李奎 閆麗君 楊洪振

黃河交通學(xué)院，汽車工程學(xué)院 河南省焦作市 454950

1 引言

制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車行駛中必不可少的部分，對(duì)汽車的行駛安全與穩(wěn)定具有重要意義。汽車制動(dòng)系統(tǒng)能夠根據(jù)汽車的實(shí)際行駛情況，及時(shí)作出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，幫助汽車行駛更加穩(wěn)定[1]。汽車制動(dòng)系統(tǒng)具有多樣化特點(diǎn)，根據(jù)功能、能量傳輸方式不同，其種類與形式也不同[2]。汽車制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于汽車行駛驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性具有一定保障[3]。汽車制動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通常情況下，車輛的運(yùn)動(dòng)能量會(huì)發(fā)生一定的變化，運(yùn)動(dòng)能量會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為熱量，通過釋放作用釋放到大氣中[4]。隨著能量回收技術(shù)的不斷發(fā)展，如何將制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能經(jīng)過回收控制，轉(zhuǎn)變?yōu)槠囆铍姵氐碾娔?，進(jìn)而提升車輛的續(xù)駛能力，是我國(guó)新能源汽車研究的重點(diǎn)問題。

朱波[5]等人建立并聯(lián)式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)模型，引入制動(dòng)踏板開度修正系數(shù)，提出了一種制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)矩的控制方法。該方法有效提高了能量回收效率，但也因此制約了汽車的續(xù)航能力的提升。

本研究在傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了新能源汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)的研究，引入能量回收控制技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證新能源汽車行駛平穩(wěn)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量回收控制，提高新能源汽車的續(xù)駛能力與續(xù)駛里程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于能量回收控制的新能源汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)采用C/S 硬件架構(gòu)，具有良好的性能，能夠?yàn)橹苿?dòng)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)硬件的運(yùn)行提供保障。制動(dòng)系統(tǒng)采用ECU 控制器，作為系統(tǒng)的核心硬件，在車載網(wǎng)絡(luò)的連接下，能夠控制汽車運(yùn)行的車載[6]。ECU控制器的運(yùn)行示意圖，如圖1 所示。

圖1 ECU 控制器運(yùn)行示意圖

本文選用了ECU 控制器的運(yùn)行結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的微處理器采用DSP 嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器，內(nèi)部集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器與A/D 轉(zhuǎn)換器，微處理器的體積較小，且集成度較高，在運(yùn)行中可靠性較高，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車行駛數(shù)據(jù)的大規(guī)模處理。系統(tǒng)的存儲(chǔ)器采用型號(hào)為S5850-24T16B 的存儲(chǔ)器，在汽車進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)，存儲(chǔ)器設(shè)備的能耗較少，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車行駛信息的同步操作，在制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和配置方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)內(nèi)汽車的傾角傳感器采用SCA58T型號(hào)的傳感器，抗沖擊能力相對(duì)較強(qiáng)，用于測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行器施加給制動(dòng)盤壓力的大小。然后根據(jù)汽車的實(shí)際行駛狀況，調(diào)整繼電器輸入邊的線圈形式，提高系統(tǒng)內(nèi)電路的感性特性。在系統(tǒng)硬件中設(shè)置行星齒輪機(jī)構(gòu)作為汽車減速裝置，整體結(jié)構(gòu)較緊湊，在汽車沖擊與振動(dòng)抵抗方面的能力較強(qiáng)，運(yùn)行效率較高。

綜上所述，為本文設(shè)計(jì)的基于能量回收控制的新能源汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)橹苿?dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 確定汽車動(dòng)力源總功率

汽車動(dòng)力源總功率在汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)中至關(guān)重要，是衡量新能源汽車動(dòng)力性能的關(guān)鍵指標(biāo)[7]。本文在汽車制動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，首先通過系統(tǒng)計(jì)算，確定汽車動(dòng)力源總功率，為能量回收控制的汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)提供參數(shù)依據(jù)。

汽車動(dòng)力源總功率指標(biāo)包括汽車的最高行駛速度、汽車的加速時(shí)間以及最大爬坡度[8]。首先，根據(jù)汽車行駛的最高速度確定動(dòng)力源總功率，計(jì)算公式為：

其中，rη表示新能源汽車的動(dòng)力源系數(shù)；m表示新能源汽車的整備質(zhì)量；g表示新能源汽車的重力加速度；f表示新能源汽車的滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax表示新能源汽車行駛的最高車速；CD表示汽車行駛過程中的空氣阻力系數(shù)；A表示汽車行駛中受到的迎風(fēng)面積。汽車最大爬坡度動(dòng)力源總功率的計(jì)算公式為：

