梁巖巖，方 恩，盤朝奉，3，林俊良，陳 燎，戴 偉

（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013；2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 201804；3.江蘇大學(xué) 汽車工程研究院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013；4.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200120）

再生制動(dòng)是目前電動(dòng)汽車中應(yīng)用最廣泛且最重要的技術(shù)之一[1-2]， 但是，再生制動(dòng)系統(tǒng)的介入會(huì)對(duì)整車的制動(dòng)性能產(chǎn)生一定的影響，在很多情況下，單電機(jī)制動(dòng)滿足不了駕駛員的制動(dòng)需求，因此，需要由液壓與電機(jī)共同來(lái)提高需求制動(dòng)力[3-4]。現(xiàn)階段對(duì)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究主要分為兩個(gè)方面：一是再生制動(dòng)控制策略研究，盡量在制動(dòng)過(guò)程中多回收能量；二是機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制策略研究，保證制動(dòng)力能夠滿足駕駛員的制動(dòng)需求。

在國(guó)外，日本豐田公司針對(duì)混合動(dòng)力汽車開發(fā)了一套再生制動(dòng)系統(tǒng)，在制動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)與行車制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，并且能使汽車的節(jié)油率達(dá)到30%[5]。本田在HEV Insight 上搭載ISG 電機(jī)的再生制動(dòng)系統(tǒng)[6]，該車不僅使用機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)相配合的制動(dòng)控制技術(shù)，還通過(guò)采用控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度的雙制動(dòng)力分配系數(shù)控制策略，以提高其制動(dòng)能量回收的效率。日本東海大學(xué)的PEEIE 等對(duì)小型電動(dòng)汽車的防滑控制進(jìn)行了研究，主要分析了再生制動(dòng)力對(duì)摩擦制動(dòng)力滯后產(chǎn)生的影響，結(jié)合液壓機(jī)械復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)，提出了一種新的防滑控制仿真模型[7]。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)張俊智等通過(guò)多種控制策略的對(duì)比，提出了一種串聯(lián)式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了ABS 系統(tǒng)與再生制動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，并在dSPACE 實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)上搭建再生制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在保證制動(dòng)安全的前提下，能夠回收更多的能量[8-9]。同濟(jì)大學(xué)的王猛等開發(fā)了考慮電池和電機(jī)參數(shù)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行再生制動(dòng)回收試驗(yàn)，在日本1015 工況下的制動(dòng)能量回收率達(dá) 59.15%左右[10]。合肥工業(yè)大學(xué)的楊亞娟等對(duì)某種電機(jī)制動(dòng)力矩較小、響應(yīng)較快的電動(dòng)車進(jìn)行了研究，根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制定了常規(guī)制動(dòng)和防抱死制動(dòng)的控制策略，并搭建了實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證該控制策略，試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略能在滿足制動(dòng)安全性的要求下回收較多能量[11]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從控制策略上對(duì)電機(jī)或者液壓進(jìn)行控制，盡量多回收能量，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：

（1）分析并計(jì)算電機(jī)與液壓的解耦門限值，并且對(duì)制動(dòng)工況進(jìn)行分類。

（2）不同的制動(dòng)工況下設(shè)計(jì)不同的控制策略，盡量多回收制動(dòng)能量。

（3）在最大限度回收再生制動(dòng)能量的同時(shí)如何保證車輛的制動(dòng)性能。

以某電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮ECE-R 13 制動(dòng)法規(guī)要求以及最大程度發(fā)揮電機(jī)的制動(dòng)作用，提出了不同制動(dòng)工況下的制動(dòng)力分配策略，采用二位二通電磁閥進(jìn)行液壓的調(diào)節(jié)，并對(duì)不同制動(dòng)工況下的策略進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究為以超級(jí)電容為回收能量存儲(chǔ)裝置、ABS 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)提供試驗(yàn)與仿真的依據(jù)。

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

本文所選某電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)見表1。

綜合再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理[12-14]，本文制定了電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，如圖1 所示。

