基于雙輪式電機(jī)再生制動車輛穩(wěn)定性集成控制研究＊

陳慶樟許廣舉孟杰焦洪宇

（1.常熟理工學(xué)院；2.江蘇大學(xué)江蘇省汽車重點(diǎn)工程實(shí)驗(yàn)室）

基于雙輪式電機(jī)再生制動車輛穩(wěn)定性集成控制研究＊

陳慶樟1,2許廣舉1孟杰1焦洪宇1

（1.常熟理工學(xué)院；2.江蘇大學(xué)江蘇省汽車重點(diǎn)工程實(shí)驗(yàn)室）

以雙輪式電機(jī)前驅(qū)電動汽車制動系統(tǒng)為研究對象，把雙電機(jī)再生制動、液壓制動、穩(wěn)定性控制集成在一起，開發(fā)了再生制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器。根據(jù)車輛制動需求、車輛狀態(tài)、系統(tǒng)儲能狀態(tài)等確定車輛制動模式及分配制動力矩，并根據(jù)車輛實(shí)時穩(wěn)定性狀況由雙輪式電機(jī)再生制動提供車輛穩(wěn)定性控制力矩。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，在車輛轉(zhuǎn)彎制動工況中采用所述集成協(xié)調(diào)控制器比采用電機(jī)單邊獨(dú)立控制穩(wěn)定性控制效果更好。

混合動力汽車和電動汽車中電機(jī)制動響應(yīng)快、可實(shí)現(xiàn)能量回收制動，但可提供的制動力矩較小，其制動力矩控制受車輪轉(zhuǎn)速、電機(jī)基速、儲能系統(tǒng)充電能力等因素影響，往往難以單獨(dú)承擔(dān)車輛制動任務(wù)，需要與傳統(tǒng)液壓制動聯(lián)合工作，作為液壓制動的補(bǔ)充。本文以基于雙輪式電機(jī)前驅(qū)動電動汽車為研究對象，開發(fā)再生制動及其穩(wěn)定性集成控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

再生制動系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，制動系統(tǒng)中的液壓防抱死制動系統(tǒng)制動與再生制動協(xié)調(diào)控制，制動電機(jī)也進(jìn)行防抱死制動控制。制動控制器根據(jù)制動需求，對液壓防抱死制動系統(tǒng)電動泵、壓力調(diào)節(jié)裝置調(diào)整常規(guī)液壓制動力大小，同時把按前、后輪制動力分配要求及制動工況要求等條件計算出來的電機(jī)制動力矩大小及車輛滑移率狀態(tài)等信息輸送給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器對兩個開關(guān)磁阻電機(jī)制動功率、制動扭矩進(jìn)行調(diào)整控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動。儲能器由閥控鉛酸蓄電池及超級電容組合而成，以保證儲能器既有較高的能量密度又有較高的功率密度，超級電容起能量緩沖作用，可更充分回收與利用制動能量。

2 集成控制策略

再生制動控制策略的原則是追求制動穩(wěn)定性、駕駛員制動感覺和能量回收最大化。在制動踏板動作時（駕駛員有制動需求），根據(jù)制動需求大小，決定采用何種機(jī)電制動模式，再確定前、后制動力分配比，然后根據(jù)前軸制動需求量及儲能系統(tǒng)荷電狀況進(jìn)行機(jī)電制動力分配，并進(jìn)行能量回收；前軸電機(jī)制動進(jìn)行液壓防抱死制動系統(tǒng)控制，控制方式是對電機(jī)輸入一個驅(qū)動電壓，后軸制動仍為原有的液壓防抱死制動系統(tǒng)制動方式；在緊急制動中前、后軸全為液壓液壓防抱死制動系統(tǒng)制動；機(jī)電制動比變化時制動踏板平穩(wěn)過渡控制；根據(jù)集成系統(tǒng)輸入狀況確定能量回收最大化控制方法。