其中，amax表示新能源汽車行駛過程中的最大爬坡角；ua表示當(dāng)新能源汽車達(dá)到最大爬坡度時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定車速。汽車加速時(shí)間動(dòng)力源總功率計(jì)算公式為：

其中，δ表示新能源汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)；u表示新能源汽車在加速過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)車速；表示新能源汽車行駛的加速度。

綜合上述計(jì)算公式，系統(tǒng)能夠獲取到新能源汽車在行駛過程中的動(dòng)力源總功率，根據(jù)動(dòng)力源總功率的變化情況，為后續(xù)制動(dòng)系統(tǒng)的能量回收控制奠定基礎(chǔ)。

3.2 基于串聯(lián)式制動(dòng)策略設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制層

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制層時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮串聯(lián)式制動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制層切換制動(dòng)模式的目標(biāo)。

本文系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制層中包括ESP 控制模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新能源汽車行駛中潛在的故障點(diǎn)。協(xié)調(diào)控制層中的控制器通過實(shí)時(shí)接收上層控制器發(fā)送的汽車制動(dòng)期望壓力信號(hào)，對(duì)上層控制器的運(yùn)行模式進(jìn)行指令切換操作。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行器發(fā)出的動(dòng)作指令，進(jìn)行新能源汽車串聯(lián)式制動(dòng)操作，本文設(shè)計(jì)的新能源汽車串聯(lián)式制動(dòng)策略，如圖2 所示。

圖2 串聯(lián)式制動(dòng)策略示意圖

通過該制動(dòng)策略，系統(tǒng)能夠快速地判斷出汽車行駛過程中存在的問題。通常情況下，汽車行駛出現(xiàn)異常的原因主要包括：汽車壓力源部分故障、汽車輪缸電磁閥的制動(dòng)管路故障，以及新能源汽車的車載電源出現(xiàn)異常等[9]。根據(jù)不同的故障類型，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制層能夠采用對(duì)應(yīng)的切換指令，在系統(tǒng)非制動(dòng)的工況下，過渡ESP 控制模塊，避免制動(dòng)時(shí)減速度波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致不利于檢測(cè)輪缸壓力傳感器運(yùn)行效果的情況發(fā)生[10]。

綜上所述，基于串聯(lián)式控制策略的協(xié)調(diào)控制層設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)汽車實(shí)際的行駛情況，不斷切換對(duì)應(yīng)的控制指令，對(duì)系統(tǒng)接管制動(dòng)控制具有一定的幫助。

3.3 基于能量回收控制的汽車制動(dòng)力分配設(shè)計(jì)

在新能源汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，汽車行駛制動(dòng)力的合理分配至關(guān)重要，與汽車能量回收控制具有直接關(guān)聯(lián)。本文結(jié)合約束優(yōu)化與能量回收控制的原理，對(duì)汽車制動(dòng)力分配模塊進(jìn)行了全方位地設(shè)計(jì)。首先，通過EMB 控制模塊獲取汽車行駛過程中平面的受力情況，并對(duì)受力情況進(jìn)行具體地分析，得出汽車車輪的側(cè)向力與縱向力[11]。根據(jù)車輪的側(cè)向力與縱向力結(jié)果，采用反饋控制的方式，減少車輪側(cè)向力變化給制動(dòng)力分配帶來的控制誤差[12]。汽車制動(dòng)力控制分配的縱向力計(jì)算公式為：

其中，F(xiàn)u d表示汽車制動(dòng)力控制分配的縱向力；M f表示制動(dòng)力控制效率矩陣參數(shù)；u cf表示汽車車輪的初始縱向力。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)分配控制的縱向力結(jié)果進(jìn)行松弛處理，降低制動(dòng)力期望目標(biāo)的跟隨誤差。設(shè)置汽車車輪縱向力分配的可行域，結(jié)合車輪摩擦圓的約束作用，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的制動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行約束處理，保證車輪縱向力分配可行域的穩(wěn)定。在系統(tǒng)制動(dòng)力輪間分配時(shí)，控制制動(dòng)力分配模塊的執(zhí)行效率。在制動(dòng)力分配模塊中布設(shè)可行點(diǎn)，實(shí)時(shí)記錄在對(duì)制動(dòng)力分配控制時(shí)，可行點(diǎn)的迭代變化，再根據(jù)可行點(diǎn)的迭代次數(shù)，調(diào)節(jié)汽車輪胎的目標(biāo)附加橫擺力矩效率。接下來，針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)新能源汽車的制動(dòng)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）系統(tǒng)收到視覺信號(hào)后作出動(dòng)作反應(yīng)；

