死系統(tǒng)的仿真分析

通過對系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試可知，在大強(qiáng)度制動模式下，該系統(tǒng)可保持較強(qiáng)的穩(wěn)定性，對于電動汽車的制動性能較好，但該模式下的制動能量回收情況較差。將其與小強(qiáng)度模式進(jìn)行對比可知，大強(qiáng)度制動模式不如小強(qiáng)度制動模式。此外，應(yīng)對高低附著系數(shù)下進(jìn)行系統(tǒng)仿真測試，測試結(jié)果表明，本文針對制動防抱死系統(tǒng)提出的控制策略具有較強(qiáng)的改善作用，其制動效能的效果與低附著系數(shù)的效果更加明顯，并且該系統(tǒng)對于車輛的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，可實(shí)現(xiàn)能量的回收[10]。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)具有反應(yīng)十分迅速的優(yōu)勢，在一定程度上可嚴(yán)格控制系統(tǒng)運(yùn)行的精準(zhǔn)度，從而最大限度的實(shí)現(xiàn)對能量的回收。針對電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要將液壓制動與電機(jī)制動充分結(jié)合，以此構(gòu)成復(fù)合制動系統(tǒng)，將其應(yīng)用于防抱死系統(tǒng)中，可形成完善的電動汽車復(fù)合制動防抱死系統(tǒng)，并針對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，在未來發(fā)展中，應(yīng)針對防抱死系統(tǒng)進(jìn)行主要研究，使其在汽車工業(yè)領(lǐng)域中充分發(fā)揮自身優(yōu)勢。