劉 剛，于匯泳，侯鎖軍

輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)防抱死協(xié)調(diào)控制及舒適性研究

劉 剛，于匯泳，侯鎖軍

（河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

車輛動(dòng)力學(xué)；防抱死控制系統(tǒng)（ABS）；滑模控制算法；復(fù)合制動(dòng)

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展，可以有效應(yīng)對(duì)汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染等問題。電動(dòng)汽車多采用制動(dòng)能量回收技術(shù)以有效節(jié)省能源，但制動(dòng)能量回收技術(shù)中的電機(jī)制動(dòng)存在轉(zhuǎn)矩不足的問題，多數(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)采用液壓-電機(jī)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)來改善這一問題。

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛深入的研究。美國(guó)研究者對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)四個(gè)車輪制動(dòng)力分配進(jìn)行了研究；韓國(guó)研究者提出了基于最優(yōu)解的電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力分配方法，并進(jìn)行了仿真和實(shí)車實(shí)驗(yàn)[1]；國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)控制策略[2]；清華大學(xué)研究者針對(duì)電動(dòng)汽車駕駛員的制動(dòng)意圖以及再生能源回收問題設(shè)計(jì)了基于最優(yōu)控制的控制策略[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者多針對(duì)電動(dòng)汽車的再生能量回收問題進(jìn)行研究，而對(duì)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)以及舒適性問題研究較少。在液壓制動(dòng)-電機(jī)復(fù)合制動(dòng)方面，液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)之間存在相互干涉的現(xiàn)象而導(dǎo)致再生制動(dòng)能量回收率低，且會(huì)造成電動(dòng)汽車制動(dòng)安全性低的問題。在舒適性方面，傳統(tǒng)車燃油車由于液壓制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輪缸壓力出現(xiàn)頻繁變化，因而產(chǎn)生噪聲大和制動(dòng)踏板抖動(dòng)的問題，影響汽車制動(dòng)舒適性。針對(duì)復(fù)合制動(dòng)協(xié)調(diào)控制問題和舒適性問題，本文進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 控制策略總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的分布式輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，兩大制動(dòng)系統(tǒng)包括了輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓調(diào)節(jié)單元、踏板行程傳感器、電機(jī)及逆變器控制單元、再生制動(dòng)控制器等模塊。液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要是由電磁閥來控制制動(dòng)液流入制動(dòng)輪缸的流量。電機(jī)再生制動(dòng)的控制主要是由再生制動(dòng)控制器來實(shí)現(xiàn)。

在分布式輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中，液壓制動(dòng)子系統(tǒng)是復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如圖2所示。液壓子系統(tǒng)包括傳統(tǒng)燃油車的制動(dòng)操作機(jī)構(gòu)和液壓調(diào)節(jié)單元。其中的液壓調(diào)節(jié)單元有別于傳統(tǒng)車防抱死控制系統(tǒng)（Anti-lock brake system，ABS）液壓調(diào)節(jié)單元，液壓調(diào)節(jié)單元由兩個(gè)高壓蓄能器和2個(gè)回路控制閥構(gòu)成，回路控制閥通過配合高壓蓄能器來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)液的通斷，從而產(chǎn)生復(fù)合制動(dòng)的基礎(chǔ)制動(dòng)力矩。高壓蓄能器在液壓制動(dòng)時(shí)主要有兩個(gè)作用：一是當(dāng)處于純電機(jī)制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩制動(dòng)踏板產(chǎn)生的制動(dòng)液暫時(shí)存儲(chǔ)在高壓蓄能器中；二是當(dāng)輪轂電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)存在制動(dòng)力不足或者制動(dòng)故障問題時(shí)，存儲(chǔ)在高壓蓄能器中的制動(dòng)液能夠迅速通過回路控制閥流入制動(dòng)輪缸，實(shí)現(xiàn)車輛的目標(biāo)制動(dòng)力需求。

汽車在制動(dòng)中，所需的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般低于200N.m，而輪轂電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩高達(dá)360N.m，因此輪轂電機(jī)可滿足制動(dòng)需求。在高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，ABS介入，液壓制動(dòng)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)力矩，輪轂電機(jī)制動(dòng)則依據(jù)當(dāng)前制動(dòng)工況進(jìn)行制動(dòng)力矩調(diào)節(jié)，避免輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車出現(xiàn)抱死狀況。ABS介入時(shí)以電機(jī)制動(dòng)為主，以減少液壓制動(dòng)力調(diào)節(jié)，避免制動(dòng)液在增壓過程中出現(xiàn)流體噪聲和制動(dòng)踏板振動(dòng)情況，這樣可有效改善輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車ABS介入時(shí)的舒適性。ABS協(xié)調(diào)控制策略如圖3所示，車輛制動(dòng)時(shí)所需的總制動(dòng)力矩smc由滑模算法根據(jù)車輛狀態(tài)參數(shù)和車輪輪速計(jì)算得到，總制動(dòng)力矩中輪轂電機(jī)制動(dòng)力和液壓系統(tǒng)制動(dòng)力之間的比例由模糊算法依據(jù)制動(dòng)踏板位移和電池SOC（電荷狀態(tài)參數(shù)，state of charge）值確定。輪轂電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力依據(jù)比例作用于輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車的車輪上，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和ABS介入。

圖1 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)架構(gòu)圖

圖2 液壓制動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖3 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制策略架構(gòu)圖

2 電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)防抱死協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)模式判斷

圖4 駕駛員制動(dòng)強(qiáng)度判斷流程圖

2.2 基于滑模算法的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

高強(qiáng)度制動(dòng)往往伴隨著ABS介入，此時(shí)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制器依據(jù)當(dāng)前制動(dòng)工況下的車輛狀態(tài)參數(shù)，利用滑模算法，來計(jì)算當(dāng)前車輛所需的制動(dòng)總轉(zhuǎn)矩。車輪模型采用單輪模型，如圖5所示，依據(jù)動(dòng)力學(xué)理論，可知車輪在制動(dòng)工況下的方程為：

