基于路面識別的液壓再生制動防抱死研究

張曉龍，孫仁云，李 鋒，葛恒勇

（西華大學 汽車與交通學院，成都 610039）

基于路面識別的液壓再生制動防抱死研究

張曉龍，孫仁云，李 鋒，葛恒勇

（西華大學 汽車與交通學院，成都 610039）

0 引言

制動能量回收能夠有效提高汽車能量的利用效率，對于汽車的節(jié)能和環(huán)保有著重要意義[1]，目前的研究主要通過電機和液壓泵制動能量回收，而載重車、專用車一般通過液壓泵進行制動能量回收[2]。為了能夠盡可能多地回收制動能量，在小制動強度時往往僅采用液壓再生制動。然而當在低附著系數(shù)的路面（如冰雪路面）上僅采用再生制動時，即便制動強度小，也有可能出現(xiàn)驅(qū)動軸抱死，導致車輛操縱穩(wěn)定性嚴重下降[3]。解決這一問題的常用方法是在車輪即將抱死時，切斷再生制動，采用傳統(tǒng)ABS制動[4]，然而這將降低制動能量的回收。

本文通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量，使液壓再生制動具備防抱死功能，從而最大限度地回收制動能量。同時考慮到不同路面的附著特性的差異，只有將當前路面的最佳滑移率作為系統(tǒng)的目標滑移率才能最大限度地利用路面的附著條件[5]，提出基于路面識別的液壓再生制動防抱死研究。

1 輪胎模型

Burckhardt等人通過大量試驗擬合出了6種典型路面的)(sμ曲線，如圖1所示，給出了一個實用的輪胎—路面數(shù)學模型，其表達式為[5]：

式中c1、c2、c3為各典型路面的參數(shù)值，如表1所示。通過求極值的方法得到6種典型路面的最佳滑移率0s及峰值附著系數(shù)0μ，如表1所示。

圖1 典型路面的)(sμ曲線

表1 輪胎模型中各典型路面參數(shù)值、0s及0μ

2 液壓再生制動ABS

要使車輛僅采用液壓再生制動時具備防抱死功能，需要根據(jù)制動時車輪的實際滑移率來實時調(diào)整液壓再生制動力矩，確保實際滑移率保持在目標滑移率附近。

已知液壓泵產(chǎn)生的再生制動力矩大小為[6]：

式中：p為液壓泵工作壓力（MPa）；qmax為液壓泵的最大排量（mL/r）；i為液壓泵的排量系數(shù)（0≤≤i1）；η為液壓泵總效率；iqmax為液壓泵的實時排量(mL/r)。

從式(2)可以看出，再生制動力矩的大小與液壓泵的排量有關(guān)，因此，可采用變量液壓泵進行制動能量回收，通過調(diào)節(jié)變量泵的排量來改變再生制動力矩的大小。如圖2所示，以滑移率為控制目標，通過調(diào)節(jié)變量泵的排量使液壓再生制動實現(xiàn)防抱死?？紤]到不同路面的最佳滑移率往往不同，以固定的滑移率作為控制目標時，不能最大限度地利用路面的附著條件，這就需要在制動過程中對當前路面進行識別，同時將當前路面的最佳滑移率調(diào)整為控制器的目標滑移率。

圖2 液壓再生ABS總體結(jié)構(gòu)

3 路面識別

傳統(tǒng)的通過參數(shù)估算進行路面識別的方法通常都離不開滑移率，在識別過程中需要實時估算車輪的滑移率，同時將滑移率與其他參數(shù)對應(yīng)起來，估算滑移率時需要測量輪速和車速，而要準確測量車速難度比較大，同時計算量和數(shù)據(jù)量也非常大，給實車應(yīng)用帶來諸多不便。本文將附著系數(shù)的波動區(qū)間作為識別區(qū)間，無需滑移率即可實現(xiàn)路面識別。

