黃 大 星

(韶關(guān)學(xué)院 汽車系，廣東 韶關(guān) 512005)

?

多約束條件下汽車復(fù)合制動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化

黃 大 星

(韶關(guān)學(xué)院 汽車系，廣東 韶關(guān) 512005)

針對(duì)當(dāng)前混合動(dòng)力汽車制動(dòng)系統(tǒng)存在電機(jī)再生制動(dòng)力和液壓摩擦制動(dòng)力一起工作而帶來的相關(guān)問題，設(shè)計(jì)了雙電機(jī)前軸復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。以前后軸制動(dòng)力分配比例、ECE制動(dòng)法規(guī)、電機(jī)特性、儲(chǔ)能裝置特性等因素為約束條件，研究了基于分層控制的混合動(dòng)力汽車復(fù)合制動(dòng)控制協(xié)調(diào)策略；利用MATLAB/Simulink對(duì)3種制動(dòng)工況的制動(dòng)力進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明：對(duì)汽車復(fù)合制動(dòng)力實(shí)施層次協(xié)調(diào)控制后，復(fù)合制動(dòng)力與駕駛員需求制動(dòng)力誤差有較明顯降低，說明協(xié)調(diào)控制后車輛的制動(dòng)舒適性有較大提高。

車輛工程；復(fù)合制動(dòng)力；多約束；分層控制；協(xié)調(diào)控制

汽車復(fù)合制動(dòng)是指汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)輪上既有液壓摩擦制動(dòng)力的作用，又有電機(jī)再生制動(dòng)力的作用，這時(shí)汽車既能有效地完成制動(dòng)功能又可以較好的回收制動(dòng)能量[1]。為了提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，汽車制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該在保證汽車制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能優(yōu)先使用電機(jī)再生制動(dòng)，以回收制動(dòng)能量。筆者設(shè)計(jì)了雙電機(jī)的汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，以前后軸制動(dòng)力分配比例、ECE制動(dòng)法規(guī)、電機(jī)特性、儲(chǔ)能裝置特性等因素為約束條件[2-3]，對(duì)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)力分配策略進(jìn)行研究，以滿足駕駛員的制動(dòng)需求，同時(shí)保證車輛制動(dòng)時(shí)的平順性。

1 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

課題組所開發(fā)的汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，系統(tǒng)中所使用的電機(jī)位于前橋，這時(shí)電機(jī)所產(chǎn)生的再生制動(dòng)力只施加于前輪，液壓制動(dòng)系統(tǒng)管路采用雙回路交叉(X)型連接，相對(duì)于傳統(tǒng)汽車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，雙電機(jī)前軸復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)增加了電機(jī)控制模塊、液壓控制模塊和制動(dòng)踏板位移傳感器等3個(gè)部件。制動(dòng)踏板位移傳感器的功能是用來感知駕駛員的制動(dòng)意圖。液壓制動(dòng)控制模塊在制動(dòng)踏板位移傳感器感知所得到制動(dòng)需求的基礎(chǔ)上，通過 ABS電動(dòng)泵、壓力調(diào)節(jié)裝置對(duì)常規(guī)液壓制動(dòng)力大小進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)根據(jù)ECE制動(dòng)法規(guī)對(duì)前后輪制動(dòng)力分配及制動(dòng)工況要求，并將推算出的電機(jī)制動(dòng)力和車輛滑移率等汽車狀態(tài)信息傳輸?shù)诫姍C(jī)控制模塊，給電機(jī)再生制動(dòng)提供施加的機(jī)會(huì)。電機(jī)控制模塊對(duì)電機(jī)制動(dòng)功率、制動(dòng)扭矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)再生制動(dòng)。

圖1 雙電機(jī)前軸復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 汽車復(fù)合制動(dòng)力協(xié)調(diào)控制

2.1 約束條件

2.1.1 前、后軸制動(dòng)力分配約束

為了保證制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性，即制動(dòng)時(shí)汽車不發(fā)生制動(dòng)跑偏、側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力等性能，應(yīng)按照理想制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線(即I曲線)對(duì)前后軸制動(dòng)力進(jìn)行分配。根據(jù)汽車?yán)碚?，要提高汽車制?dòng)穩(wěn)定性，保證汽車制動(dòng)時(shí)不發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力等性能，前、后輪制動(dòng)器制動(dòng)力的分配就應(yīng)按照I曲線進(jìn)行分配，即按照理想的制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線進(jìn)行分配。