2）系統(tǒng)內(nèi)的制動(dòng)器發(fā)出警報(bào)，此時(shí)車速不發(fā)生變化；

3）系統(tǒng)持續(xù)制動(dòng)階段，制動(dòng)系統(tǒng)開始制動(dòng)汽車車輪，此時(shí)，車輪輪速持續(xù)降低，直至抱死；

4）汽車車輪抱死直至停止，此時(shí)，系統(tǒng)針對(duì)路面的制動(dòng)力保持不變，通過不斷調(diào)節(jié)路面附著系數(shù)，將汽車運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為熱量，實(shí)現(xiàn)在有限距離內(nèi)制動(dòng)汽車目標(biāo)的同時(shí)，將制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能經(jīng)過回收控制，轉(zhuǎn)變?yōu)槠囆铍姵氐碾娔?，進(jìn)而提升新能源汽車的續(xù)駛能力。

系統(tǒng)的汽車制動(dòng)力分配模塊通過對(duì)車輪滑移率與路面附著系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出新能源汽車在整個(gè)制動(dòng)過程中的最佳滑移率。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試準(zhǔn)備

為了對(duì)本文提出的基于能量回收控制的新能源汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)的可行性作出進(jìn)一步客觀分析，進(jìn)行了如下文所示的系統(tǒng)測(cè)試。首先，搭建適合本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的試驗(yàn)臺(tái)。搭建的試驗(yàn)臺(tái)的組成及其對(duì)應(yīng)功能設(shè)置，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)部分組成及對(duì)應(yīng)功能

本次測(cè)試選取10 輛性能不同的新能源汽車，分別獲取每輛汽車的行駛狀態(tài)與數(shù)字量輸出形式，設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)目標(biāo)機(jī)的采樣時(shí)間為1.5s，實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)內(nèi)傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化情況。

根據(jù)汽車行駛過程中的制動(dòng)需求，綜合考慮電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)車輪的氣壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)車輪制動(dòng)力矩進(jìn)行合理分配，進(jìn)而提高汽車行駛的穩(wěn)定性與安全性。由系統(tǒng)內(nèi)的制動(dòng)計(jì)算模塊，根據(jù)制動(dòng)踏板的位移與速度變化，判斷車輛行駛是否需要啟動(dòng)緊急制動(dòng)或常規(guī)制動(dòng)。

設(shè)定新能源汽車電機(jī)的再生制動(dòng)力矩，結(jié)合緊急制動(dòng)策略，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車行駛中各個(gè)車輪的滑移率變化，當(dāng)汽車滑移率的變化較大時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)采用滑?？刂频姆绞?，進(jìn)行車輪的防抱死控制，滿足汽車駕駛員制動(dòng)需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化控制。

4.2 結(jié)果分析

為了更加清晰地獲取本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將本文設(shè)計(jì)的基于能量回收控制的汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)與并聯(lián)式汽車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置汽車的行駛車速為110 km/h，對(duì)比汽車在不同工況行駛下，兩種制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車速的制動(dòng)效果，如表2 所示。

表2 兩種制動(dòng)系統(tǒng)車速制動(dòng)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在兩種汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，本文提出的基于能源回收控制的串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)，在不同行駛工況下，車速制動(dòng)優(yōu)勢(shì)明顯，與并聯(lián)式汽車制動(dòng)系統(tǒng)相比，能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)車速的目標(biāo)，進(jìn)而達(dá)成提升汽車?yán)m(xù)航能力的最終目的。

5 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入能量回收控制原理，提出了全新的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過本文的研究設(shè)計(jì)，有效地提高了制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，降低了汽車制動(dòng)過程中，車速降低過快對(duì)其他元件運(yùn)行產(chǎn)生的影響，當(dāng)汽車在行駛過程中出現(xiàn)異常，制動(dòng)系統(tǒng)能夠及時(shí)作出響應(yīng)，在汽車車速制動(dòng)效果方面存在明顯優(yōu)勢(shì)，也對(duì)汽車?yán)m(xù)航能力的提升作出了一定的貢獻(xiàn)。