陳葉葉

摘要： 本項目設(shè)計適用于一種純電動汽車的電液復(fù)合制動系統(tǒng)，采取并行控制策略的設(shè)計思路。分別在Carsim、MATLAB/Simulink仿真平臺搭建整車模型和控制策略模型，然后建立聯(lián)合仿真模型，并且在NEDC循環(huán)工況和緊急制動兩種工況下分別對其進(jìn)行仿真分析。

Abstract： The design of this project is suitable for an electro-hydraulic compound brake system of a pure electric vehicle， and adopts the design idea of parallel control strategy. The vehicle model and control strategy model were built on Carsim and MATLAB/Simulink simulation platforms respectively， and then a co-simulation model was established， and simulation analysis was performed on them under NEDC cycle conditions and emergency braking conditions.

關(guān)鍵詞： 純電動汽車;制動系統(tǒng);設(shè)計思路;電液復(fù)合

Key words： pure electric vehicle;brake system;design idea;electro-hydraulic compound

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0215-03

1? 研究意義

目前無論是汽車行業(yè)還是消費者都追求汽車能耗低，而現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是傳統(tǒng)汽、柴油發(fā)動機正朝著小排量的方向發(fā)展，混合動力及純電動汽車正朝著節(jié)油減排的方向發(fā)展，但是目前新的汽車動力總成不能夠為其提供持續(xù)穩(wěn)定的制動真空助力源，而且對于配有驅(qū)動電機的混合動力汽車、純電動汽車，真空助力系統(tǒng)已經(jīng)無法車輛在制動是對驅(qū)動電機的阻力控制以及制動時的能量回收。

為了彌補目前傳統(tǒng)助力系統(tǒng)的不足，先后研究出兩種不依賴于真空助力的形式的制動系統(tǒng)。其中一種為高壓蓄能的制動方式，當(dāng)車輛緊急制動時，存儲在蓄能器中的高壓儲能媒介會被釋放出來，瞬時將駕駛員所需要的制動助力能力釋放出來，另外一種便是利用電機驅(qū)動機械傳動裝置為主缸提供減壓能力。上述兩種類型各存在優(yōu)缺點，第一類的高壓蓄能方式，對高壓媒介的儲存有較高的要求，存在一定的安全隱患，特別是在車輛發(fā)生交通事故時，對駕駛員、乘客造成二次傷害。第二種助力系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成部分較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對其穩(wěn)定輸出有較高的要求而且由于機械傳動系統(tǒng)特性，踏板與主缸的解耦很難實現(xiàn)，對于回收制動能量存在一定的難度。

本項目設(shè)計適用于一種純電動汽車的電液復(fù)合制動系統(tǒng)，采取并行控制策略的設(shè)計思路。分別在Carsim、MATLAB/Simulink仿真平臺搭建整車模型和控制策略模型，然后建立聯(lián)合仿真模型，并且在NEDC循環(huán)工況和緊急制動兩種工況下分別對其進(jìn)行仿真分析。

2? 國內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀

國內(nèi)外多位知名學(xué)者對電液復(fù)合制動系統(tǒng)做了許多研究，主要研究內(nèi)容包括制動系統(tǒng)方案設(shè)計、控制策略研究、仿真分析以及試驗驗證等方面。