復(fù)合制動(dòng)控制單元根據(jù)踏板位移傳感器的信號(hào)，準(zhǔn)確地計(jì)算得出需求制動(dòng)力，根據(jù)整車控制器提供的電機(jī)狀態(tài)信息，復(fù)合制動(dòng)控制單元向整流橋發(fā)送控制信號(hào)，以此來(lái)控制再生制動(dòng)力的大小，同時(shí)也向液壓制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送電磁閥控制信號(hào)。其中，液壓制動(dòng)系統(tǒng)由2 個(gè)電磁閥和ABS 系統(tǒng)組成，兩個(gè)電磁閥位于主油路，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)電解耦，ABS 系統(tǒng)用于液壓的調(diào)節(jié)。本研究是串聯(lián)超級(jí)電容，制動(dòng)能量回收是通過(guò)整流橋?qū)⑷嘟涣麟娮兂芍绷麟娀厥战o超級(jí)電容。

表1 電動(dòng)汽車整車基本參數(shù)

圖1 電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 前后軸制動(dòng)力分配策略

2.1 滿足ECE 制動(dòng)法規(guī)和電機(jī)最大制動(dòng)力的前后軸制動(dòng)力分配

考慮本研究針對(duì)的是前軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，在滿足制動(dòng)需求的前提下，盡量將制動(dòng)力分配至前軸，即盡量保持制動(dòng)力分配系數(shù)β=1，但是要保證β=1 處在其合理的范圍之內(nèi)。對(duì)于M1類汽車，ECE-R13 制動(dòng)法規(guī)對(duì)車輛前、后軸制動(dòng)力分配曲線要求為當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z= 0.1 ～0.61時(shí)：

將β=1 與車輛的參數(shù)代入式（1）中，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度在z≤0.127 或z≥0.882 時(shí)，制動(dòng)力可以完全由前軸提供。但是考慮到大強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致車輪的抱死從而引發(fā)一些不必要的危險(xiǎn)，所以將z0=0.127 作為機(jī)電解耦的門限值。

在制定制動(dòng)力分配策略時(shí)，不僅需要考慮在符合ECE 法規(guī)的條件下機(jī)電解耦的門限值，同時(shí)還需要考慮電機(jī)的最大制動(dòng)力矩。電機(jī)的制動(dòng)特性曲線如圖2 所示，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系，可得電動(dòng)汽車所使用的電機(jī)最大制動(dòng)力矩為Tmax=40 Nm，則電機(jī)能夠提供的最大制動(dòng)強(qiáng)度

圖2 電機(jī)的制動(dòng)特性曲線

2.2 前后軸制動(dòng)力分配策略

前后軸制動(dòng)力分配需要滿足以下兩個(gè)要求：

（1）最大程度利用電機(jī)制動(dòng)。

（2）不改變車輛原有前后軸制動(dòng)力固定分配比例。

基于以上要求，本文的前后軸制動(dòng)力分配曲線如圖3 紅色線所示。

圖3 前后軸制動(dòng)力分配曲線

在圖3 中，本文所提出的曲線為折線OABC，其中，A 點(diǎn)為機(jī)電解耦的門限點(diǎn)，在A 點(diǎn)之前，制動(dòng)力全部由前軸電機(jī)制動(dòng)力提供。在AB 段中，保持前軸整體制動(dòng)力不變，增加后軸液壓制動(dòng)力直到恢復(fù)到原有的前后軸制動(dòng)力分配曲線，過(guò)了B 點(diǎn)之后，前后軸制動(dòng)力就按照車輛原有的制動(dòng)力分配曲線進(jìn)行。C 點(diǎn)作為緊急制動(dòng)的門限點(diǎn)，也就是說(shuō)，在BC 段進(jìn)行機(jī)電復(fù)合制動(dòng)，過(guò)了C 點(diǎn)之后，此時(shí)的制動(dòng)強(qiáng)度大于0.7，直接進(jìn)行液壓ABS 制動(dòng)。

