張利芬

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與航空學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

汽車行業(yè)技術(shù)變革日新月異，呈現(xiàn)出“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”的新發(fā)展格局。目前市場(chǎng)上的純電汽車，采用傳統(tǒng)的電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但液壓傳動(dòng)存在響應(yīng)慢、重力大、易泄露等明顯缺陷[1]，并不能滿足智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展要求。

在新能源汽車中，線控電制動(dòng)防滑控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加精確的制動(dòng)控制，并且可以利用電能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收和再利用，從而提高車輛的續(xù)航能力。此外，該系統(tǒng)還可以與車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛技術(shù)等相結(jié)合，提高車輛的操控性能和安全性。

在此背景下，本文提出線控電制動(dòng)系統(tǒng)，取消傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，車輪制動(dòng)器的制動(dòng)力由獨(dú)立電機(jī)提供，該獨(dú)立電機(jī)提供摩擦制動(dòng)力，可與駐車電機(jī)分時(shí)共用，下文統(tǒng)一稱摩擦制動(dòng)電機(jī)。摩擦制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)構(gòu)成行車制動(dòng)的全部制動(dòng)力。另外，引入線控技術(shù)控制制動(dòng)電機(jī)工作，一方面借助先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)[2]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)力的高精度、高穩(wěn)定性和高靈敏性控制，提高汽車制動(dòng)防滑控制效率，從而提高車身穩(wěn)定性控制；另一方面，通過(guò)線控技術(shù)對(duì)再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)比例協(xié)調(diào)控制更加靈活，有利于提高制動(dòng)能量回收率[3]。

1 制動(dòng)力分配控制

線控電制動(dòng)防滑控制系統(tǒng)的工作原理是利用電信號(hào)控制制動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)指令會(huì)通過(guò)電線傳輸?shù)街苿?dòng)器，制動(dòng)器會(huì)立即進(jìn)行制動(dòng)。這種制動(dòng)方式可以有效避免車輛制動(dòng)過(guò)程中的滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，從而提高制動(dòng)效率和安全性。

在制動(dòng)過(guò)程中，由于汽車四輪輪重不一定均等，所以每個(gè)車輪最大附著力也不相等，一般情況汽車左右重力比較對(duì)稱，本文主要研究前后制動(dòng)力分配比例。對(duì)于整車而言，每一種前后制動(dòng)力分配比值，都對(duì)應(yīng)一種同步附著系數(shù)，汽車在該附著系數(shù)的路面上緊急制動(dòng)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)前后輪同時(shí)抱死的理想狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，前后輪的附著條件的利用率最高。這樣就可以使每個(gè)車輪在抱死前都能發(fā)揮出最大制動(dòng)潛力，從而提高整車附著利用率，縮短制動(dòng)距離，提高行車安全。

根據(jù)ECE 制動(dòng)法規(guī)規(guī)定：當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z 為0.2～0.8時(shí)，要求[4-5]

式中：φf(shuō)，φr分別為前、后軸利用附著系數(shù)，z 為制動(dòng)強(qiáng)度。由式（1）可知，車輪利用附著系數(shù)與制動(dòng)強(qiáng)度成正比，且后輪利用附著系數(shù)應(yīng)小于前輪，即優(yōu)先防止后輪抱死。

本文主要研究?jī)?nèi)容為制動(dòng)控制策略，在研究汽車線控電制動(dòng)時(shí)不計(jì)空氣阻力、車輪滾動(dòng)阻力及橫向慣性力對(duì)車輪垂向載荷的影響。簡(jiǎn)化后的車身模型如圖1 所示，其中L 為軸距，G 為質(zhì)心位置，La、Lb、hg分別為質(zhì)心離前軸距離、質(zhì)心離后軸距離和質(zhì)心離地高度。

圖1 車身簡(jiǎn)化模型

假設(shè)前、后輪軸重分別為Ff和Fr，前、后輪的地面制動(dòng)力分別為Fbf和Fbr，根據(jù)利用附著系數(shù)定義及汽車受力平衡可得

式中：β 為前、后輪的制動(dòng)力分配比例，將式（2）代入式（1）可得

為得出前、后制動(dòng)力分配比例的特性曲線，設(shè)定汽車質(zhì)量及相關(guān)幾何參數(shù)見表1。

表1 汽車參數(shù)設(shè)定

將表1 中的設(shè)定參數(shù)值代入式（3）中，得出在滿足ECE 制動(dòng)法規(guī)條件下，前、后制動(dòng)力分配系數(shù)β 控制的3 條邊界曲線，如圖2 所示。