2.1 國外研究現(xiàn)狀? 豐田公司在混動汽車Prius中建立了一套電液復(fù)合制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，在此系統(tǒng)中利用制動踏板模擬器實現(xiàn)解耦與液壓力和踏板力，在該系統(tǒng)內(nèi)包含ABS和安全制動模式，在該研究的系統(tǒng)中也存在一定的缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研究成本較高;博世公司開發(fā)的復(fù)合制動系統(tǒng)采用制動驅(qū)動單元和制動壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)真空助力結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)通過市場的檢驗;GUANG等提出了一種電機減速機構(gòu)為主的EHB系統(tǒng)，可以實現(xiàn)制動踏板與制動力的解耦，并進(jìn)行了試驗驗證，但也存在一定的缺點，未將ABS考慮在內(nèi)。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀? 劉曦東等人采用并行再生控制算法，該算法不僅可以有效控制液壓制動力而且能夠準(zhǔn)確分配制動力，還進(jìn)一步對半實物進(jìn)行了仿真，但是也存在缺點，該研究所設(shè)計的比例溢流閥很難實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo);李玉芳和吳炎花等人在設(shè)計過程中考慮到了制動法規(guī)、制動穩(wěn)定性、電機特性及制動舒適性，并提出了理想制動力分配策略，也進(jìn)行了城市循環(huán)工況仿真，但也存在缺點，忽視了動力電池因電量過高而引起的過充電保護;王權(quán)等研究者利用仿真平臺AMESim搭建了一種電動汽車復(fù)合制動整車模型，并且對串聯(lián)和并聯(lián)再生制動力分配策略分別進(jìn)行了純制動工況的仿真，目的是研究影響制動能量回收的因素，但是也存在缺點，沒有在在城市循環(huán)工況模擬其運行工況。陳晉市等研究者建立1：1的實驗平臺，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)果驗證了該套全新制動系統(tǒng)應(yīng)用性很可靠，但是此研究僅僅局限于全電驅(qū)越野車，市面上普通電動汽車并不適用。徐國勝等研究者研究的是一款純電動汽車的制動能量回收系統(tǒng)，重點研究分析了純電動車串行制動能量回收系統(tǒng)，研究結(jié)果證明了當(dāng)汽車處于制動、減速階段，機械-液壓制動力與電機回饋制動力能夠很好的進(jìn)行實時協(xié)調(diào)，回收得到最大的制動能量，而且能夠切實感受到制動穩(wěn)定性以及穩(wěn)定的“踏板感”，但是該研究的不足之處是單個ECE循環(huán)工況在經(jīng)濟性方面僅僅能夠貢獻(xiàn)28.9%。吳科甲等研究人員在環(huán)仿真試驗平臺上搭建了電動汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)硬件，在仿真軟件CarSim中搭建了車輛多體動力學(xué)模型、在仿真軟件Labview中搭建了車輛動力學(xué)控制模型、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及ESP泵控制系統(tǒng)。但是該研究針對的是汽車在極限工況下電液復(fù)合制動系統(tǒng)的能量回收情況，沒有普遍性。

雖然國內(nèi)外學(xué)者的上述研究工作取得了一定的成果，但是研究過程中的技術(shù)方案、實驗平臺、技術(shù)參數(shù)等方面不盡相同，而且運用的研究方法和技術(shù)并未得到廣泛證實和推廣，因此存在一定的局限性，所以基礎(chǔ)理論知識和先進(jìn)科技技術(shù)仍然需要進(jìn)一步探索和挖掘。

2016年發(fā)布的《浙江省能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和17年發(fā)布的《浙江省“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中均明確指出把節(jié)能減排作為優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、推動生態(tài)文明建設(shè)、加快“兩美”浙江建設(shè)的重要抓手和突破。

綜上所述，提高新能源汽車的能量回收是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題和熱點問題，其中基于“四省通衢、五路總頭”之稱的衢州市新能源汽車技術(shù)的改進(jìn)便成為重要研究方向。目標(biāo)是實現(xiàn)新能源純電動汽車制動能量回收綠色智能大發(fā)展。這一研究不僅在新能源汽車領(lǐng)域具有重大意義，在其他具有制動系統(tǒng)的上設(shè)備上能夠被廣泛的應(yīng)用和普及。

3? 研究內(nèi)容

3.1 電液復(fù)合制動系統(tǒng)方案設(shè)計? 電液復(fù)合制動系統(tǒng)把電機當(dāng)做液壓制動力來源，利用電機的轉(zhuǎn)動力來助力踏板力，利用技術(shù)比較成熟的踏板力模擬器來解耦踏板力與制動力，從而實現(xiàn)將準(zhǔn)確的制動反饋感覺傳遞給給駕駛員。制動系統(tǒng)主要由踏板力形成模塊、壓力產(chǎn)生模塊和壓力調(diào)節(jié)模塊組三大部分組成。

