純電動汽車液壓制動力特性研究

李銀剛，盤朝奉,2，戴偉，陳燎，衣豐艷，周稼銘

（1.212013 江蘇省 鎮(zhèn)江市 江蘇大學 汽車與交通工程學院；2.212013 江蘇省 鎮(zhèn)江市 江蘇大學 汽車工程研究院；3.215131 江蘇省 蘇州市 蘇州摯途科技有限公司；4.250023 山東省 濟南市 山東交通學院 汽車工程學院；5.100081 北京市 北京理工大學 機械與車輛學院）

0 引言

由于大氣污染問題和資源短缺，電動汽車成為交通工具新的選擇和發(fā)展方向[1]，但是續(xù)駛里程短等問題嚴重制約了電動汽車的發(fā)展。在城市工況下，驅動汽車行駛的能量有1/3～1/2 被消耗在制動過程中[2]。再生制動是目前電動汽車中應用最廣泛且最重要的技術之一[3]，它可以在汽車制動時將部分車輛動能轉化為電能并儲存起來[4]，增加了電動汽車的續(xù)駛里程數(shù)。

機電復合制動過程中，需首先在保證制動效能的前提下提高制動能量的回收效率，這就要對車輛驅動軸上的電機制動力與液壓制動力進行合理分配。復合制動系統(tǒng)按照液壓制動力的控制方式分為并聯(lián)式和串聯(lián)式[5]。并聯(lián)式是指直接將電機制動疊加在機械制動系統(tǒng)上，不對車輛本身的機械制動系統(tǒng)進行更改，只對后加的再生制動進行控制[6]，這種形式控制簡單、實現(xiàn)難度不高，但回收能量也有限，一些常見的油門踏板控制型和非解耦式均屬于并聯(lián)式。而解耦式則為串聯(lián)式，即將制動踏板在結構上與主缸解耦，實現(xiàn)液壓力的完全可控。串聯(lián)式普遍開發(fā)電子液壓制動系統(tǒng)提供機械制動[7]。這種形式控制復雜，實施難度大，但能實現(xiàn)更為復雜的控制策略，從而提高能量回收效率。國內外專家對復合制動也進行了很多研究,Karlsruhe Institute of Technology 的Andre Suchaneck[8]等人探究了電機再生制動系統(tǒng)特性，提出了最優(yōu)回饋制動分配方案，通過仿真驗證了其能顯著增加能量回收效率；德國BOSCH公司為協(xié)調能量回收與制動踏板感先后開發(fā)了ibooster 和IPB 系統(tǒng)；南京航空航天大學的Wang C[9]等人探討了多目標、多約束條件下的制動力優(yōu)化分配方法，設計了制動感覺一致性控制器。仿真結果表明，采用該策略的復合制動系統(tǒng)不僅能夠消除制動模式切換時的波動，保證駕駛員獲得一致的制動感覺，而且具有良好的跟蹤性能和較強的抗干擾能力；清華大學的呂辰[10]提出具有雙重功能的能量回收控制方案，通過采用踏板模擬器這一裝置，降低了協(xié)調制動系統(tǒng)的實施難度，提出兼顧制動平順、踏板感覺和能量回收效率的綜合優(yōu)化策略?？梢钥闯?，對再生制動技術的研究離不開對電制動力和液壓制動力的控制。本文將從探究機電復合制動系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，理論研究協(xié)調控制策略，搭建液壓控制實驗臺架，測取液壓制動力的變化特性，為進一步實現(xiàn)機電協(xié)調控制提供依據。

1 系統(tǒng)結構與工作原理

1.1 復合制動系統(tǒng)結構

本文研究的純電動汽車機電復合制動系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 電動汽車機電復合制動系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of electromechanical composite brake system of electric vehicle

復合制動控制單元一方面根據踏板位移傳感器傳輸?shù)男盘栍嬎愕贸鲴{駛員需求制動力，另一方面向整流橋和液壓制動系統(tǒng)分別發(fā)送占空比的控制信號和電磁閥的開關信號，以實現(xiàn)電制動力和液壓制動力的調節(jié)。

1.2 再生制動系統(tǒng)結構與工作原理

超級電容與動力電池組成的再生制動系統(tǒng)的結構如圖2 所示。

當駕駛員踩下制動踏板時，再生制動控制器根據車速、超級電容等狀態(tài)對系統(tǒng)主電路控制，輸出晶閘管的G 極占空比信號，完成制動指令的同時進行能量的回收，當駕駛員踩下加速踏板時，超級電容與動力電池一起驅動汽車。

