王 晶

（廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 廊坊 065000）

當(dāng)前形勢下，發(fā)展新能源汽車，尤其是具有零污染、零排放的純電動(dòng)汽車，不僅對中國能源安全、環(huán)境保護(hù)具有重大意義，同時(shí)也是中國汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)型升級、技術(shù)突破的重要方向。

當(dāng)前國內(nèi)外的純電動(dòng)汽車大多數(shù)采用電動(dòng)真空泵為制動(dòng)助力系統(tǒng)提供真空源，并通過液壓制動(dòng)系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能，這種控制方案具有成熟度高的特點(diǎn)，但電動(dòng)真空泵與真空罐作為附加機(jī)構(gòu)安裝于車輛的制動(dòng)線路上，增加了制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以及整體可靠性，同時(shí)也限制了系統(tǒng)性能的提高，針對這一問題，線控制動(dòng)系統(tǒng)成為當(dāng)前國內(nèi)外純電動(dòng)汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。線控制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)踏板不再與制動(dòng)缸直接相連，駕駛員的制動(dòng)操作由傳感器采集作為控制意圖，完全或部分由液壓執(zhí)行器來完成制動(dòng)操作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理所導(dǎo)致的不足，使制動(dòng)控制得到最大的自由度。

純電動(dòng)汽車由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在車輛制動(dòng)工況下能夠通過電機(jī)能量回收產(chǎn)生部分制動(dòng)扭矩，同時(shí)為動(dòng)力電池充電。在駕駛員執(zhí)行制動(dòng)操作時(shí)，能量回收與線控制動(dòng)系統(tǒng)均會產(chǎn)生制動(dòng)力矩，但基于線控制動(dòng)系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中制動(dòng)力矩的合理高效分配方法目前國內(nèi)外均無成熟解決方案。

針對以上問題，本文提出了一種適用于純電動(dòng)車輛的線控制動(dòng)系統(tǒng)扭矩分配控制方法。該方法首先根據(jù)制動(dòng)踏板狀態(tài)解析駕駛員的制動(dòng)需求并獲得需求制動(dòng)扭矩，之后根據(jù)電池與電機(jī)狀態(tài)計(jì)算電機(jī)最大制動(dòng)功率，在此基礎(chǔ)上分配電機(jī)系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的制動(dòng)扭矩。本文充分考慮到液壓系統(tǒng)由于溫度、部件機(jī)械特性等因素影響其輸出制動(dòng)力的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性問題，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩對液壓系統(tǒng)輸出的制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，保證最終作用在車輛中的制動(dòng)力矩與駕駛員需求保持一致。

1 線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)架

純電動(dòng)汽車線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。其中，制動(dòng)踏板系統(tǒng)將駕駛員的制動(dòng)意圖轉(zhuǎn)換為電信號，并將該電信號處理后通過1發(fā)送給整車控制器；電池管理系統(tǒng)將此時(shí)動(dòng)力電池的工作狀態(tài)通過2發(fā)送給整車控制器，其中包括故障信息、電池允許最大充放電功率、電池SOC等；整車控制器在接收到以上信息后首先對制動(dòng)信號進(jìn)行解析并得到需求制動(dòng)扭矩，在此基礎(chǔ)上通過判斷電池狀態(tài)將需求制動(dòng)扭矩分別通過3、4分配給驅(qū)動(dòng)電機(jī)與液壓制動(dòng)單元，其中電機(jī)部分的需求扭矩通過能量回收實(shí)現(xiàn)；之后驅(qū)動(dòng)電機(jī)與液壓制動(dòng)單元按照需求扭矩對車輛實(shí)施制動(dòng)操作；最后車輛通過6向整車控制器反饋車速狀態(tài)，整車控制器判斷制動(dòng)是否達(dá)到預(yù)期，若未達(dá)到預(yù)期則對扭矩分配進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)對車輛制動(dòng)過程的控制。

圖2為圖1中所提到的液壓制動(dòng)單元，該系統(tǒng)在控制器接收到需求制動(dòng)扭矩后，通過控制電機(jī)、液泵等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)液流入、流出制動(dòng)輪缸，最終達(dá)到對制動(dòng)扭矩的控制。

圖1 線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)架

圖2 液壓制動(dòng)單元構(gòu)架

2 需求扭矩計(jì)算

對制動(dòng)扭矩進(jìn)行分配前首先需要獲得需求扭矩，即整車控制器根據(jù)制動(dòng)踏板信息分析駕駛員的制動(dòng)意圖，在此基礎(chǔ)上得到需求制動(dòng)扭矩并應(yīng)用于后續(xù)控制，可以看出計(jì)算需求扭矩是進(jìn)行制動(dòng)扭矩分配的前提。

如圖3所示，需求扭矩計(jì)算由兩部分組成，分別為制動(dòng)踏板信號處理與需求制動(dòng)扭矩計(jì)算；其中整車控制器采集兩路制動(dòng)踏板信號，之后對其進(jìn)行歸一化處理、信號權(quán)重分配與死區(qū)滯環(huán)處理，最終得到踏板開度信息與故障信息；接下來需求制動(dòng)扭矩計(jì)算部分結(jié)合以上信息與車輛狀態(tài)通過查表得到需求扭矩值。