再生制動及穩(wěn)定性集成控制策略原理如圖2所示。

圖2 中，協(xié)調(diào)控制器在獲取車輛運(yùn)行工況及運(yùn)動狀態(tài)后，根據(jù)所得的β、γ˙、vx、vy等參數(shù)進(jìn)行車輛穩(wěn)定性控制，輸出預(yù)期的橫擺力矩M^Z以調(diào)整車輛運(yùn)動狀態(tài)；電機(jī)控制器對前輪左、右電機(jī)進(jìn)行制動控制產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整力矩。在制動過程中，制動踏板單元把制動需要的力Fbn輸送給協(xié)調(diào)控制器，協(xié)調(diào)控制器根據(jù)制動強(qiáng)度判斷電機(jī)與儲能器SOC狀態(tài)確定可用的再生制動最大力矩確定相應(yīng)的制動模式，再由車輛質(zhì)心參數(shù)狀況確定出符合最佳前后軸制動力分配系數(shù)、控制高速開關(guān)閥的輸入Df、Dr，從而調(diào)整前、后制動力分配；同時確定出液壓制動系統(tǒng)承擔(dān)的制動量電機(jī)控制器及液壓液壓防抱死制動系統(tǒng)模糊控制器再根據(jù)車速及車輪滑移率λ值進(jìn)行液壓防抱死制動系統(tǒng)控制。

整個系統(tǒng)以協(xié)調(diào)控制器為中心，車輛穩(wěn)定性控制、再生制動控制、能量回收控制及液壓制動控制相互關(guān)聯(lián)制約。

協(xié)調(diào)控制器主控流程如圖3所示。

式中，A是車輛穩(wěn)定性因素，取A=0.005。側(cè)滑角參考值為零，即：

基于電機(jī)再生制動的車輛穩(wěn)定性控制算法如圖4所示，圖4中參考模型產(chǎn)生的橫擺角速度與側(cè)滑角參考值由駕駛員轉(zhuǎn)向輸入δf及縱向車速vx決定，兩個參考值都是車輛穩(wěn)定的控制目標(biāo)。橫擺角速度為：

為了獲得預(yù)期的車輛響應(yīng)，控制目標(biāo)是車輛橫擺角速度和側(cè)滑角響應(yīng)值與預(yù)期值(參考值)之間的誤差最小，即控制算法輸入是：

公式（3）中兩個輸入變量由車輛上產(chǎn)生的橫擺力矩MZ與轉(zhuǎn)向增益Δδ控制實(shí)現(xiàn)，即控制系統(tǒng)的兩個輸出為MZ、Δδ。

車輛橫擺運(yùn)動可以由左、右兩邊車輪制動力不同產(chǎn)生，本文中前輪由兩個開關(guān)磁阻電機(jī)制動，控制兩個電機(jī)制動強(qiáng)度可產(chǎn)生相應(yīng)的橫擺力矩MZ。若橫擺運(yùn)動為負(fù)方向（順時針），則左前輪上的制動力增大；若橫擺運(yùn)動為正方向（逆時針)，則右前輪上的制動力增大。而Δδ則疊加在駕駛員轉(zhuǎn)向操縱上。設(shè)兩個電機(jī)制動傳動效率η1=η2=ηe，傳動比ig1=ig2=ige，左、右車輪有效半徑Rw1=Rw2=Rw，后輪左、右車輪的制動力相等，則有：

由上式可知，要提供MZ來平衡車輛橫擺運(yùn)動，則需控制左、右電機(jī)提供相應(yīng)制動力矩差，控制能量回收相電流差為：

對于式（6），在橫擺運(yùn)動為順時針時，iz為正；橫擺運(yùn)動為逆時針時，iz為負(fù)。當(dāng)由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動時，相應(yīng)電機(jī)控制發(fā)電電流即為模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法確立模糊規(guī)則。

3 仿真與結(jié)果分析

在Matlab/simulink環(huán)境中對集成控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，仿真時模擬轉(zhuǎn)彎制動工況，假定車輛初始車速為60 km/h，在時間t=0.5 s時輸入90°角轉(zhuǎn)向階躍，制動時間為4.5 s，由超級電容單獨(dú)儲能，初始SOC設(shè)為30%。圖5為系統(tǒng)集成控制與雙電機(jī)單邊單獨(dú)控制時的仿真結(jié)果比較曲線。

從圖5所示仿真結(jié)果可以看出，在轉(zhuǎn)彎制動工況下，采用集成控制時橫向加速度、橫擺角速度、車輪滑移率、制動距離等制動性能都有一定程度的改善，因此采用集成控制器形式有利于充分利用雙輪式電機(jī)制動響應(yīng)快的特點(diǎn)，提高汽車轉(zhuǎn)彎制動穩(wěn)定性能和車輛行駛穩(wěn)定性能。但能量回收方面區(qū)別不大，主要是因?yàn)榧煽刂婆c單邊單獨(dú)控制兩者在穩(wěn)定性控制中制動力矩作用基本一致。

4 硬件在環(huán)試驗(yàn)