根據(jù)制動(dòng)過程車輛受力分析，可確定I曲線(圖2)如式(1)[4-5]：

(1)

圖2 理想制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線

根據(jù)制動(dòng)力分配系數(shù)β的定義，有：

(2)

設(shè)z為制動(dòng)強(qiáng)度，可由Fbneed=Gz確定，則可得：

Fbf=Gzβ

(3)

Fbr=Gz(1-β)

(4)

式中：Fbf為前軸制動(dòng)器制動(dòng)力，N；Fbr為后軸制動(dòng)器制動(dòng)力，N；L為汽車前后軸之間的距離，m；hg為質(zhì)心高度，m；G為汽車重力，N；b為汽車質(zhì)心至后軸中心線的距離，m。

2.1.2ECE制動(dòng)法規(guī)約束

由于受到傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的約束，復(fù)合制動(dòng)階段前后輪液壓制動(dòng)力只能按照β線上升，但前軸(驅(qū)動(dòng)軸)上同時(shí)存在液壓制動(dòng)力和再生制動(dòng)力的作用[6]。一般說來，當(dāng)汽車處于輕度制動(dòng)時(shí)，汽車所需要的制動(dòng)力較小，這時(shí)只需電機(jī)制動(dòng)力就可以滿足制動(dòng)力需求，因此這時(shí)只采用純電機(jī)再生制動(dòng)；當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)，為了保證制動(dòng)穩(wěn)定性，這時(shí)應(yīng)該采用純液壓制動(dòng)；其它情況為復(fù)合制動(dòng)。復(fù)合制動(dòng)過程中，由電機(jī)再生制動(dòng)力導(dǎo)致前后制動(dòng)力分配的改變不應(yīng)超過ECE法規(guī)的限制。

一般來說，車輛在城市循環(huán)工況下行駛時(shí)，道路擁堵、運(yùn)行道路狀況較好，因此車速較低(一般不超過60km/h)，因此駕駛員進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的制動(dòng)強(qiáng)度不高，筆者將復(fù)合制動(dòng)過程的制動(dòng)強(qiáng)度設(shè)定為在0.1～0.7之間[7-9]。這時(shí)由于前輪在液壓制動(dòng)力的基礎(chǔ)上增加了再生制動(dòng)力，導(dǎo)致前輪的利用附著系數(shù)上升，這就可能使前輪利用附著系數(shù)不能滿足ECE法規(guī)的要求，而后輪由于利用附著系數(shù)下降，后輪制動(dòng)穩(wěn)定性提高。因此為了保證整車制動(dòng)性能，ECE法規(guī)要求：前輪利用附著系數(shù)φ1≤(z+0.07)/0.85。

因此有前后制動(dòng)力要滿足：

(5)

式中：Fxb1，F(xiàn)xb2分別為對(duì)應(yīng)于制動(dòng)強(qiáng)度z，前軸和后軸產(chǎn)生的地面制動(dòng)力，N。

結(jié)合ECE法規(guī)，作得前后制動(dòng)力分配圖，如圖3。在不考慮復(fù)合再生制動(dòng)系統(tǒng)外特性約束的條件下，當(dāng)實(shí)施最大能量回收策略下進(jìn)行復(fù)合制動(dòng)時(shí)，同時(shí)在滿足ECE制動(dòng)法規(guī)規(guī)定下，復(fù)合制動(dòng)力下邊界線與ECE制動(dòng)法規(guī)邊界線相切，即圖3中AB線。當(dāng)緊急制動(dòng)(z>0.7)時(shí)，制動(dòng)模式為純液壓制動(dòng)，為了保證前輪不抱死，這時(shí)分配曲線應(yīng)沿制動(dòng)強(qiáng)度z=0.7的f線上升至與β線相交，即圖3中BC線。