如表1所示，根據(jù)Burckhardt模型得到各典型路面的理論峰值附著系數(shù)，而實際生活中同一典型路面的峰值附著系數(shù)往往會有不同程度的差異，但可以確定的是每種典型路面峰值附著系數(shù)的實際值必然在其理論值附近波動，因此根據(jù)Burckhardt模型中的理論峰值附著系數(shù)可設(shè)計出各典型路面實際峰值附著系數(shù)的波動區(qū)間，如表2所示。

表2 峰值附著系數(shù)的波動區(qū)間

實際生活中各典型路面的實際峰值附著系數(shù)必然在對應(yīng)的波動區(qū)間內(nèi)波動，也就是說在整個滑移率區(qū)間上，各典型路面的附著系數(shù)均小于其峰值附著系數(shù)波動區(qū)間的上限，因此以路面附著系數(shù)為識別參數(shù)，以峰值附著系數(shù)的波動區(qū)間為識別區(qū)間可進行路面識別。

制動開始后，實際滑移率從0向目標滑移率增加，車輛的制動力系數(shù)也從0開始遞增，制動力系數(shù)首先落入路面1（冰）的識別區(qū)間((0,0.12])，因此將系統(tǒng)目標滑移率的初始值設(shè)為冰路面的最佳滑移率0.031，制動開始后實際滑移率從0向0.031快速遞增，最終保持在0.031附近，如果制動力系數(shù)的估算值始終在區(qū)間(0,0.12]（冰路面的峰值附著系數(shù)波動區(qū)間）內(nèi)波動，則表示即便是在路面1（冰）的最佳滑移率下當前路面的附著系數(shù)也小于路面1（冰）峰值附著系數(shù)波動區(qū)間的上限，結(jié)合圖1可看出當前路面必然為路面1（冰）。

如果制動力系數(shù)的估算值超出路面1（冰）的識別區(qū)間，必然首先落入路面2（雪）的識別區(qū)間，系統(tǒng)識別出當前路面為路面2（雪），目標滑移率調(diào)整為路面2（雪）的最佳滑移率0.06，以此類推，系統(tǒng)按照冰、雪、濕鵝卵石、濕瀝青、干瀝青（水泥）的順序，根據(jù)估算的制動力系數(shù)對當前路面進行判定，從而完成路面識別。圖3為識別過程框圖。

圖3 識別過程框圖

4 試驗研究

4.1 聯(lián)合仿真

如圖4所示，在Amesim中通過變量液壓泵/馬達建立液壓再生制動系統(tǒng)，制動時液壓泵/馬達作為泵工作，產(chǎn)生的再生制動力矩對車輪進行制動，同時將汽車制動的機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，儲存在儲能器中，回收制動時的能量。驅(qū)動時液壓泵/馬達作為馬達工作，消耗儲能器中的高壓油為車輪提供動力，釋放回收的制動能量。

在Simulink中搭建車輛模型、識別算法及控制策略，通過兩個軟件進行聯(lián)合仿真。預(yù)設(shè)車輛在雪路面上以10m/s的初速度進行制動，僅采用液壓再生制動。

圖4 聯(lián)合仿真模型

如圖5所示，系統(tǒng)按照附著系數(shù)由低至高的順序?qū)Ξ斍奥访嬉来芜M行判斷識別，識別結(jié)果與預(yù)設(shè)路面一致，識別快速準確。圖6為滑移率-時間曲線，制動過程中實際滑移率對最佳滑移率的跟蹤快速準確，基本保持在當前路面的最佳滑移率，控制效果良好，充分利用了當前路面的附著條件。圖7為速度-時間曲線，當車速小于1m/s時，再生ABS停止工作，輪速快速減小，2秒時車輪抱死，液壓再生制動ABS工作過程中車輪沒有出現(xiàn)抱死，可見在低附著系數(shù)路面上制動時，液壓再生制動具備防抱死功能，制動效果良好。如圖8所示，制動過程中系統(tǒng)根據(jù)實際滑移率實時調(diào)整變量液壓泵的排量系數(shù)，改變液壓泵的實時排量，從而調(diào)節(jié)液壓再生制動力矩，防止車輪抱死。