圖4 為前軸液壓制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力的分配曲線。電機(jī)首先進(jìn)行制動(dòng)并逐漸增加到最大，即到達(dá)圖中A 點(diǎn)，由于電機(jī)不能維持在最大制動(dòng)力，所以為了時(shí)刻保證前軸制動(dòng)力不變，需要液壓制動(dòng)力介入，如圖中藍(lán)色線所示。圖4 中的AB 段對(duì)應(yīng)圖3 中的AB 段，當(dāng)達(dá)到B 點(diǎn)之后，前后軸的制動(dòng)力分配比例達(dá)到了原車前后軸制動(dòng)比例，之后前后軸制動(dòng)力就會(huì)按照原車前后軸制動(dòng)比例進(jìn)行分配。由于過(guò)了B 點(diǎn)之后，前軸制動(dòng)力開始逐漸增加，所以BC段的斜率明顯變大，當(dāng)?shù)竭_(dá)C 點(diǎn)之后，電機(jī)制動(dòng)力全部撤銷，只靠液壓制動(dòng)力來(lái)進(jìn)行制動(dòng)。

圖4 前軸制動(dòng)力分配曲線

依據(jù)上述分析，本文所制定的電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)控制策略如圖5 所示。

圖5 復(fù)合制動(dòng)控制策略流程

其中，F(xiàn)req表示總需求制動(dòng)力；Ff表示前軸制動(dòng)力；Fr表示后軸制動(dòng)力；Ffy表示前軸液壓制動(dòng)力；Freg表示電機(jī)制動(dòng)力；Fregmax表示最大電機(jī)制動(dòng)力。

3 制動(dòng)力分配策略仿真與試驗(yàn)分析

3.1 小強(qiáng)度制動(dòng)

首先對(duì)小強(qiáng)度（z＜0.1）制動(dòng)進(jìn)行仿真分析，在此工況下，僅進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)。讓車輛加速到30 km/h 左右開始進(jìn)行制動(dòng)，超級(jí)電容的初始電壓為10 V 左右，直到車輛停下來(lái)之后仿真結(jié)束，仿真圖如下。

圖6 小強(qiáng)度制動(dòng)整車制動(dòng)力仿真曲線

圖7 超級(jí)電容端電壓仿真

圖8 占空比控制信號(hào)仿真

圖9 需求制動(dòng)力與實(shí)際制動(dòng)力仿真對(duì)比

圖6 ～9 是小強(qiáng)度制動(dòng)工況下的仿真圖，隨著占空比信號(hào)的逐漸增加，電機(jī)制動(dòng)力跟隨需求制動(dòng)力變化，此時(shí)沒有液壓制動(dòng)，所以解耦電磁閥關(guān)閉。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不足以滿足需求制動(dòng)力，此時(shí)占空比達(dá)到最大，前輪解耦電磁閥打開，后輪不進(jìn)行制動(dòng)，液壓制動(dòng)力介入，超級(jí)電容端電壓升高。在此過(guò)程中可以看出實(shí)際制動(dòng)力能夠很好地滿足需求制動(dòng)力。

根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)行了電機(jī)小強(qiáng)度再生制動(dòng)力試驗(yàn)，結(jié)果如圖10 ～12 所示。

圖10 小強(qiáng)度制動(dòng)電機(jī)制動(dòng)力試驗(yàn)

圖11 小強(qiáng)度制動(dòng)占空比試驗(yàn)

圖12 小強(qiáng)度制動(dòng)超級(jí)電容端電壓試驗(yàn)

圖10 ～12 為最大電機(jī)制動(dòng)力矩相關(guān)信號(hào)的變化曲線。在剛開始時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力隨占空比的增加逐漸增加到需求制動(dòng)力，為了保持需求制動(dòng)力不變，占空比繼續(xù)增加，在此過(guò)程中，超級(jí)電容的端電壓逐漸增加。

3.2 中強(qiáng)度制動(dòng)

當(dāng)0.1 ＜z＜0.7，中強(qiáng)度制動(dòng)工況下，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)力不能完全滿足需求制動(dòng)力，在此種制動(dòng)工況下就需要進(jìn)行電機(jī)與液壓的復(fù)合制動(dòng)，電機(jī)以最大的制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)。在此仿真過(guò)程中，讓車輛加速到30 km/h 左右開始進(jìn)行制動(dòng)，超級(jí)電容的初始電壓為10 V 左右，直到車輛停下之后仿真結(jié)束，仿真圖如下。