圖3 ECE制動(dòng)法規(guī)前、后軸制動(dòng)力分配曲線

2.1.3 電機(jī)特性約束

由電機(jī)特性可知，汽車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩受到電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩、最大功率、轉(zhuǎn)速和效率的約束，即：

(6)

式中：Tmax為不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩；Te為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；Pe為電機(jī)最大功率；η為電機(jī)發(fā)電效率。

2.1.4 儲(chǔ)能裝置約束

復(fù)合儲(chǔ)能裝置由鉛酸電池與超級(jí)電容并聯(lián)而成。汽車執(zhí)行再生制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的反向電流給超級(jí)電容器充電，超級(jí)電容器存儲(chǔ)回饋的再生能量，直至超級(jí)電容充滿，倘若仍有制動(dòng)需求，系統(tǒng)則發(fā)送命令驅(qū)動(dòng)電池回收能量。根據(jù)復(fù)合儲(chǔ)能裝置使用安生性和使用壽命，應(yīng)該考慮SOC和使用溫度來約束充電電流。

(7)

(8)

式中：Imax_soc為SOC限制下儲(chǔ)能元件最大允許充電電流，A；Imax_permit為儲(chǔ)能元件最大允許充電電流，A；Imax_T為溫度限制下儲(chǔ)能元件最大允許充電電流，A；Tpermit為儲(chǔ)能元件允許最高工作溫度，℃。

2.2 控制策略

混合動(dòng)力汽車在制動(dòng)狀態(tài)下，車輛常常工作于多種制動(dòng)模式的相互切換，為了提高汽車制動(dòng)舒適性，在制動(dòng)模式切換過程中應(yīng)盡量使液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的制動(dòng)力滿足駕駛員制動(dòng)力的需求，這就要求對(duì)復(fù)合制動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。為了有效地對(duì)混合動(dòng)力車輛制動(dòng)力進(jìn)行控制和最大化回收制動(dòng)能量，筆者提出了基于分層控制的混合動(dòng)力汽車復(fù)合制動(dòng)協(xié)調(diào)策略。

圖4為混合動(dòng)力汽車制動(dòng)系統(tǒng)的分層控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。共分為3層：管理層，協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層。

圖4 復(fù)合制動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)

管理層為駕駛員模型，基于路面信息(車輛行駛參數(shù))以及2.1節(jié)中的4個(gè)約束條件，汽車駕駛員所期望的車輛制動(dòng)力是通過制動(dòng)踏板傳感器來反映的，這同時(shí)也體現(xiàn)了駕駛員的制動(dòng)意圖。

協(xié)調(diào)層主要包括制動(dòng)力分配控制策略和制動(dòng)力動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略。制動(dòng)力分配控制策略是根據(jù)管理層的制動(dòng)意圖和車輛運(yùn)行狀態(tài)來確定整車制動(dòng)需求力矩，將整車需求制動(dòng)力矩和電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)行比較分析，確定車輛的制動(dòng)模式，然后按相應(yīng)制動(dòng)模式對(duì)車輛的前后軸制動(dòng)力的分配，再根據(jù)電機(jī)和電池的工作狀態(tài)將前軸制動(dòng)力分配給液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)。

執(zhí)行層主要包括液壓制動(dòng)系統(tǒng)及其控制器和電機(jī)及其控制器，主要是利用協(xié)調(diào)層所發(fā)出的電機(jī)制動(dòng)力命令和液壓制動(dòng)力命令分別對(duì)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，所得到的實(shí)際的電機(jī)制動(dòng)力和實(shí)際的液壓制動(dòng)力反饋給協(xié)調(diào)層，供協(xié)調(diào)層控制所用。

根據(jù)汽車駕駛員制動(dòng)意圖、約束條件、需求制動(dòng)力大小、電池荷電狀態(tài)SOC的大小和制動(dòng)強(qiáng)度大小等汽車運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)可以判斷制動(dòng)系統(tǒng)的工作模式。常規(guī)制動(dòng)模式控制原理是當(dāng)制動(dòng)意圖為輕微制動(dòng)時(shí)，并且車速較低時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)性需求，則進(jìn)行電機(jī)再生制動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)意圖為緊急制動(dòng)，并且車速較高時(shí)，考慮制動(dòng)安生性，則進(jìn)行純液壓制動(dòng)；其它情況需要對(duì)制動(dòng)強(qiáng)度、SOC、車速、電機(jī)及儲(chǔ)能裝置特性等進(jìn)行綜合判斷，以確定制動(dòng)模式，汽車復(fù)合制動(dòng)控制策略流程如圖5。