圖3 需求制動(dòng)扭矩計(jì)算方法

3 需求制動(dòng)扭矩分配

在得到需求制動(dòng)扭矩后需要對其進(jìn)行分配，將需求扭矩分配給電機(jī)與液壓制動(dòng)單元，其中電機(jī)通過能量回收方式產(chǎn)生制動(dòng)扭矩；扭矩分配的目的在于通過合理分配最終實(shí)現(xiàn)在最大限度回收制動(dòng)能量的基礎(chǔ)上保證車輛制動(dòng)功能的可靠實(shí)現(xiàn)。電機(jī)最大能量回收扭矩計(jì)算如圖4所示。

圖4 電機(jī)最大能量回收扭矩計(jì)算

首先判斷是否允許車輛進(jìn)入制動(dòng)能量回收工況，具體如下：①車輛擋位為前進(jìn)擋；②整車無斷高壓及不可恢復(fù)零扭矩故障；③制動(dòng)踏板被踩下，對應(yīng)制動(dòng)踏板開度大于閾值K；④加速踏板處于釋放狀態(tài)，對應(yīng)加速踏板開度小于閾值K。

當(dāng)以上4個(gè)條件全部得到滿足時(shí)則認(rèn)為車輛能夠進(jìn)入制動(dòng)能量回收工況，即允許車輛進(jìn)行能量回收，其中閾值K與K考慮了制動(dòng)踏板與加速踏板機(jī)械死區(qū)特性對工況判斷的潛在影響。

接下來進(jìn)行電機(jī)最大能量回收扭矩計(jì)算，計(jì)算方法見式（1）：

式中：T——電機(jī)最大能量回收扭矩；P——電機(jī)最大允許發(fā)電功率；P——電池最大允許充電功率；η——電機(jī)發(fā)電效率；ω——電機(jī)轉(zhuǎn)速；T——電機(jī)最大允許發(fā)電扭矩，由式（1）可得到最大能量回收扭矩。為保護(hù)電機(jī)與動(dòng)力電池，不應(yīng)讓其在極限值工作，為此引入扭矩余量。

式中：ΔT——扭矩余量；T——電機(jī)制動(dòng)扭矩（發(fā)電扭矩）最大值。

由式（2）可以看出，ΔT的引入保證了電機(jī)與動(dòng)力電池不工作在極限狀態(tài)，因此對電機(jī)與電池起到了保護(hù)作用。

接下來對扭矩進(jìn)行分配，定義T為電機(jī)分配得到的能量回收（發(fā)電）扭矩，計(jì)算方法如下：

式中：K——電機(jī)能量回收系數(shù)，該值小于1，其目的在于為后續(xù)的能量回收扭矩的微調(diào)提供調(diào)節(jié)余量。

定義T為液壓制動(dòng)單元分配得到的制動(dòng)扭矩，計(jì)算方法如下：

式中：T——之前計(jì)算得到的需求制動(dòng)扭矩。

由式（4）可以得到，當(dāng)T≤T時(shí)，完全依靠電機(jī)的能量回收產(chǎn)生制動(dòng)扭矩，當(dāng)T＞T時(shí)液壓制動(dòng)單元才開始介入，并產(chǎn)生制動(dòng)扭矩。

式（3）與式（4）完成了制動(dòng)扭矩的分配，考慮到液壓控制單元在執(zhí)行制動(dòng)扭矩命令時(shí)的誤差，或一些特殊工況下（下坡）在施加制動(dòng)扭矩后車輛產(chǎn)生的減速度低于預(yù)期，針對這一情況，設(shè)計(jì)調(diào)整策略，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的能量回收扭矩對其進(jìn)行補(bǔ)償，從而使車輛達(dá)到預(yù)期制動(dòng)效果，具體方法如下。

如圖5所示，系統(tǒng)輸入為需求制動(dòng)扭矩T，分配到液壓制動(dòng)單元與電機(jī)的制動(dòng)扭矩分別為T與T；之后液壓制動(dòng)單元與電機(jī)按照扭矩命令分別對車輛產(chǎn)生制動(dòng)扭矩；在制動(dòng)扭矩的作用下車輛產(chǎn)生減加速度，利用制動(dòng)扭矩估算模塊估算作用在車輛上的制動(dòng)扭矩，令估算扭矩為T；用需求制動(dòng)扭矩T減去該值后得到偏差扭矩，該偏差扭矩經(jīng)過偏差處理模塊后得到補(bǔ)償扭矩T；利用T對T進(jìn)行補(bǔ)償，最終保證車輛能夠產(chǎn)生預(yù)期的減速度。

