基于滑移率和ABS的電動(dòng)商用車制動(dòng)性能控制研究

張 譽(yù), 龐中華, 劉 凱, 李建英, 徐麗鑫, 潘連波

(北京福田歐輝新能源汽車有限公司, 北京 昌平 102206)

商用車(如城市客車、物流車等)在雨雪天氣等低附著系數(shù)[1]路面行駛時(shí),常常會(huì)激活A(yù)BS。根據(jù)裝用ABS的電動(dòng)商用車的特點(diǎn)[2],ABS激活后,電制動(dòng)直接撤銷,此時(shí)車輛制動(dòng)減速度會(huì)突然減小,車輛會(huì)突然“向前沖”,制動(dòng)平順性極差,容易發(fā)生交通事故。

1 原因分析

電動(dòng)商用車低附著力路面制動(dòng)平順性差是由ABS制動(dòng)系統(tǒng)“電氣”混合制動(dòng)的特性引起的[3]。電動(dòng)商用車ABS制動(dòng)系統(tǒng)一般由電制動(dòng)和氣制動(dòng)兩部分組成,制動(dòng)踏板行程的前約30%為電制動(dòng),后約70%為電制動(dòng)和氣制動(dòng)混合制動(dòng)。商用車的駕駛員為了最大限度回收動(dòng)能,在減速時(shí)(非緊急制動(dòng))控制制動(dòng)踏板行程一般小于30%,此時(shí)僅有電制動(dòng)。而若此時(shí)ABS因路況自動(dòng)激活,VCU如果立即撤掉電制動(dòng),則車輛會(huì)出現(xiàn)瞬間“加速”現(xiàn)象;為了糾正此時(shí)的制動(dòng)偏差,駕駛員可能會(huì)本能超量增大制動(dòng)踏板開度(使用氣剎去制動(dòng)),進(jìn)而引發(fā)車輛制動(dòng)“點(diǎn)頭”問題,從而加重了制動(dòng)的不平順性。

針對(duì)此問題,目前電動(dòng)轎車一般采用EBS[4],這在一定程度上改善了制動(dòng)不平順性。由于成本等原因,目前電動(dòng)商用車還是配置傳統(tǒng)的ABS。解決制動(dòng)平順性問題主要有兩種方案,一是在儀表臺(tái)上加裝“雨雪模式”開關(guān),遇到雨雪天氣等濕滑低附著系數(shù)路面時(shí),按下此開關(guān),車輛的電制動(dòng)功能取消,此時(shí)駕駛員僅使用氣剎去制動(dòng),此方案不僅增加了駕駛疲勞感,而且嚴(yán)重影響車輛經(jīng)濟(jì)性;另一種方案是在ABS激活后,電制動(dòng)階梯降低,此方法在一定程度上可以緩解制動(dòng)不平順性[5],但效果有限。

為此,本文設(shè)計(jì)一種基于滑移率和ABS的制動(dòng)平順性控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在ABS激活前通過改變制動(dòng)扭矩控制滑移率,降低ABS激活概率;在ABS激活后綜合考慮原有電制動(dòng)MAP,控制電制動(dòng)取消速度(即濾波斜率),以保障制動(dòng)平順性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于滑移率和ABS的制動(dòng)平順性控制系統(tǒng)主要包括整車控制器、ABS控制器、儀表、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器等,如圖1所示。ABS控制器與整車控制器通過CAN線相連,發(fā)送四個(gè)輪速信號(hào)(用于計(jì)算整車滑移率)及ABS信號(hào)給到整車控制器,輪速信號(hào)傳遞周期可設(shè)置為10 ms,以保障整車計(jì)算滑移率的實(shí)時(shí)性;ABS信號(hào)的傳遞周期可設(shè)置為100 ms,以降低整車CAN線負(fù)載率;整車控制器接收ABS控制器輸出的輪速等信號(hào)和電機(jī)控制器實(shí)際扭矩、電流等反饋值后,通過運(yùn)算輸出駕駛員請(qǐng)求扭矩、電機(jī)控制模式等信號(hào);電機(jī)控制器執(zhí)行整車控制器指令并反饋當(dāng)前狀態(tài);儀表主要用于在系統(tǒng)故障時(shí)顯示相應(yīng)的“故障名稱”,以提醒駕駛員及時(shí)對(duì)有故障的系統(tǒng)進(jìn)行檢修。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于滑移率和ABS的制動(dòng)平順性控制系統(tǒng)扭矩輸出控制策略分為兩個(gè)階段,第一階段為ABS激活之前,主要參考實(shí)時(shí)滑移率;第二階段為ABS激活之后,主要參考ABS激活信號(hào)及濾波斜率。