圖5 復(fù)合制動(dòng)控制策略流程

3 復(fù)合制動(dòng)力協(xié)調(diào)控制仿真試驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)

筆者利用MATLAB/Simulink仿真工具對(duì)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行仿真分析，所使用的車輛相關(guān)參數(shù)如表1～表4。

表1 車輛常規(guī)技術(shù)參數(shù)

表2 電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

表3 電池與超級(jí)電容相關(guān)參數(shù)

表4 常規(guī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

3.2 仿真分析

仿真試驗(yàn)是假設(shè)地面附著力足夠(筆者選取地面附著力為0.7)，這時(shí)車輛無滑移，即汽車制動(dòng)不需要進(jìn)行防抱死制動(dòng)控制。仿真初始速度選取50 km/h，筆者根據(jù)制動(dòng)效能劃分將制動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)分為輕度制動(dòng)、中度制動(dòng)、重度制動(dòng)3種，仿真試驗(yàn)選取制動(dòng)強(qiáng)度大小分別為0.1(輕度制動(dòng))，0.3(中度制動(dòng))，0.7(重度制動(dòng))。

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度為0.1時(shí)，SOC為0.18時(shí)，車輛前軸制動(dòng)力主要由電機(jī)再生制動(dòng)力提供，在車速

圖6 制動(dòng)強(qiáng)度為0.1時(shí)的仿真結(jié)果

車輛在中等制動(dòng)強(qiáng)度為0.3時(shí)，汽車制動(dòng)狀態(tài)處于液壓摩擦制動(dòng)與電機(jī)再生制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)模式，該復(fù)合制動(dòng)模式下的仿真結(jié)果如圖7。由于電機(jī)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同，當(dāng)兩者一同進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)力很難相互補(bǔ)償以滿足駕駛員的制動(dòng)需求，這就導(dǎo)致需求制動(dòng)力與實(shí)際制動(dòng)力存在較大誤差，這時(shí)制動(dòng)舒適性較差。由圖7可見，協(xié)調(diào)控制后，制動(dòng)力誤差有較大改善，協(xié)調(diào)控制后制動(dòng)力誤差由原來的±32 N·m改善為±5 N·m。因此該模式下的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過層次協(xié)調(diào)控制后提高了制動(dòng)舒適性。

圖7 制動(dòng)強(qiáng)度為0.3時(shí)的仿真結(jié)果

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度為0.7時(shí)，由于需求制動(dòng)力較大，制動(dòng)時(shí)間較短，為了保證車輛的穩(wěn)定性，此時(shí)車輛進(jìn)入純液壓制動(dòng)模式，該模式下的仿真結(jié)果如圖8。從圖8可見，純液壓制動(dòng)模式中由于關(guān)閉電機(jī)系統(tǒng)，這就導(dǎo)致車輛制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)變慢，這使制動(dòng)力矩誤差較大，影響了制動(dòng)舒適性。協(xié)調(diào)控制后制動(dòng)力誤差由原來的±483 N·m改善為±25 N·m。因此該模式下的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過層次協(xié)調(diào)控制后提高了制動(dòng)舒適性。

圖8 制動(dòng)強(qiáng)度為0.7時(shí)的仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

筆者利用設(shè)計(jì)的雙電機(jī)前軸復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，以前后軸制動(dòng)力分配比例、ECE制動(dòng)法規(guī)、電機(jī)特性、儲(chǔ)能裝置特性等因素為約束條件，對(duì)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)力分配策略進(jìn)行研究，并提出了復(fù)合制動(dòng)力層次協(xié)調(diào)控制策略，以滿足駕駛員的制動(dòng)需求和制動(dòng)舒適性。

基于MATLAB/Simulink對(duì)汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行無滑移的多制動(dòng)模式進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，筆者的基于多約束條件下對(duì)汽車復(fù)合制動(dòng)力層次協(xié)調(diào)控制策略，可以降低制動(dòng)力誤差，提高制動(dòng)舒適性。

[1] 俞劍波,何仁.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車混合制動(dòng)技術(shù)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,32(4):705-711. Yu Jianbo,He Ren.Hybrid braking technology for hybrid electric vehicle [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2013,32(4):705-711.