圖5 路面識別仿真結(jié)果

圖6 滑移率-時間曲線

圖7 速度-時間曲線

圖8 排量系數(shù)-時間曲線

4.2 路面識別道路實驗

如圖9所示，利用六分力測試儀在干瀝青路面進行道路實驗，車輛在制動過程中實時采集車輪受到的縱向力和法向力信號，利用小波工具箱對信號去噪，得到制動時車輪受到的縱向力FX和法向力FZ，根據(jù)式(3)可計算出制動力系數(shù)μ，如圖10所示。

圖9 六分力測試儀

圖10 制動力系數(shù)-采樣點數(shù)曲線

制動開始后，隨著制動強度增大，制動力系數(shù)逐漸增大，依次超出冰、雪、濕鵝卵石、濕瀝青路面的識別區(qū)間，當采樣點數(shù)在115左右時，制動力系數(shù)達到最大值1.04，最終落入干瀝青（水泥）路面的識別區(qū)間，識別出當前路面為干瀝青（水泥）路面。

道路實驗表明以路面附著系數(shù)為識別參數(shù)，以各典型路面峰值附著系數(shù)的波動區(qū)間為識別區(qū)間能夠?qū)崿F(xiàn)路面狀態(tài)的準確識別。

5 結(jié)論

1）以路面附著系數(shù)為識別參數(shù)，以峰值附著系數(shù)的波動區(qū)間為識別區(qū)間，在制動時對當前路面快速準確地完成識別。

2）以變量液壓泵進行制動能量回收，通過調(diào)節(jié)變量泵的排量來調(diào)整液壓再生制動力矩，使液壓再生制動具備防抱死功能。

3）根據(jù)路面識別結(jié)果調(diào)整控制器的目標滑移率，確保車輛在不同路面制動時，完全采用液壓再生制動能夠最大限度利用路面附著條件。

[1]王猛,孫澤昌,卓桂榮,等.電動汽車制動能量回收系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2012,43(2):85-88.

[2]徐耀挺,寧曉斌,王秋成.基于AMESim的純電動汽車液壓再生制動系統(tǒng)的研究[J].機電工程,2012(2):146-150.

[3]趙國柱,滕建輝,魏民祥,等.基于模糊控制的電動汽車低速再生ABS研究[J].中國機械工程,2012,23(1):117-121.

[4]Zhang Jian-long,Yin Cheng-liang,Zhang Jian-wu.Designand analysis of electro-mechanical hybrid anti-lock brakingsystem for hybrid electric vehicle utilizing motor regenerativebraking[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009,1(22):42-49.

[5]張曉龍,孫仁云,李鋒,等.基于平均附著系數(shù)的路面識別方法研究[J].中國測試,2014,40(6):99-103.

[6]張曉慧.液壓混合動力車輛再生制動與ABS協(xié)調(diào)控制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2011.

Study on hydraulic regenerative anti-lock braking system based on road identification

ZHANG Xiao-long, SUN Ren-yun, LI Feng, GE Heng-yong

為了使液壓再生制動單獨工作時具備防抱死功能，通過變量液壓泵進行制動能量回收，在制動時以各路面峰值附著系數(shù)的波動區(qū)間為識別區(qū)間進行路面識別，以識別路面的最佳滑移率為控制目標，通過調(diào)整液壓泵的排量來調(diào)節(jié)再生制動力矩。通過Amesim和Simulink進行聯(lián)合仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)在制動時能夠快速準確地完成路面識別，液壓再生制動具備防抱死功能，最后通過道路實驗對路面識別方法作了進一步驗證。

路面識別；聯(lián)合仿真；液壓再生；防抱死

張曉龍（1988 -），男，陜西蒲城人，碩士，主要從事汽車電控技術(shù)研究。

U463

A

1009-0134(2015)07(下)-0090-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).28

2015-03-05

西華大學研究生創(chuàng)新基金；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項目（2012JY0049）；西華大學人才培養(yǎng)與引進基金項目（R0920301）