基于輪轂電機(jī)和液壓復(fù)合的電動汽車重載制動

楊慧榮

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 河南 鄭州 451191）

1 研究背景

隨著新能源汽車的推廣， 車輛制動技術(shù)也獲得了不斷升級， 現(xiàn)階段通常是綜合運用液壓制動與再生制動的方式來構(gòu)建復(fù)合制動系統(tǒng)， 由此實現(xiàn)對電動汽車進(jìn)行高效制動的效果[1-4]。 余卓平等[5]從電機(jī)的發(fā)電效率層面進(jìn)行分析， 以總電機(jī)效率最高作為控制目標(biāo)確定了電機(jī)力的最佳分配系數(shù)， 構(gòu)建得到了復(fù)合制動經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)方案， 經(jīng)仿真測試發(fā)現(xiàn)對續(xù)駛里程的貢獻(xiàn)率從14.1%增大到了15.5%。 鄔松等[6]構(gòu)建了由高速開關(guān)電磁閥構(gòu)成的電控制動閥，之后利用Simulink 完成實際控制性能的仿真分析。可明顯發(fā)現(xiàn)， 設(shè)置復(fù)合制動回路后， 車輛在制動階段形成了更短時間的壓力響應(yīng)， 有效滿足了差動制動要求[7-8]。 根據(jù)液壓制動系統(tǒng)運行原理設(shè)計了更優(yōu)的控制結(jié)構(gòu)， 對各部分相互作用方式進(jìn)行了深入分析。 之后為液壓系統(tǒng)與再生制動系統(tǒng)構(gòu)建了仿真模型， 設(shè)計了可滿足復(fù)合制動需求的協(xié)調(diào)控制方案。

2 輪轂電機(jī)電動汽車制動系統(tǒng)

1） 輪轂電機(jī)電動汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 圖1 為電動汽車輪轂電機(jī)和液壓復(fù)合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 由圖1 可知， 復(fù)合制動系統(tǒng)包括液壓制動與再生制動系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制器。 具體制動過程如下:在汽車開始進(jìn)入制動狀態(tài)時， 踏板傳感器檢測到駕駛員的制動意圖后， 再利用電子控制單元計算得到目標(biāo)制動力矩。 再生制動系統(tǒng)通過計算目標(biāo)制動力矩跟液壓制動力矩分配比差異性， 再為各個嵌入輪轂電機(jī)設(shè)置再生制動力矩。 之后控制液壓制動系統(tǒng)根據(jù)輪缸壓力參數(shù)與輪缸實測壓力對比的結(jié)果， 得到需補(bǔ)償?shù)囊簤褐苿恿兀?再利用液壓調(diào)節(jié)部件進(jìn)行液壓閥開度調(diào)節(jié)， 從而完成對制動主缸壓力的調(diào)節(jié)過程，為制動輪缸提供補(bǔ)償作用， 以此達(dá)到對各輪缸進(jìn)行液壓制動實時調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

圖1 電動汽車輪轂電機(jī)和液壓復(fù)合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2） 液壓制動模型。 針對系統(tǒng)動力學(xué)控制過程構(gòu)建仿真模型時， 需對液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行簡化處理， 構(gòu)建得到液壓制動系統(tǒng)模型表達(dá)式為

式中： Pm為主缸壓力； Pw為輪缸的壓力； Pr為低壓蓄能器等效液壓； Ce為等效液容。

為等效閥口設(shè)置了特定控制信號， 使其處于通斷狀態(tài)， 由此實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的控制功能。

3 重載制動工況分析

在制動強(qiáng)度z≤0.1 的情況下， 屬于輕度制動狀態(tài)。 上述工況的制動減速度較小， 因此只產(chǎn)生很小的制動力矩。 在最大再生制動力矩達(dá)到或超過目標(biāo)制動力矩的時候， 液壓制動系統(tǒng)不再發(fā)揮制動效果， 此時達(dá)到了與目標(biāo)值相同的實際再生制動力矩。 如果最大再生制動力矩比目標(biāo)制動力矩更小時， 則再生與液壓制動系統(tǒng)共同發(fā)揮制動作用， 此時再生制動力矩達(dá)到最大再生制動力矩狀態(tài)， 液壓制動力矩則根據(jù)目標(biāo)值和再生制動力矩之間的差值進(jìn)行調(diào)整。 表1 為車輛模型的各部件控制參數(shù)。

表1 車輛模型的各部件控制參數(shù)

進(jìn)行輕度制動時， 車輛初速度為40 km/h， 此時制動強(qiáng)度為0.1， 路面可以提供所需附著系數(shù)。 圖2為重載下車速隨時間的變化曲線。 圖3 為重載下制動減速度隨時間的變化曲線。 圖2 與圖3 給出了重載條件下不同時間對應(yīng)的車速以及制動減速度變化。

圖2 重載下車速隨時間的變化曲線

圖3 重載下制動減速度隨時間的變化曲線

根據(jù)圖2 可知， 車速最初為11.1 m/s， 在相對穩(wěn)定的制動作用下， 減速度保持基本恒定狀態(tài)， 因此車速按照接近線性方式降低， 到10.18 s 時達(dá)到0。 對圖3 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)， 制動減速度由最初的1.17 m/s2發(fā)生緩慢降低直至達(dá)到1.06 m/s2。 對單輪進(jìn)行動力學(xué)分析可知， 制動階段車速發(fā)生逐漸減小， 因此滾動過程受到的摩擦與空氣阻力也發(fā)生降低， 引起制動減速度也發(fā)生略微下降。

根據(jù)以上研究結(jié)果可知， 處于輕度制動狀態(tài)下， 采用協(xié)調(diào)控制方案時， 處于前期再生制動過程中系統(tǒng)可以為車輛制動過程提供所需的目標(biāo)制動力矩， 能夠滿足制動性能要求， 此時再生制動系統(tǒng)可以保持單獨制動狀態(tài)。 進(jìn)入輕度制動的后續(xù)階段時， 當(dāng)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小后， 輪轂電機(jī)可以達(dá)到的最大再生制動力矩也發(fā)生了降低， 在目標(biāo)力矩超過最大再生制動力矩的情況下， 液壓制動系統(tǒng)也開始發(fā)揮制動效果。 在確保制動安全性滿足要求的條件下， 應(yīng)盡量使協(xié)調(diào)控制策略能夠利用再生制動系統(tǒng)進(jìn)行制動， 從而獲得更高的能量利用率。

4 結(jié)束語

一方面， 處于輕度制動狀態(tài)下， 采用協(xié)調(diào)控制方案時， 處于前期再生制動過程中系統(tǒng)可以為車輛制動過程提供所需的目標(biāo)制動力矩。 另一方面， 進(jìn)入輕度制動的后續(xù)階段時， 當(dāng)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小后， 輪轂電機(jī)可達(dá)到的最大再生制動力矩也發(fā)生了降低， 液壓制動系統(tǒng)開始發(fā)揮制動效果， 應(yīng)盡量使協(xié)調(diào)控制策略能夠利用再生制動系統(tǒng)進(jìn)行制動。