圖5 電機(jī)最大能量回收扭矩計(jì)算

其中，制動(dòng)扭矩估算通過查表實(shí)現(xiàn)，前期通過在無風(fēng)、干燥平直的鋪裝路面下進(jìn)行實(shí)車測試，通過實(shí)車標(biāo)定得到不同車速及給定制動(dòng)扭矩條件下車輛產(chǎn)生的減加速度值，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制成查詢表，輸入為車輛減加速度與車輛速度，輸出為估算的制動(dòng)扭矩；在實(shí)際制動(dòng)過程中通過查詢該表即可得到估算制動(dòng)扭矩T。接下來介紹偏差處理模塊，T減去T得到偏差扭矩，令該值為ΔT，則補(bǔ)償扭矩T計(jì)算方法如下：

式（5）中，K為一大于0的正數(shù)，考慮到估算扭矩T與實(shí)際值必然會存在一定誤差，因此當(dāng)ΔT＜K時(shí)認(rèn)為偏差扭矩在合理范圍內(nèi)，不對其進(jìn)行補(bǔ)償；另外該方法中ΔT＞0表示車輛產(chǎn)生的減速度低于預(yù)期，根據(jù)式（5），當(dāng)滿足ΔT≥K條件時(shí)T不為0，此時(shí)出于安全考慮對T進(jìn)行補(bǔ)償，而ΔT＜0則表示車輛產(chǎn)生的減速度高于預(yù)期，此時(shí)認(rèn)為該減速度與駕駛員制動(dòng)意圖不沖突，因此不對T進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)滿足ΔT≥K條件時(shí)，通過查表法計(jì)算補(bǔ)償扭矩T，具體為通過前期實(shí)車標(biāo)定得到ΔT與補(bǔ)償扭矩T的對應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上制成一維查詢表，輸入為ΔT，輸出為T，在實(shí)際制動(dòng)過程中通過查詢該表即可得到補(bǔ)償扭矩T，該扭矩不超過（1-K）·T。

4 仿真驗(yàn)證

搭建Matlab/Simulink仿真環(huán)境，對本文所提出的控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖6所示。

圖6 Matlab/Simulink仿真環(huán)境搭建

仿真環(huán)境包括加速踏板、制動(dòng)踏板、液壓制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及駕駛員模型等。其中駕駛員模型包括加速模型、制動(dòng)模型。

圖7為駕駛員加速模型的輸出map，即駕駛員踩下加速踏板后的需求扭矩，其中X軸坐標(biāo)為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Y軸坐標(biāo)為加速踏板開度?？梢钥闯觯隈{駛員踩下加速踏板后，根據(jù)當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速便能夠唯一地確定一個(gè)扭矩值，該扭矩便為駕駛員的需求加速扭矩。

圖7 駕駛員加速模型

圖8為駕駛員制動(dòng)模型的輸出map，即駕駛員踩下制動(dòng)踏板后的需求扭矩輸出?？梢钥闯觯隈{駛員踩下制動(dòng)踏板后，根據(jù)當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速便能夠唯一地確定一個(gè)扭矩值，該扭矩便為駕駛員的需求制動(dòng)扭矩。

圖8 駕駛員制動(dòng)模型

以車輛常規(guī)制動(dòng)工況為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，對比單純使用液壓制動(dòng)單元與本文所提出方法的制動(dòng)效果。在時(shí)間等于4s時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板所產(chǎn)生的需求制動(dòng)扭矩為-20Nm，根據(jù)圖9可以看出，在小制動(dòng)力工況下，單純由液壓機(jī)構(gòu)產(chǎn)生制動(dòng)扭矩時(shí)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)、非線性等因素的影響，此時(shí)液壓機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩與實(shí)際需求偏差較大。

圖9 液壓機(jī)構(gòu)產(chǎn)生制動(dòng)扭矩圖

圖10為單純液壓制動(dòng)控制與基于本文所提出扭矩分配控制過程中扭矩偏差的對比圖。其中單純由液壓機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩與實(shí)際需求扭矩偏差超過了6Nm，而采用本文提出的扭矩分配控制方法，借助于驅(qū)動(dòng)電機(jī)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，制動(dòng)過程中車輛實(shí)際制動(dòng)扭矩與需求扭矩偏差低于1Nm。

圖10 液壓制動(dòng)控制與本文方法對比

5 結(jié)論

本文提供了一種適用于裝備線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中電機(jī)回收制動(dòng)扭矩與液壓制動(dòng)扭矩的分配計(jì)算方法。該方法根據(jù)制動(dòng)踏板的開度及變化狀態(tài)解析駕駛員的制動(dòng)需求并計(jì)算得到需求制動(dòng)扭矩，之后根據(jù)電池與電機(jī)狀態(tài)計(jì)算電機(jī)最大制動(dòng)功率，在此基礎(chǔ)上分配電機(jī)系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的制動(dòng)扭矩?？紤]到液壓系統(tǒng)由于溫度、部件機(jī)械特性等因素影響其輸出的制動(dòng)力矩穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，該方法通過調(diào)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩對其進(jìn)行補(bǔ)償，保證最終作用在車輛中的制動(dòng)力矩與駕駛員需求保持一致。最后通過搭建仿真環(huán)境對該控制方法的可行性及有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。