圖13 中強(qiáng)度制動(dòng)整車制動(dòng)力仿真曲線

圖14 超級(jí)電容端電壓仿真

圖15 占空比控制信號(hào)仿真

圖16 需求制動(dòng)力與實(shí)際制動(dòng)力仿真對(duì)比

圖13 ～16 是中強(qiáng)度制動(dòng)工況下的仿真圖。在剛開始時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力隨占空比的增加逐漸增加到最大，占空比增加到1 時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力達(dá)到最大之后開始逐漸降低，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不能滿足需求制動(dòng)力時(shí)，解耦電磁閥打開。在此過(guò)程中，超級(jí)電容端電壓逐漸增大，當(dāng)占空比為100%時(shí)趨于穩(wěn)定，實(shí)際制動(dòng)力能夠很好地滿足需求制動(dòng)力。

根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)行了電機(jī)中強(qiáng)度再生制動(dòng)力試驗(yàn)和液壓制動(dòng)力試驗(yàn)，圖17 為中強(qiáng)度制動(dòng)下電機(jī)制動(dòng)力矩圖。在中強(qiáng)度液壓制動(dòng)試驗(yàn)中，由于晶閘管G 極的占空比始終為1，不需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而采取等效的試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)中測(cè)得的最大再生制動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為已知量，以中強(qiáng)度工況下的需求制動(dòng)力減去已知量作為液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的目標(biāo)制動(dòng)力，如圖18 所示，即在所提出的液壓制動(dòng)力控制策略下能夠使液壓制動(dòng)力按照?qǐng)D18 所示的曲線進(jìn)行變化，從而能夠證明所提出的液壓制動(dòng)力控制策略的有效性。但是液壓制動(dòng)力控制試驗(yàn)臺(tái)架中的壓力傳感器測(cè)得的單位是MPa，為了便于試驗(yàn)，將圖18等效成圖19進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖20所示。

圖17 中強(qiáng)度制動(dòng)電機(jī)制動(dòng)力矩試驗(yàn)

圖18 復(fù)合制動(dòng)液壓需求制動(dòng)力

圖19 復(fù)合制動(dòng)等效液壓需求制動(dòng)力

圖20 復(fù)合制動(dòng)液壓實(shí)際制動(dòng)力

3.3 緊急制動(dòng)

當(dāng)z＞0.7 時(shí)，在緊急制動(dòng)工況下，為了安全性以及蓄電池和超級(jí)電容的壽命考慮，不采取電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。本文設(shè)定0.2 為滑移率目標(biāo)值，仿真時(shí)讓車輛加速到60 km/h 開始進(jìn)行制動(dòng)，超級(jí)電容的初始電壓為10 V 左右，直到車輛停下來(lái)之后仿真結(jié)束，仿真圖如下。

圖21 緊急制動(dòng)整車制動(dòng)力仿真曲線

圖22 超級(jí)電容端電壓仿真

圖23 占空比控制信號(hào)仿真

圖24 前后輪滑移率仿真

圖21 ～24 是緊急制動(dòng)工況下的仿真圖，由于駕駛員踩踏板有一個(gè)過(guò)程，所以在前期很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)有電機(jī)制動(dòng)力的介入并迅速達(dá)到最大值，當(dāng)檢測(cè)到此次為緊急制動(dòng)時(shí)，電機(jī)撤出制動(dòng)，液壓開始介入，并且以0.2 作為目標(biāo)滑移率進(jìn)行制動(dòng)。超級(jí)電容的端電壓由于電機(jī)制動(dòng)力僅在前期很短的時(shí)間內(nèi)介入，最終超級(jí)電容的端電壓基本保持不變。整流橋G 極信號(hào)的占空比由于電機(jī)制動(dòng)力在前期很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最大，所以占空比也在很短的時(shí)間內(nèi)上升到1，但是在檢測(cè)為緊急制動(dòng)時(shí)，為了保護(hù)蓄電池、超級(jí)電容以及制動(dòng)的安全性，將占空比設(shè)置為0，即電機(jī)不進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)力全部由液壓提供。