圖6所示為所設(shè)計的汽車再生制動仿真硬件系統(tǒng)框圖，負(fù)載電機(jī)工作，動力通過機(jī)械式變速器模擬車輛換擋變速、傳遞到電磁離合器、經(jīng)過一個四向齒輪轉(zhuǎn)向器把動力傳遞到慣性飛輪組，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大小為汽車制動開始時動能值的機(jī)械能值。試驗(yàn)臺包括制動踏板輸入模塊、制動能量轉(zhuǎn)換模塊、慣性模塊、道路阻力模擬模塊（負(fù)載電機(jī)）、常規(guī)制動模塊、能量儲存模塊、測控系統(tǒng)模塊等。表1所示為硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)比較。

表1 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)比較

從表1中可以看出，在硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)中，集成控制方式時車身橫向加速度均方根值、車身橫擺角速度均方根值、前輪滑移率均方根值、后輪滑移率均方根值、制動距離等均有較明顯的改善，而能量回收性能由于在集成穩(wěn)定性控制和單邊單獨(dú)控制中均由再生制動提供穩(wěn)定性控制力矩，能量回收率基本沒有變化，這與Simulink環(huán)境中仿真結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)束語

將汽車電機(jī)能量再生制動、液壓制動與車輛穩(wěn)定性控制功能集成在一起，由協(xié)調(diào)控制器根據(jù)制動需求、車輛狀態(tài)、系統(tǒng)儲能狀態(tài)等確定車輛制動模式、分配制動力矩，并根據(jù)車輛實(shí)時穩(wěn)定性狀況由雙輪式電機(jī)再生制動提供車輛穩(wěn)定性控制力矩，這種電動汽車或混合動力汽車集成制動系統(tǒng)具有制動響應(yīng)快、制動穩(wěn)定性更高的特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)制動能量回收及車輛行駛穩(wěn)定性控制。集成系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器的制動穩(wěn)定性優(yōu)化及能量回收最大化優(yōu)化是相關(guān)課題深入研究的關(guān)鍵。

1劉志強(qiáng)，過學(xué)迅.純電動汽車電液復(fù)合再生制動控制.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，42（9）：2687～2691.

2初亮.混合動力總成的控制算法和參數(shù)匹配研究：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2002.

3Jorge Moreno，Micah E.Ortuzar，Juan W.Dixon，Energy-ManagementSystemforaHybridElectricVehicle，Using Ultracapacitors and Neural Networks，IEEE Transactions on industrial Electronics，Vol.53，2008，pp614～623.

4Steven M.Demers.Mechanical and regenerative braking integration for a hybrid electric vehicle.Canada:Univ.of Waterloo，2009.

5A.M.Walker，M.U.Lamperth，S.Wilkins.On Friction Braking Demand with Regenerative Braking，SAE paper，2002-01-2581.

6J.K.Ahn，K.H.Jung，and D.H.Kim.Analysis of A Regenerative Braking System For Hybrid Electric Vehicles Using An Electro-Mechanical Brake.International Journal of Automotive Technology，2009，Vol.10，No.2，pp.229-234.

7彭棟.混合動力汽車制動能量回收與ABS集成控制研究：[學(xué)位論文].上海：上海交通大學(xué)，2007.

8趙偉.汽車動力學(xué)穩(wěn)定性橫擺力矩和主動轉(zhuǎn)向聯(lián)合控制策略的仿真研究：[學(xué)位論文].西安：長安大學(xué)，2008.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年2月1日。

Study on the Integrated Control for Vehicle Stability Based on Two-wheeled Motor Regenerative Braking System

Chen Qingzhang1，2，Xu Guangju1，Meng Jie1，Jiao Hongyu1
（1.Changshu Institute of Technology;2.Jiangsu Province key Laboratory of Automotive Engineering，Jiangsu University）

Taking two-wheeled motor front drive electric vehicle regenerative braking system as the research object，the regenerative braking system coordinated controller was developed by integrating the dual-motor regenerative braking，hydraulic brake and the stability system.The vehicle braking mode and the allocation of braking torque were determined according to the vehicle's braking demand，vehicle status and energy storage system state，and the stability control torque was provided by the two-wheeled motor regenerative braking system according to the real-time vehicle stability condition. The results show that，compared with the motor unilateral independent control strategy，the integrated coordinated controller has better stability effect on vehicle braking in the process of turning.

Electric vehicle,Regenerative braking,Vehicle stability,Integrated control

電動汽車再生制動車輛穩(wěn)定性集成控制

U461.6

A

1000-3703（2014）07-0044-04

江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK2011367）和江蘇省“六大人才高峰”項目（SZ2010002）資助。