四軸混合動力車輛機電復合制動控制策略研究

范 婧， 呂志鴻， 朱勤儀， 張 勇， 趙艷輝(中國北方車輛研究所，北京100072 )

隨著電機、電控、電池等技術的發(fā)展，混合動力車輛已得到廣泛推廣與應用.與傳統(tǒng)車輛相比，混合動力車輛具備燃油經(jīng)濟性好、噪音小等優(yōu)點.伴隨產(chǎn)生的機電復合制動技術集成了電機制動響應快、能量回收效率高及液壓制動安全穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為目前研究的熱點方向之一[1].

目前，多軸車輛的機電復合制動理論尚不成熟，但是，大量的文獻對機電復合制動系統(tǒng)進行了探討研究[2-7]，其中文獻[2]對電動汽車復合制動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行了綜述，將機電復合制動系統(tǒng)分為制動踏板型和油門踏板型，前者又根據(jù)制動踏板和液壓制動閥之間是否存在機械連接分為制動踏板未解耦型和制動踏板解耦型.鑒于制動踏板解耦型制動系統(tǒng)的制動踏板和液壓制動閥之間不存在剛性機械連接，可以獨立對電機制動和液壓制動進行控制，從而可以提高制動效能.

文中針對某8×8混合動力輪式車輛即采用了這種制動踏板解耦型制動系統(tǒng)，如圖1.制動踏板為電子踏板，駕駛員踩下制動踏板，電子踏板將踏板角度轉(zhuǎn)換為電信號，計算出踏板轉(zhuǎn)動的速率，將采集的信號同時輸入到電控單元及液壓閥的驅(qū)動器，識別駕駛員的制動意圖，即所需的制動力大小，電控單元從驅(qū)動電機控制器得到可輸出的再生制動力，根據(jù)總制動力需求與再生制動力之差，可知此次制動中液壓制動所需的制動力，然后將信號傳遞給驅(qū)動器，驅(qū)動電磁閥根據(jù)電流調(diào)整輸出到制動器的液壓力，配合驅(qū)動電機的再生制動力進行復合制動.

圖1 解耦型8×8制動系統(tǒng)原理圖

1 機電復合制動控制策略的制定

機電復合制動的基本原理是合理分配電機制動力和液壓制動力，有效利用地面附著率系數(shù)，使各軸制動力分配接近理想制動力，以保證車輛制動的穩(wěn)定性和動力性，并且在此基礎上，盡可能多的回收制動能量.機電復合制動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于該系統(tǒng)的制動控制策略.

從機電復合制動的原理來看，存在以下幾個關鍵問題：

1)制動的穩(wěn)定性.針對電制動力矩(即電機回饋制動力矩)隨車速變化大的特點，如何協(xié)調(diào)電機回饋制動力矩和摩擦制動力矩之間的分配進行制動的穩(wěn)定性控制是首先要解決的問題.

2)制動能回收效率.即在保證車輛制動穩(wěn)定性前提下，盡可能多的回收制動能.

3)制動過程的平順性.車輛制動時，電機回饋制動力矩作為輔助制動力矩將影響駕駛平順性，機電復合制動控制策略需要保證混合動力車輛的制動與常規(guī)汽車制動系的制動感覺一樣，即“駕駛員感覺一致性”.

根據(jù)4軸8輪電驅(qū)動車輛解耦型制動系統(tǒng)的特點，以保證駕駛員制動感覺的一致性、制動安全為基礎，最大限度地回收制動能量為目的，對電機制動和液壓制動進行獨立控制.具體來說，低制動強度下，制動力完全由電機提供；中等制動強度下，由電機制動和液壓制動共同完成制動；高制動強度下，為保證安全，完全由液壓制動.

由此，制定機電復合制動控制策略,如圖2所示.

圖2 復合制動控制策略

2 機電復合制動的仿真建模

2.1 駕駛員需求模塊

駕駛員需求模塊包括駕駛員行為模擬和踏板擬合兩部分.在循環(huán)工況下，駕駛員需要根據(jù)循環(huán)工況或給定工況要求及車輛當前狀態(tài)，模擬駕駛員對加速踏板和制動踏板的動作，確定驅(qū)動和制動力，實現(xiàn)對工況的跟蹤.此方案建立的駕駛員模型本質(zhì)上是一個PI控制器，如下所示：

ve=vref-vf,

(1)

(2)

(3)

式中：vref為期望車速；vf為實際反饋車速；ve為期望車速與實際反饋車速的偏差；k為加速或制動踏板深度，k∈[-1,1].其中，當k≥0時，表示為汽車加速，加速踏板響應；當k<0時，汽車處于制動狀態(tài)，制動踏板響應；A為踏板滿量程值；kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；λi為積分抗飽和系數(shù).

根據(jù)駕駛員模塊得到踏板深度k，根據(jù)k對踏板進行擬合，得到駕駛員對加速或減速要求.

2.2 軸上載荷及制動力計算

基于駕駛員模型，為了分析制動力的分配，需要對多軸車輛的軸上載荷進行計算，如式(4)所示.

(4)

式中：Fz,i為i軸上載荷；ci為i軸懸掛和輪胎串聯(lián)剛性系數(shù)；δi為i軸彈載引起的懸掛和輪胎的變形和；li為i軸到一軸的水平距離；Α為車體傾角；Pa為慣性力矩；a為加速度(a≥0)或(a<0)；m0為整車彈載質(zhì)量；mi為各軸非彈載質(zhì)量；Hs為整車彈載質(zhì)量的重心高度；R為車輪半徑.