2.1 第一控制階段

首先,整車控制器需根據(jù)輪速(后輪平均輪速)及車速信號(hào)計(jì)算出車輛實(shí)時(shí)滑移率[1](輪胎發(fā)出牽引力或制動(dòng)力時(shí),在輪胎與地面之間都會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),即為滑移率)?；坡蕇的計(jì)算公式如下:

s=(u-uw)/u×100%

式中:u為整車車速;uw為整車輪速。

當(dāng)車輪純滾動(dòng)時(shí),uw=u,s= 0;當(dāng)車輪抱死純滑動(dòng)時(shí),uw= 0,s=100%;當(dāng)車輪邊滾邊滑時(shí),u>uw,0

其次,在進(jìn)行制動(dòng)扭矩輸出調(diào)節(jié)之前,根據(jù)車輛制動(dòng)性能等指標(biāo),在原有制動(dòng)MAP基礎(chǔ)上(制動(dòng)踏板開度、主電機(jī)轉(zhuǎn)速),乘以制動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)Ks,形成優(yōu)化后的制動(dòng)MAP,即制動(dòng)扭矩輸出值=Ks×原制動(dòng)扭矩,具體如下:

1) 滑移率s≤15%時(shí),制動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)Ks為100%。在此階段車輛無滑移或滑移率很低,本控制系統(tǒng)不參與電制動(dòng)控制,車輛正常行駛。

2) 15%<滑移率s≤25%時(shí),制動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)Ks為(100%,50%](50%可另外標(biāo)定)。此階段車輛出現(xiàn)較大滑移,本控制系統(tǒng)逐步介入,以降低滑移率,從而降低ABS激活的概率[6]。

3) 滑移率s>25%時(shí)(此參數(shù)參考ABS供應(yīng)商廠家標(biāo)定),此時(shí)ABS已激活,系統(tǒng)進(jìn)入第二控制階段。

2.2 第二控制階段

在ABS激活后,整車控制器接收到ABS控制器發(fā)送的ABS激活信號(hào),控制系統(tǒng)進(jìn)入第二控制階段。

首先整車控制器對(duì)ABS信號(hào)進(jìn)行濾波預(yù)處理。當(dāng)ABS激活時(shí)間<100 ms時(shí),系統(tǒng)返回第一控制階段;當(dāng)ABS激活時(shí)間≥100 ms時(shí),整車控制器進(jìn)入如圖2所示的控制流程。

圖2 第二控制階段控制流程圖

1) ABS激活后,以初始制動(dòng)扭矩T0(ABS觸發(fā)瞬間的電制動(dòng)扭矩)為基準(zhǔn)[7],以一定斜率K降低電制動(dòng)扭矩,得到過程制動(dòng)扭矩Ti(初始電制動(dòng)扭矩按照一定斜率降低的過程扭矩),同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前實(shí)際需求制動(dòng)扭矩T2(整車控制器通過查制動(dòng)MAP扭矩表得到的扭矩值)。

①Ti=T0-K·t(t為時(shí)間,單位ms)

②T2通過查制動(dòng)MAP表所得,該值為正常狀態(tài)下由制動(dòng)踏板開度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)變量耦合得到。

2) 當(dāng)過程制動(dòng)扭矩Ti降低到T0的50%(可另外標(biāo)定)或特定制動(dòng)扭矩T1(T1本系統(tǒng)取350 N·m,也可另外標(biāo)定,當(dāng)T0本身就不是很大時(shí),設(shè)置T1可保障電制動(dòng)的最小值)中的較大值時(shí),過程制動(dòng)扭矩Ti不再降低,取0.5T0和T1兩者的較大值。

3) 在此過程中,對(duì)比2)的輸出制動(dòng)扭矩和當(dāng)前實(shí)際需求制動(dòng)扭矩T2,實(shí)際輸出制動(dòng)扭矩T3(整車控制器最終輸出的電制動(dòng)扭矩)取兩者中的較小值。

4) 在整個(gè)過程中,如果ABS激活信號(hào)失效:①若ABS激活時(shí)間≤0.5 s,實(shí)際輸出制動(dòng)扭矩T3維持到0.5 s后,根據(jù)設(shè)定濾波斜率恢復(fù)到當(dāng)前實(shí)際需求制動(dòng)扭矩T2;②若ABS激活時(shí)間>0.5 s,實(shí)際輸出制動(dòng)扭矩T3根據(jù)設(shè)定濾波斜率及時(shí)恢復(fù)到當(dāng)前實(shí)際需求扭矩T2。