圖2 電動汽車再生制動系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of regenerative braking system of electric vehicle

當駕駛員對車輛進行制動時，電機產生反電動勢，再經過本文所設計的半可控整流橋，制動電流可流向超級電容端，以實現(xiàn)電制動對超級電容進行充電，例如圖3 中虛線部分流向所示，制動電流可經由電機、T2、超級電容、D2，再流回電機；同時，通過控制晶閘管G 極的導通占空比的大小，以實現(xiàn)對再生制動電流的控制，從而能夠對電制動力大小進行控制。

圖3 電動汽車再生制動原理圖Fig.3 Schematic diagram of regenerative braking of electric vehicle

1.3 液壓制動系統(tǒng)結構與工作原理

如圖4 所示，安裝在從主缸雙腔流出的油路上的電磁閥的開閉由制動控制單元控制，并且每一個電磁閥旁都裝有通過三通與油路連接的壓力傳感器。駕駛員踩下制動踏板時，當壓力傳感器采集到的值小于制動ECU 內所設置的門限值時，電磁閥不打開，制動液不能繼續(xù)流向輪缸，這種情況下沒有液壓制動力；當壓力傳感器采集到的值大于制動ECU 內所設置的門限值時，電磁閥打開，制動液能夠繼續(xù)流到輪缸中去，此時有液壓制動力，并且制動ECU 會進一步根據位移傳感器計算得到的駕駛員需求制動力以及4 個輪缸壓力傳感器采集的4 個輪缸的壓力值來控制液壓調節(jié)系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對液壓制動力大小的調節(jié)。

圖4 電動汽車液壓制動結構圖Fig.4 Hydraulic brake structure diagram of electric vehicle

2 機電復合制動協(xié)調控制策略

2.1 前后軸制動力分配策略

機電復合制動系統(tǒng)協(xié)調控制策略的研究主要集中于車輛前后軸制動力分配以及驅動軸上機電制動力的分配。本文的前后軸制動力分配曲線如圖5 折線OABC 所示。

圖5 前后軸制動力分配曲線Fig.5 Braking force distribution curve of front and rear axles

圖5 中，在A 點之前的制動需求全部由前軸滿足，AB 折線過程中，只有后軸制動力增加，并逐漸變化為車輛固有制動力分配曲線，前后軸制動力將按照車輛固有的分配曲線進行分配，即圖5 中BC 段；到了C 點之后，由于制動強度較大，直接進行液壓ABS 制動?？梢钥闯?，A 點和C 點是兩個門限點，其中，A是機電解耦控制的門限點，而C 是緊急制動介入的門限點。

2.2 驅動軸機電制動力分配策略

針對驅動軸上機械液壓制動和電機再生制動之間制動力分配問題，本文提出的分配曲線如圖6 所示。

前軸作為驅動軸，狀況比較復雜。施加在其上的制動力有兩種，一種是由電機反電動勢產生的再生制動力，另一種是車輛原有的液壓制動力。本文提出的分配策略是，讓電機單獨制動直到A點，而后由于電機的限制，需要介入液壓制動力，以保證在再生制動力減少的同時能夠維持驅動軸整體制動力的恒定。如圖5 和圖6 的AB 折線所示，在B 點之后，BC 段的斜率明顯大于AB 段，這是因為過了B 點后，驅動軸上的整體制動力開始變多；而過了C 點之后，不采取電機制動，所有的制動需求完全由液壓提供。

圖6 前軸制動力分配曲線Fig.6 Front axle braking force distribution curve

3 實驗驗證

由于本文提出的控制策略是在不改變原車前后軸制動力固定分配比例的基礎上最大程度利用再生制動，屬于制動踏板非解耦復合制動控制形式，因此對于機電解耦及相關液壓的控制就顯得尤為重要，根據制動踏板不同程度的下沉，準確而迅速地控制液壓力的介入是整個復合制動控制中關鍵的一環(huán)。下文將著眼于從實驗硬件中實現(xiàn)對液壓制動力的精準控制。

3.1 液壓制動力控制裝置設計開發(fā)

控制裝置的電路框架圖和硬件實物圖如圖7和圖8 所示，主要由電源電路、控制器ECU 和隔離電路等組成。其中，控制器通過V/F 轉換電路將傳感器采集的踏板位移、輪缸壓力和電磁閥壓力等模擬信號轉換成數(shù)字信號，再對這些輸入的數(shù)字信號進行計算得到相應的PWM 信號，進而輸出對應的電磁閥控制信號，實現(xiàn)對液壓制動力的控制。隔離電路用于將整個系統(tǒng)中的供電電源與輸出輸入信號隔離，提高系統(tǒng)可靠性。