縱向制動(dòng)力和滑移率可以表示為：

滑模算法的切換函數(shù)可以表示為：

整理可得：

式中，為消除滑模算法引起抖振時(shí)的邊界層。

2.3 基于模糊數(shù)學(xué)的制動(dòng)力分配比例計(jì)算

依據(jù)上述分析可知，制動(dòng)踏板行程和電池SOC越小，說明電機(jī)制動(dòng)在總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩中的占比越高，從而越能保證高效回收能量，因此模糊規(guī)則如表1所示。

圖6 輸入變量1隸屬度函數(shù)圖

圖7 輸入變量2隸屬度函數(shù)圖

表1 模糊控制規(guī)則

3 軟件聯(lián)仿

本文搭建了基于Matlab/Simulink、Carsim車輛仿真軟件和Lab Amesim液壓仿真軟件的聯(lián)合仿真平臺(tái)。整個(gè)軟件聯(lián)合仿真平臺(tái)架構(gòu)如圖8所示。制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略部分和輪轂電機(jī)模型均采用Matlab/Simulink軟件建模，液壓調(diào)節(jié)單元采用Lab Amesim建模，電動(dòng)汽車模型采用Carsim建模。制動(dòng)輪缸壓力控制和輪缸估計(jì)模塊具體算法及建模參考文獻(xiàn)[4]，傳感器和觀測(cè)器算法參考文獻(xiàn)[5]。仿真驗(yàn)證分別進(jìn)行了高低兩種附著路面的緊急制動(dòng)驗(yàn)證。

圖8 復(fù)制制動(dòng)控制策略聯(lián)合仿真驗(yàn)證方案

3.1 低附著路面制動(dòng)驗(yàn)證

圖9 低附著工況車輛參考車速和輪速數(shù)據(jù)曲線

圖10 低附著工況滑移率曲線

圖11 低附著工況車輛加速度曲線

圖12 前后軸電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

3.2 高附著路面制動(dòng)驗(yàn)證

第二組仿真主要是模擬在高附著路面高速行駛的汽車緊急制動(dòng)工況，車輛制動(dòng)初速度為117Km/h，路面附著系數(shù)為0.8。從圖13可以看出，從1s開始直到制動(dòng)結(jié)束，車輛輪速始終密切跟蹤車速。圖14所示為滑移率，表明四個(gè)車輪均未出現(xiàn)車輪抱死。圖15所示表明電動(dòng)汽車加速度為-7.8m/s2左右。圖16所示為前后軸電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線，可以看出在ABS介入前期，液壓制動(dòng)始終以基礎(chǔ)制動(dòng)為主，主要依靠電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)速，液壓輪缸壓力基本保持不變，此時(shí)電磁閥無動(dòng)作，制動(dòng)踏板不會(huì)跟隨輪缸壓力變化產(chǎn)生高頻振動(dòng)，增強(qiáng)了制動(dòng)踏板的舒適性。

圖13 高附著工況車輛參考車速和輪速數(shù)據(jù)曲線

圖14 高附著工況滑移率曲線

圖15 高附著工況車輛加速度

圖16 前后軸電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)論

[1] KIM S H，KWON O J，HYON D，et al. Regenerative braking for fuel cell hybrid system with additional generator[J]. International journal of hydrogen energy，2013，38(20): 8415-8421.

[2] 姚亮，初亮，周飛鯤，等.純電動(dòng)轎車制動(dòng)能量回收節(jié)能潛力仿真分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013(1):6-11.

[3] 羅禹貢，李蓬. 基于最優(yōu)控制理論的制動(dòng)能量回收策略研究[J].汽車工程，2006，28（4）：356-360.

[4] 劉剛，徐文博，靳立強(qiáng).輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車液壓執(zhí)行單元的壓力估計(jì)與控制方法研究[J].汽車工程，2019 (10):6-11.

[5] 劉剛，靳立強(qiáng).基于多模型交互的復(fù)雜工況下車輛狀態(tài)估計(jì)[J]. 汽車工程，2018(5):122-129.

Research on Anti-lock Braking Coordinate Control System and Comfort of Electric Vehicle

LIU Gang，YU Hui-yong，HOU Suo-jun

(Department of Automotive Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

Aiming at the coordination control and comfort problem of the motor hydraulic composite brake system of the hub driven electric vehicle， a control strategy based on the sliding mode variable structure control algorithm and fuzzy algorithm is proposed. Firstly， the total braking torque required by the electric vehicle is calculated by the sliding mode algorithm according to the vehicle state parameters. Then， according to the stroke of brake pedal and SOC（state of charge） value of battery， the distribution proportion of hydraulic braking and motor braking torque is calculated. The hydraulic braking torque is used as the basic braking， and the wheel slip rate is adjusted by motor torque to realize anti-lock control. Moreover， the brake comfort is improved by reducing the pressure change of hydraulic brake wheel cylinder. Matlab / Simulink， AMESim and CarSim software are used to simulate the high adhesion and low adhesion road respectively. The simulation results show that the anti-lock coordinated control strategy of the composite brake system is effective and improves the comfort of the anti-lock control intervention.

vehicle dynamics; ABS (Anti-lock braking system); sliding mode control algorithm; coordinated braking

U461.2

A

2096–7772(2020)02–0015–06

2019-12-24

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃（192102210063）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201901186011）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201901203004）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2016GGJS-196）

劉剛（1981―），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士，主要從事汽車底盤電子控制技術(shù)研究。

（責(zé)任編輯呂春紅）