圖2 制動(dòng)力分配曲線

如圖2 所示，曲線2 為能實(shí)現(xiàn)前后輪同時(shí)抱死的理想分配值曲線，曲線1 和曲線3 分別為前、后軸制動(dòng)分配系數(shù)值的上、下極限值。另外，在介于曲線1 和曲線2 之間時(shí)，可保證始終是前輪先于后輪抱死，汽車失去轉(zhuǎn)向控制，但依然處于穩(wěn)定行駛工況。

因此，在進(jìn)行前、后制動(dòng)力分配比例控制時(shí)，為保證制動(dòng)安全，制動(dòng)力分配比例值應(yīng)始終位于曲線1 和曲線2 之間。同時(shí)，為保證足夠的制動(dòng)效能，制動(dòng)力分配比例值應(yīng)盡量靠近曲線2。

2 前后制動(dòng)力分配控制方案的確定

緊急制動(dòng)時(shí)，最理想制動(dòng)狀態(tài)是前后輪同時(shí)達(dá)到抱死邊緣。能實(shí)現(xiàn)這一狀態(tài)的路面附著系數(shù)稱為同步附著系數(shù)。對(duì)于一種分配比例只有一種對(duì)應(yīng)的同步附著系數(shù)，也就意味著某一固定比例的制動(dòng)系統(tǒng)只有在一種路面上能實(shí)現(xiàn)理想制動(dòng)狀態(tài)。這一固定的比例用β0表示，對(duì)應(yīng)的同步附著系數(shù)用φ0表示，則

式（4）中L、Lb和hg的含義與上文相同。

前、后輪同時(shí)達(dá)到抱死邊緣時(shí)，汽車能實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)強(qiáng)度為z，根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)，此時(shí)的制動(dòng)強(qiáng)度z 與同步附著系數(shù)φ 相等，為達(dá)到理想的制動(dòng)效果，控制器便將該附著系數(shù)設(shè)置成目標(biāo)值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)前、后制動(dòng)力比例值β，則根據(jù)式（4）得出β 的控制方程應(yīng)為：

當(dāng)汽車制動(dòng)強(qiáng)度需求為z時(shí)，用FB表示所需的總制動(dòng)力，則

3 基于四輪制動(dòng)力分配的動(dòng)態(tài)防滑控制方案

根據(jù)汽車ABS 控制原理，汽車制動(dòng)防滑控制的主要內(nèi)容為滑移率控制。車輪與路面的縱橫向附著系數(shù)會(huì)隨滑移率的動(dòng)態(tài)變化而變化。用uB和uS分別表示縱、橫向附著系數(shù)。當(dāng)縱向利用附著系數(shù)uB達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的滑移率稱為最佳滑移率，此時(shí)制動(dòng)效能最高。此時(shí)制動(dòng)距離的計(jì)算公式為

式中：u初為汽車初始速度。

而橫向附著系數(shù)直接決定車輛的側(cè)向抗干擾能力，兼顧制動(dòng)效能和制動(dòng)時(shí)車輛的操縱穩(wěn)定性，防滑控制應(yīng)能保證滑移率處于15%～20%。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)制動(dòng)力大小使滑移率在最佳區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，保證車輪不抱死的前提下發(fā)揮最大制動(dòng)效能。