[2] 尹安東,趙韓,張炳力.微型電動(dòng)轎車制動(dòng)能量回收及控制策略的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31(11):1760-1764. Yin Andong,Zhao Han,Zhang Bingli.Study on regenerative braking and control strategy for electric vehicles[J].Journal of Hefei University of Technology,2008,31(11):1760-1764.

[3] Zhang Junzhi,Lu Xin,Xue Junliang.Regenerative braking system for series hybrid electric city bus[J].The World Electric Vehicle Journal,2008,2(4):128-134

[4] 蔣勵(lì).基于理想制動(dòng)力分配曲線的復(fù)合制動(dòng)設(shè)計(jì)[J].汽車科技,2006(1):23-29. Jiang Li.Compound brake design based on ideal braking force distribution [J].Vehicle Science and Technology,2006 (1):23-29.

[5] 余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010. Yu Zhisheng.Vehicle Theory[M].5th Ed.Beijing:Mechanical Industry Press,2010.

[6] 秦大同,鄧濤,楊陽,等.基于前向建模的ISG型CVT混合動(dòng)力系統(tǒng)再生制動(dòng)仿真研究[J].中國機(jī)械工程,2008,19(5):618-624. Qin Datong,Deng Tao,Yang Yang,et al.Regenerative braking simulation research for CVT hybrid electric vehicle with ISG based on forward modeling [J].China Mechanical Engineering,2008,19(5):618-624.

[7] 耿聰,劉溧,張欣,等.EQ6110混合動(dòng)力電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究[J].汽車工程,2004,26(3):253-256. Geng Cong,Liu Li,Zhang Xin,et al.A Study on control strategy for regenerative braking in EQ6110 hybrid electric vehicle[J].Automotive Engineering,2004,26(3):253-256

[8] 李蓬,金達(dá)鋒,羅禹貢,等.輕度混合動(dòng)力汽車制動(dòng)能量回收控制策略研究[J].汽車工程,2005,27(5):570-574. Li Peng,Jin Dafen,Luo Yugong,et al.Regenerative braking control strategy for a mild HEV[J].Automotive Engineering,2005,27(5):570-574.

[9] 趙國柱,楊正林,魏民祥,等.基于ECE法規(guī)的電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略的建模與仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2008,32(1):149-152. Zhao Guozhu,Yang Zhenglin,Wei Minxiang,et al.ECE regulation based modeling and simulation of control strategy for regenerative braking in EV and HEV[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering,2008,32(1):149-152.

Coordinated Control Optimization of Composite Braking System of Hybrid Electric Vehicle with Multi-Constraints

Huang Daxing

(School of Automobile, Shaoguan University, Shaoguan 512005, Guangdong, China)

In view of the current existing problems of related to motor regenerative braking and hydraulic friction braking work together, composite brake system with double motor was designed. Based on hierarchical control, a braking force distribution strategy of composite braking system was developed, considering the restriction of the distribution ratio of braking force upon front and rear, ECE braking regulation, motor characteristic and energy storage characteristic, etc. Finally the simulation of control strategy of composite braking system in MATLAB/Simulink environment was done under three operating modes. The results indicate friction braking system and motor regenerative braking system can work coordinately and steadily in various operating mode under the regenerative braking control strategy, and show that the error of composite braking force and braking force driver demand reduce significantly, vehicle brake comfort has improved greatly.

vehicle engineering; composite braking force; multi-constraints; hierarchical control; coordinated control

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.29

2013-12-12；

2014-03-17

韶關(guān)市科技計(jì)劃項(xiàng)目〔韶財(cái)教(2012)105號(hào)〕；江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(QC200804)

黃大星(1979—)，男，江西永豐人，講師，碩士，主要從事汽車節(jié)能控制技術(shù)方面的研究。E-mail：huangdaxing2007@163.com。

U463.53

A

1674-0696(2015)03-146-06