圖7 硬件電路框架圖Fig.7 Hardware circuit frame diagram

圖8 硬件電路實物圖Fig.8 Hardware circuit diagram

3.2 實驗裝置

圖9 是控制實驗裝置，主要由制動主缸、壓力傳感器、控制器、解耦電磁閥、增減壓電磁閥和制動輪缸等構成，圖中虛線表示信號連接，實線表示液壓管路連接。

圖9 實驗裝置Fig.9 Experimental device

3.3 液壓制動力控制實驗

在完成控制裝置的搭建和通信設備的連接工作之后，本文進行了相關的液壓制動力控制實驗。實驗包括兩個部分，第1 部分是對液壓制動力的跟蹤調節(jié)控制。實驗中采取的跟蹤目標是幅值為10 MPa 的正弦波和幅值為10 MPa 的方波，實驗曲線如圖10—圖11 所示。

由圖10、圖11 可知，在對目標制動力跟蹤控制的過程中，雖在部分波峰和建壓過程中液壓力有明顯的抖動，但總體上還是實現(xiàn)了良好的跟隨控制，體現(xiàn)了所開發(fā)液壓裝置一定的有效性。

圖10 液壓正弦波跟隨曲線Fig.10 Following curve of hydraulic sine wave

圖11 液壓方波跟隨曲線Fig.11 Follow curve of hydraulic square wave

第2 部分進行了不同液壓制動力需求下模擬機電解耦控制實驗。此實驗可以很好地模擬在機電協(xié)調分配策略中對液壓制動力和電機制動力的解耦控制，即可實現(xiàn)在制動初期完全由電機提供制動力，之后隨著制動需求的提高，解耦電磁閥打開，液壓制動力介入進行補充，以實現(xiàn)更高效率的能量回收。實驗中，分別將5 MPa、7 MPa和10 MPa 設為電磁閥開啟的門限值，具體實驗曲線如圖12—圖14 所示。

由圖12—圖14 可知，當解耦電磁閥前的管路壓力沒有達到門限值時，解耦電磁閥處于閉合狀態(tài)，制動液流不到制動輪缸中去，液壓制動力建立不起來，在這一段過程中，制動力完全由電機提供，此過程為純電機制動過程。

圖12 5 MPa 模擬機電解耦實驗曲線Fig.12 5 MPa analog electromechanical decoupling curve

圖13 7 MPa 模擬機電解耦實驗曲線Fig.13 7 MPa analog electromechanical decoupling curve

圖14 10 MPa 模擬機電解耦實驗曲線Fig.14 10 MPa analog electromechanical decoupling curve

隨著制動踏板被進一步踩下，解耦電磁閥前的管路壓力達到 設定的門限值，此時解耦電磁閥處于打開狀態(tài)，閥前管路與閥后管路接通，整個管路的容積瞬時變大，這也解釋了圖中達到門限值點時，閥前管路壓力和閥后管路壓力出現(xiàn)陡降和陡增的現(xiàn)象，并且在很短的時間內實現(xiàn)了前后壓力保持同步。以上是對3 幅圖的共性進行分析，但縱向對比3 幅曲線，解耦電磁閥開啟門限值為5 MPa、7 MPa 和10 MPa 的對應開啟點的制動踏板位移分別是0.6 cm、0.68 cm 和0.73 cm，開啟門限值越高，踏板位移值越大，越能更大程度進行能量回收，然而由于缺少液壓力的反饋，帶給駕駛員制動踏板感的不適也會更加強烈。

4 結論

本文從純電動汽車機電復合制動技術中遇到的電制動力與液壓制動力難以協(xié)調的問題出發(fā)，分別探究再生制動與液壓制動系統(tǒng)結構原理，同時解析了車輛前后軸制動力分配策略及驅動軸機電制動力分配策略，在此基礎上，設計開發(fā)了液壓制動控制裝置。

在液壓制動控制實驗中，分別開展了液壓制動跟蹤調節(jié)控制和模擬機電解耦控制實驗，通過實現(xiàn)液壓制動力的良好跟隨驗證了實驗裝置的有效性。以5 MPa、7 MPa 和10 MPa 來分別模擬不同程度的液壓制動需求，得到了液壓制動力變化特性曲線，同時分析了制動踏板位移開度與液壓力介入之間的關系，為機電協(xié)調制動控制的研究提供了依據。

然而，本文缺少對機電復合制動整體的實驗部分探究，特別是能量回收與制動踏板感這一對看似矛盾體的研究，這也將是作者后續(xù)研究的一個重要方向。