根據(jù)仿真的結(jié)果，進(jìn)行了液壓緊急制動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)圖如下。

圖25 前后輪滑移率試驗(yàn)

圖26 前后輪轉(zhuǎn)速以及車速試驗(yàn)

圖27 前后輪制動(dòng)力試驗(yàn)

圖25 ～27 為緊急制動(dòng)時(shí)的前后輪滑移率、轉(zhuǎn)速以及制動(dòng)力矩的試驗(yàn)圖。根據(jù)控制策略中設(shè)定的滑移率，其保持在0.2 左右變化，轉(zhuǎn)速始終與車速保持著很小的滑移。

3.4 不同制動(dòng)強(qiáng)度結(jié)果分析

小強(qiáng)度制動(dòng)由于最后由液壓介入，所以最終車速以電機(jī)制動(dòng)力為0 時(shí)的速度計(jì)算。

根據(jù)式（2）和式（3），得到超級(jí)電容回收的能量以及車輛制動(dòng)消耗的總能量，得到回收率。

式中：E為超級(jí)電容回收的能量，J；C為超級(jí)電容的法拉值，F(xiàn)；U2為超級(jí)電容的末端電壓，V；U1為超級(jí)電容的初始電壓，V。

式中：EP為動(dòng)能的減少量，J；m為試驗(yàn)車的質(zhì)量，kg；v1為車輛初始速度，m/s；v2為車輛末速度，m/s。

根據(jù)表2 所分析的仿真數(shù)據(jù)，在小強(qiáng)度制動(dòng)與中強(qiáng)度制動(dòng)的仿真中，都是從幾乎相同的車速以及相同的超級(jí)電容端電壓開始進(jìn)行制動(dòng)的，中強(qiáng)度制動(dòng)由于電機(jī)以最大制動(dòng)力制動(dòng)，此過(guò)程中的能量回收率遠(yuǎn)高于小強(qiáng)度制動(dòng)過(guò)程。在小強(qiáng)度制動(dòng)中，僅電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，需求制動(dòng)力變大，能量回收率越來(lái)越大。到中強(qiáng)度制動(dòng)階段，電機(jī)以最大制動(dòng)力參與制動(dòng)，但是隨著需求制動(dòng)力的增加，電機(jī)在全部制動(dòng)力中所占的比例越來(lái)越小，所以在中強(qiáng)度制動(dòng)中，能量回收率會(huì)隨著需求制動(dòng)力的增加而減小。緊急制動(dòng)時(shí)，本研究采取不進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)的策略，所以沒有能量的回收。

表2 不同制動(dòng)強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)某電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了不同工況下的制動(dòng)力分配策略，并對(duì)其進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明了本文所設(shè)計(jì)的以超級(jí)電容為儲(chǔ)能裝置并以ABS 系統(tǒng)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的正確性，以及制動(dòng)力控制策略的有效性。在小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)電機(jī)能夠滿足駕駛員的需求制動(dòng)力，并且能量回收率能夠達(dá)到25%；在中強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)電機(jī)以最大制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)并且在最大限度回收能量的同時(shí)能夠使該系統(tǒng)滿足制動(dòng)性能，能量回收率能夠達(dá)到74%；在緊急制動(dòng)時(shí)能夠保證滑移率穩(wěn)定在0.2 并且使車速與轉(zhuǎn)速之間沒有太大的滑移，電機(jī)制動(dòng)力能夠迅速撤出制動(dòng)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)有以下兩個(gè)方面：（1）中強(qiáng)度制動(dòng)中采用數(shù)值模擬電機(jī)制動(dòng)力的方法將電機(jī)制動(dòng)力作為已知量輸入控制器進(jìn)行復(fù)合制動(dòng)力控制試驗(yàn)。（2）提出的控制策略在每種制動(dòng)強(qiáng)度下只需要對(duì)一種制動(dòng)方式進(jìn)行控制，這樣就減小了同時(shí)控制兩種制動(dòng)方式所帶來(lái)的不協(xié)調(diào)性。