5) 在整個(gè)第二控制階段,氣制動(dòng)力不受本控制系統(tǒng)影響,即氣制動(dòng)力輸出大小完全由ABS控制器控制,不受整車控制器控制。

3 實(shí)車測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方案

以一款8.5 m純電動(dòng)城市客車為例,根據(jù)測(cè)試條件和驗(yàn)證優(yōu)化內(nèi)容,選擇在交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)(北京通州)的專用低附著系數(shù)路面進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和測(cè)試驗(yàn)證。在車速50 km/h左右開始踩制動(dòng)踏板,激活A(yù)BS,使用CAN數(shù)據(jù)總線記錄儀記錄不同工況下制動(dòng)扭矩的輸出情況,根據(jù)駕駛員主觀評(píng)價(jià)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)(主要參考驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍[8])進(jìn)行分析和標(biāo)定(可標(biāo)定參數(shù)如斜率K、特定扭矩等),最終得出控制方案。

然后參照GB/T 36987—2018《 汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)性能檢測(cè)方法》[9],對(duì)整車控制策略進(jìn)行優(yōu)化,確保車輛制動(dòng)性能符合要求。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 未采用本控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

試驗(yàn)車輛在未配置基于滑移率和ABS的制動(dòng)平順性控制系統(tǒng)后,在車速50 km/h左右踩制動(dòng)踏板,當(dāng)車速25 km/h左右時(shí)ABS激活,從CAN總線記錄儀上采集的數(shù)據(jù)分析,電制動(dòng)扭矩快速減為零,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間升高出現(xiàn)較大波動(dòng)(在0.48 s內(nèi)升高627轉(zhuǎn)),如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前數(shù)據(jù)

3.2.2 采用本控制系統(tǒng)后的數(shù)據(jù)

1) 測(cè)試1:試驗(yàn)車輛在配置基于滑移率和ABS的制動(dòng)平順性控制系統(tǒng)時(shí),在車速50 km/h左右踩制動(dòng)踏板,當(dāng)車速20 km/h左右時(shí)激活A(yù)BS。一方面,從CAN總線記錄儀上采集的數(shù)據(jù)分析,電制動(dòng)扭矩按照預(yù)定值變化波動(dòng),主電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小范圍波動(dòng)(在0.49 s內(nèi)升高99轉(zhuǎn)),如圖4所示;另一方面,駕駛員主觀評(píng)價(jià)為“減速平穩(wěn)”。

圖4 測(cè)試1數(shù)據(jù)

2) 測(cè)試2:試驗(yàn)車輛在配置基于滑移率和ABS的制動(dòng)平順性控制系統(tǒng)后,在車速50 km/h左右踩制動(dòng)踏板,當(dāng)車速35 km/h左右時(shí)激活A(yù)BS。一方面,從CAN總線記錄儀上采集的數(shù)據(jù)分析,電制動(dòng)扭矩按照預(yù)定值變化波動(dòng),主電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小范圍波動(dòng)(在0.41 s內(nèi)升高101轉(zhuǎn)),如圖5所示;另一方面,駕駛員主觀評(píng)價(jià)為“減速平穩(wěn)”。

圖5 測(cè)試2數(shù)據(jù)

3.2.3 安全性測(cè)試及評(píng)價(jià)

某ABS供應(yīng)商根據(jù)GB/T 36987—2018對(duì)采用本控制系統(tǒng)的車輛進(jìn)行整車的制動(dòng)性能和安全性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果[10]如圖6所示。ABS 控制器通過判斷車輪滑移率進(jìn)行防抱死控制[11],對(duì)ABS調(diào)節(jié)器進(jìn)行氣壓控制,同時(shí)將 ABS工作狀態(tài)進(jìn)行報(bào)文發(fā)送,整車VCU系統(tǒng)可以通過監(jiān)控ABS激活信(ABS-active)進(jìn)行能量回收狀態(tài)的響應(yīng)或退出,無安全性問題,制動(dòng)性能符合要求。

圖6 安全及制動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

針對(duì)商用電動(dòng)車在低附路面運(yùn)營中制動(dòng)不平順的問題[12],一方面,在ABS激活前通過制動(dòng)扭矩降低ABS激活概率;另一方面,在ABS激活后控制電制動(dòng)取消速率,并綜合考慮原有電制動(dòng)MAP,以保障整車的制動(dòng)平順性。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在低附路面ABS激活后駕駛員不過多干預(yù)[13]的情況下,能夠很好地控制ABS激活頻次以及激活后制動(dòng)的平順性,提高了車輛的安全性能,減少了駕駛員的焦慮感及駕駛疲勞感,對(duì)ABS制動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)商用車的推廣具有重大意義。