3.2 制動力分配控制策略設(shè)計? 當(dāng)今最流行的電動汽車制動控制策略主要有以下三種：最佳制動效果控制策略、最優(yōu)能量回收控制策略和并行制動控制策略。本項目研究者通過分析對比得出并行制動控制策略的設(shè)計與本項目研究的電液復(fù)合制動系統(tǒng)更匹配，只需要將再生制動力加在汽車的前軸便能實現(xiàn)制動力分配，方法簡單且成本低，而且能夠很好的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。所以本項目研究者共同決定采用并行控制策略的設(shè)計思路。

3.3 仿真模型搭建? 由于設(shè)計者比較熟練運用仿真軟件Carsim和MATLAB/Simulink，因此，使用以上兩個軟件來搭建電液復(fù)合制動系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，主要包括整車、電機、電機控制器、動力電池、變速箱、駕駛員、VCU和制動力控制策略模型。利用仿真軟件Carsim搭建整車模型，同時整車模型作為試驗制動性能的一個載體;在仿真軟件MAT-LAB/Simulink中搭建其他與制動系統(tǒng)相關(guān)的模型。

3.4 聯(lián)合仿真分析? 根據(jù)電液復(fù)合制動系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，對NEDC汽車循環(huán)測試工況進(jìn)行仿真分析。由于緊急制動工況在NEDC汽車循環(huán)測試工況中沒有設(shè)計，那么在仿真過程中就需要加入緊急制動工況，這樣做的目的是為了驗證當(dāng)車輛緊急制動過程中ABS防抱死制動系統(tǒng)加入其中的一個工作狀態(tài)。為了證整車模型搭建的合理性、整車制動性能以及在制動過程中所能回收到多少能量，因此把汽車行駛速度、制動跑偏值、滑移率、制動主缸壓力、制動輪缸壓力、SOC電池電量作為聯(lián)合仿真模型性能測試的評價指標(biāo)。

4? 研究方案

4.1 電液復(fù)合制動系統(tǒng)方案設(shè)計? 制動系統(tǒng)組成部分：踏板力形成模塊、壓力產(chǎn)生模塊和壓力調(diào)節(jié)模塊，其中在踏板力形成模塊中踏板位置傳感器、踏板工作缸壓力傳感器是用來收集踏板開度信息、駕駛員的制動需求信息，踏板模擬器的功能是為駕駛?cè)颂峁┓答佒苿痈惺堋．?dāng)制動系統(tǒng)失效時，踏板力形成模塊將踏板力引入到壓力產(chǎn)生模塊當(dāng)中，采用人力制動，確保此種情況下的制動安全。壓力產(chǎn)生模塊的作用主要是根據(jù)來自踏板力形成模塊的制動壓力信號利用助力電機和其他機構(gòu)，在制動主缸內(nèi)產(chǎn)生與之匹配的制動壓力，實現(xiàn)踏板力與制動力的解耦。壓力調(diào)節(jié)模塊的主要功能是將主缸所傳出的制動壓力分配給4個輪缸，在緊急制動時通過切換4個電磁閥的通斷來調(diào)節(jié)在各輪缸的壓力。（圖1）

4.2 電液復(fù)合制動系統(tǒng)制動力分配控制策略設(shè)計? 具體控制策略為：①當(dāng)駕駛員踩制動踏板時，車速傳感器和制動踏板傳感器分別將汽車行駛速度和踏板位置信號傳遞給VCU，VCU通過此信號判斷駕駛員的意向。②由于汽車在緊急制動時需要的制動力較大，如果只靠電機再生制動無法達(dá)到理想的制動狀態(tài)，為了提高汽車在制動過程中的安全性，本設(shè)計的方案是當(dāng)汽車在緊急制動時，不采用電機再生制動。根據(jù)實際道路測試的結(jié)果，將z的值等于0.7設(shè)定為汽車制動的電液復(fù)合與ABS制動相互切換的判斷點。當(dāng)z的值大于0.7時，制動策略將其定義為強度制動，此時啟動純機械液壓制動模式，此模式包括ABS緊急制動;當(dāng)z的值小于0.7時，控制策略通過監(jiān)控電池的電量，從而做出對電池的保護策略。為了避免電池因過充電而導(dǎo)致不可不可挽回的破壞，該控制策略設(shè)定了SOC的值，當(dāng)SOC值大于0.8時，制動系統(tǒng)采用純機械液壓制動模式，當(dāng)SOC值在0.8以下時，控制策略就會判斷此時的制動處于中低強度的制動。③根據(jù)ECE法規(guī)的規(guī)定，汽車的制動強度大于0.1時，汽車的前軸和后軸同時參與車輛制動，因此把z=0.1設(shè)定為電機再生制動與電液混合制動切換的點。當(dāng)z的值小于0.1時，整車制動系統(tǒng)采取電機再生制動模式，汽車在制動過程中，車輛的前輪由電機再生制動提供制動力，后輪只有在停車、駐車時參與制動。當(dāng)z的值在0.1～0.7范圍內(nèi)時，此時采用并行控制策略，后輪采用機械液壓制動，整車控制器通過計算得出前輪所需要的制動力，如果前輪的所需的制動力只需要再生制動就可以滿足的需求的話，前輪將由再生制動單獨制動，如果再生制動無法滿足前輪所需制動，則需要機械液壓制動同時參與前輪制動，那么此時的前輪制動由再生制動和液壓制動共同參與制動，此時汽車進(jìn)入電液混合制動模式。