根據(jù)以上分析，以單側(cè)前輪為例，擬定控制流程如圖3 所示。

圖3 防滑制動(dòng)控制流程圖

對(duì)于純電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，續(xù)航為評(píng)價(jià)電動(dòng)車性能的核心指標(biāo)之一。由于電機(jī)能量轉(zhuǎn)化的可逆性，在制動(dòng)過(guò)程中，提高制動(dòng)能量的回收率不僅能提高整體續(xù)航，也能減少車輪制動(dòng)器的產(chǎn)熱量，提高制動(dòng)器使用壽命，同時(shí)由于再生制動(dòng)的可控性，可以提高制動(dòng)力控制的靈活性，所以在制動(dòng)防滑控制過(guò)程中為綜合考慮制動(dòng)性能和能量回收率，對(duì)于制動(dòng)力FZ的控制不僅涉及到摩擦制動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也涉及到再生制動(dòng)電機(jī)，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)。再生制動(dòng)也可以通過(guò)調(diào)整滑移率來(lái)影響制動(dòng)防滑控制。在制動(dòng)時(shí)，如果滑移率控制得當(dāng)，可以減少輪胎的磨損，提高制動(dòng)效率，同時(shí)避免出現(xiàn)側(cè)滑等失控情況。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車再生制動(dòng)的滑移率控制是通過(guò)電控剎車器實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)汽車采用純電、混動(dòng)或輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)等不同的動(dòng)力模式，其制動(dòng)電機(jī)控制方案也有不同，后期可根據(jù)具體實(shí)例做進(jìn)一步研究。

4 再生制動(dòng)能量回收控制

以滿足防滑控制為前提，制定制動(dòng)能量回收控制方案，再生電機(jī)在施加再生制動(dòng)力時(shí)輸出電功率用Pe表示，則

式中：P1為輸入機(jī)械功率，Pmec-PFc-/斜體>nI2R為功率損耗。當(dāng)輸入功率不及電機(jī)損耗功率時(shí)，電機(jī)處于耗能狀態(tài)。

再生制動(dòng)能量回收，與再生制動(dòng)比例ρ 的關(guān)系，制動(dòng)能量回收率計(jì)算如圖4 所示。

圖4 能量回收計(jì)算方案

根據(jù)式（8）可知，影響制動(dòng)能量回收率的主要因素有：

1）電機(jī)特性。本文所選用的永磁同步電機(jī)，無(wú)勵(lì)磁損耗，電機(jī)工作時(shí)相比于交流異步電機(jī)而言，同等條件下，能量回收率較高。

2）儲(chǔ)能裝置。電池的荷電狀態(tài)SOC（System on chip）、電池的充電性能等會(huì)影響電機(jī)再生能量的提取和儲(chǔ)存。電池的充電特性參數(shù)需與電機(jī)的輸出特性參數(shù)匹配。另外，一般情況下，只有當(dāng)蓄電池SOC 處于特定范圍時(shí)才具備比較良好的充電性能。

3）制動(dòng)工況。車速與制動(dòng)強(qiáng)度會(huì)直接影響制動(dòng)能量回收的效果，不同車速的制動(dòng)工況，能量消耗區(qū)別很大，比如在城市行駛環(huán)境中，由于制動(dòng)頻率高、制動(dòng)強(qiáng)度適中，能量回收效果比較好；在車流量較小的國(guó)道低速行駛，因?yàn)檐囁佥^低，制動(dòng)強(qiáng)度較小，可選擇較大的再生制動(dòng)比例，具備最佳的制動(dòng)能量回收效果；在高速公路行駛環(huán)境中，制動(dòng)頻率低、制動(dòng)強(qiáng)度大，此時(shí)由于再生制動(dòng)具有延遲性，為滿足制動(dòng)安全的首要條件，再生制動(dòng)比例較小，從而導(dǎo)致能量回收效果較差。

此外，路況、天氣、溫度等自然環(huán)境條件對(duì)汽車制動(dòng)回能的回收也都有影響，不過(guò)相對(duì)較小。

當(dāng)然，影響能量回收效率的最關(guān)鍵因素還是制動(dòng)力控制和能量管理控制的問(wèn)題，能否同時(shí)實(shí)現(xiàn)“利用附著系數(shù)最大化”和“能量回收率最大化”的雙重目標(biāo)關(guān)鍵在于制定合理的再生制動(dòng)比例控制方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

能否同時(shí)取得高制動(dòng)效能和制動(dòng)安全的關(guān)鍵是制定合理的防滑控制方案，為把握此關(guān)鍵，本文在制動(dòng)打滑的理論分析基礎(chǔ)上，得出車輛制動(dòng)防滑控制目標(biāo)，進(jìn)而擬定制動(dòng)力分配比例控制和車輪防滑控制方案，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化再生制動(dòng)比例，以滿足制動(dòng)防滑控制要求為前提，制定再生制動(dòng)能量回收控制方案。為后續(xù)仿真模型的建立做理論基礎(chǔ)。