基于式(4)進行驅(qū)動力或制動力的計算，首先定義附著率如下：

(5)

在理想制動或驅(qū)動條件下，附著率和制動或加速強度相等，即φ=z，且φ≤ψ，ψ為附著系數(shù).故軸上驅(qū)動或制動力為

Fx=z×Fz.

(6)

2.3 液壓制動輸出計算

液壓輸出力矩M由液壓P、活塞直徑d、活塞數(shù)n、摩擦單量半徑Rdis、摩擦系數(shù)μ確定，如式(7)所示.

(7)

考慮制動器工作特性，液壓制動器輸出力矩如式(8)所示.

(8)

式中：ωn為制動器自然振蕩角速度；s為傳函因子；ξ為制動器阻力系數(shù)，二者與制動器等效剛度、黏滯系數(shù)、制動器的移動質(zhì)量有關.

實際操作時，比例電磁閥的動作時間較短，可視為一階延遲環(huán)節(jié)如式(9)所示.

(9)

式中：tc為電磁閥的延遲時間常數(shù).

聯(lián)合式(8)、(9)可得，從液壓電磁閥給定命令到制動器轉(zhuǎn)矩輸出為

(10)

由于電磁閥的延遲相對于液壓制動中的壓力變化周期(幾十毫秒)較短，因此，可以將液壓制動系統(tǒng)視為一個較大的一階慣性環(huán)節(jié)如式(11)所示.

(11)

式中：th為整個液壓制動系統(tǒng)的等效延遲時間，取100 ms.

2.4 電機制動力輸出

電機制動力的輸出，主要是根據(jù)其在一、四象限的外特性和動力電池的SOP進行計算輸出.計算過程如下：

1)根據(jù)電機外特性曲線，插值計算當前車速下電機可以提供的最大轉(zhuǎn)矩，進而計算當前轉(zhuǎn)速下電機可以提供的最大制動力，同時插值計算當前轉(zhuǎn)速下電機可提供的最大功率；

2)由鋰離子電池充放電的過程，應用Rint模型計算當前電池可提供的最大功率，即SOP；

3)取兩個最大功率的最小值；

4)由該最小值，計算當前轉(zhuǎn)速下電機制動力矩.

(12)

式中：Tm、ωm、Pm及ηm分別表示制動力矩、角速度、功率及效率.

2.5 整車縱向動力學建模

由式(13)建立整車的縱向驅(qū)動方程，并計算水平加速度、速度、位移和功率消耗.

(13)

3 機電復合制動仿真分析

針對某8×8混合動力車輛的制動踏板解耦型機電復合制動系統(tǒng)，采用機電復合制動策略在各軸上優(yōu)先采用電機制動，電機制動力不夠時，液壓制動補充.

以30 km/h初速度，在附著系數(shù)分別為0.2、0.5和0.8的條件下實施機電復合制動，得到的制動距離和制動減速度如圖3、圖4所示.

圖3 不同附著系數(shù)下機電復合制動的制動距離

圖4 不同附著系數(shù)下機電復合制動的制動減速度

以30 km/h初速度，在附著系數(shù)分別為0.2、0.5和0.8的條件下實施液壓制動，得到的制動距離和制動減速度如圖5、圖6所示.

圖5 不同附著系數(shù)下液壓制動的制動距離

圖6 不同附著系數(shù)下液壓制動的制動減速度

以30 km/h初速度，當液壓制動失效時，僅采用電機制動，在附著系數(shù)分別為0.2、0.5和0.8的條件下，仿真得出的制動距離和制動減速度如圖7、圖8所示.

圖7 不同附著系數(shù)下電機制動的制動距離

圖8 不同附著系數(shù)下電機制動的制動減速度

由以上分析得出機電復合制動、液壓制動、電機制動3種模式下的制動距離、制動時間以及減速度如表2所示，其中，液壓制動為原始車輛的試驗數(shù)據(jù).3種制動方式中，機電復合制動時間最短，為1.75 s.相應的機電復合制動制動距離最短，平均減速度最大.

表2 路面附著系數(shù)0.8、初速度為30 km/h時不同制動方式的制動效能

4 結(jié) 論

根據(jù)輪轂電機驅(qū)動特點和雙回路液壓控制，采用了復合制動策略，研究結(jié)果表明8×8混合動力車輛機電復合制動相比液壓制動，減小制動時間2%，縮短制動距離2.8%.

參考文獻：

[1] 張 純，曾慶璽，朱 浩．混合動力汽車發(fā)展綜述[J]．機械工程與自動化，2016(2)：222-224.

[2] 熊 璐，錢 超，余卓平. 電動汽車復合制動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀綜述[J]，汽車技術，2015(1):1-8.

[3] 張建龍，殷承良，張建武，等．混合動力汽車機電復合制動控制系統(tǒng)研究[J]．系統(tǒng)仿真學報，2009,21(16):5169-5174.

[4] 王奎洋，何 仁．汽車機電復合制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術現(xiàn)狀分析[J]．重慶理工大學學報，2014，28(12):10-17.

[5] 秦大同，譚強俊，楊 陽，等．CVT混合動力汽車再生制動控制策略與仿真分析[J].汽車工程，2007，29(3):220-225.

[6] 彭 棟，殷承良，張建斌．混合動力汽車制動力距動態(tài)分配控制策略研究[J]．系統(tǒng)仿真學報，2007，19(22):5254-5259.

[7] 過學迅，張 靖．混合動力電動汽車再生制動系統(tǒng)的建模與仿真[J]．武漢理工大學學報，2005，27(1):116-120.