4.3 仿真模型搭建? 駕駛員模型按照電腦設(shè)定好的工況發(fā)出駕駛指令，經(jīng)過MCU處理完之后，通過信號線將驅(qū)動扭矩、制動扭矩信號發(fā)送給電機模型，制動壓力信號輸送給制動系統(tǒng)。當(dāng)把電機作為驅(qū)動力來源是，電機控制器將向變速器發(fā)出一定的功率信號，此時電機控制器與電池相連的電纜將電流輸送給電機，此時電機的作用是驅(qū)動車輪，當(dāng)汽車在制動時，電機此時作為發(fā)電機，將回收的制動力產(chǎn)生的電流輸送給電池，為電機充電。當(dāng)制動系統(tǒng)接收到制動指令時，制動系統(tǒng)判斷其制動模式和制動壓力，并將其輸送到整車控制系統(tǒng)。

4.4 聯(lián)合仿真分析? 首先對NEDC循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析，分別將整車行駛車速、制動跑偏值、滑移率、制動主缸與制動輪缸壓力、電池SOC值等進(jìn)行仿真分析，并將其作為聯(lián)合仿真模型的評價指標(biāo)。然后進(jìn)行緊急制動工況仿真分析，同樣將整車行駛車速、制動跑偏值、滑移率、制動主缸與制動輪缸壓力、電池SOC值等進(jìn)行仿真分析。

5? 總結(jié)

汽車制動系統(tǒng)將朝著電氣化、智能化的方向發(fā)展，本項目完成后能夠不斷優(yōu)化相關(guān)參數(shù)使其實現(xiàn)最佳的純電動汽車中的電液復(fù)合制動系統(tǒng)，提高制動系統(tǒng)的能量回收率，本項目研究的制動系統(tǒng)回收能量高達(dá)37%左右，增加純電動汽車的續(xù)航里程，實現(xiàn)減小能耗、延長續(xù)航里程的目標(biāo)。對于社會、環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)等方面都存在積極的推動作用，在技術(shù)方面，推動新能源汽車，例如：純電動、氫燃料等汽車的新技術(shù)的研究發(fā)展，加快技術(shù)的革新，促進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入一個全新的階段;在環(huán)境方面，能夠提高制動能量回收，延長電動汽車的續(xù)航里程，改變?nèi)藗儗ζ嚨南M觀，提高電動汽車的銷量，減少傳統(tǒng)汽車的銷量，從而減少尾氣污染物的排放，綠化環(huán)境，改善大自然。

本項目設(shè)計適用于一種純電動汽車的電液復(fù)合制動系統(tǒng)，采取并行控制策略的設(shè)計思路。分別在Carsim、MATLAB/Simulink仿真平臺搭建整車模型和控制策略模型，然后建立聯(lián)合仿真模型，并且在NEDC循環(huán)工況和緊急制動兩種工況下分別對其進(jìn)行仿真分析。這將會提高新能源汽車的能量回收是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題和熱點問題，新能源汽車技術(shù)的改進(jìn)便成為重要研究方向，有利于促進(jìn)新能源純電動汽車制動能量回收綠色智能大發(fā)展。

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