基于分層控制的電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)方法

王志新，李彥晶，趙 峰

(1.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050；3.濰坊市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 濰坊 261100)

電動(dòng)汽車(chē)具有再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)兩個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)時(shí)要保證汽車(chē)行駛至坡道結(jié)束時(shí)摩擦制動(dòng)的制動(dòng)系在制動(dòng)末期還具有足夠的制動(dòng)性能。機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)是在制動(dòng)過(guò)程中將車(chē)輛的動(dòng)能通過(guò)摩擦消耗，從而達(dá)到減速目的，其優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)功率高，但該過(guò)程中摩擦制動(dòng)器制動(dòng)功率會(huì)隨著熱積累的增加不斷下降，最終摩擦制動(dòng)器制動(dòng)失效會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)是車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中利用倒拖電機(jī)發(fā)電，并將電能儲(chǔ)存到電池中，從而提升純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，增加了電動(dòng)汽車(chē)的能量利用率。但再生制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)也改變了汽車(chē)前后軸制動(dòng)力分配比例，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)效能和制動(dòng)穩(wěn)定性存在一定影響。

目前針對(duì)純電動(dòng)車(chē)復(fù)合制動(dòng)，曹秉剛等以電機(jī)再生制動(dòng)控制方法、電池特性和電機(jī)特性為研究對(duì)象，運(yùn)用最新現(xiàn)代控制理論方法，設(shè)計(jì)控制策略，明顯提升制動(dòng)能量回收效率[1]；王軍等建立純電動(dòng)客車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，在考慮整車(chē)制動(dòng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提出“分段復(fù)合”策略，提升制動(dòng)能量回收率[2]；郭金剛等在復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了主、輔電源能量回饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)回收能量對(duì)主輔電源充電[3]；周云山等采用理想制動(dòng)力分配，對(duì)前、后軸再生制動(dòng)力與機(jī)械摩擦制動(dòng)力進(jìn)行二次分配，優(yōu)化了整車(chē)控制策略[4]。通過(guò)分析，以上研究主要集中于提出優(yōu)化復(fù)合制動(dòng)控制策略以提高車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)性能，但未將駕駛員操縱因素以及道路因素納入到制動(dòng)控制的考慮范圍之內(nèi)。

本文以某純電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，提出分層架構(gòu)的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，建立制動(dòng)意圖識(shí)別模型，以電動(dòng)車(chē)電池特性、電機(jī)和制動(dòng)力優(yōu)化分配為約束條件，建立了基于制動(dòng)意圖識(shí)別的復(fù)合制動(dòng)控制模型，制定復(fù)合制動(dòng)控制策略，并運(yùn)用系統(tǒng)仿真，以驗(yàn)證控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中綜合考慮操縱穩(wěn)定性、安全性和再生制動(dòng)能量回饋效率，以及制動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和功能的獨(dú)立性，建立分層架構(gòu)的復(fù)合制動(dòng)控制系統(tǒng)[5]。

該控制系統(tǒng)由3層組成，其中上層為感知層，融合車(chē)輛狀態(tài)信息、道路環(huán)境信息、駕駛?cè)瞬僮餍畔ⅲ?jì)算需求縱向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和橫擺力矩。中層為決策層，將來(lái)自上層的橫擺力矩值和駕駛?cè)似谕v向力矩進(jìn)行分配，依據(jù)各制動(dòng)輪制動(dòng)力分配約束條件，優(yōu)化分配制動(dòng)力到前后軸及各個(gè)車(chē)輪[6]。下層為控制層，控制電機(jī)制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的匹配及車(chē)輪滑轉(zhuǎn)率，分層架構(gòu)的電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 分層控制系統(tǒng)架構(gòu)模型

復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)制動(dòng)主要由電機(jī)、動(dòng)力電池以及電機(jī)控制器、整車(chē)控制器等組成。摩擦制動(dòng)包括機(jī)械制動(dòng)器、真空助力器和液壓助力器。各個(gè)系統(tǒng)之間獨(dú)立工作，其狀態(tài)信息通過(guò)CAN總線形成交互，并匯總至整車(chē)控制器(VCU),整車(chē)控制器根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行狀況，以及每個(gè)制動(dòng)子系統(tǒng)的狀態(tài)，進(jìn)而分析對(duì)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)輸出的制動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)[7]，電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合控制制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 構(gòu)建制動(dòng)駕駛意圖的識(shí)別模型

制動(dòng)操縱行為在時(shí)間上的組合反映了當(dāng)前駕駛?cè)烁鶕?jù)駕駛環(huán)境所產(chǎn)生的駕駛意圖[8]。復(fù)合制動(dòng)過(guò)程中，駕駛員制動(dòng)意圖屬于較長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)雜事件，因此需將一段時(shí)間內(nèi)的制動(dòng)過(guò)程，分割成持續(xù)時(shí)間較短的單一事件[9]。由于踩下制動(dòng)踏板階段的時(shí)間過(guò)短不利于獲得此過(guò)程的特征，同時(shí)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)踏板保持階段的數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，占整個(gè)制動(dòng)時(shí)間的一半以上，因此，在制動(dòng)保持階段進(jìn)行駕駛員意圖辨識(shí)可以有效改善模型的辨識(shí)效果以及駕駛?cè)酥苿?dòng)意圖識(shí)別速度，以此建立底層緊急制動(dòng)模型、正常制動(dòng)模型、緩慢制動(dòng)高斯混合隱形馬爾科夫GHMM模型，模型如圖3所示。

O(t)={a(t),b(t),c(t)},

(1)

式中：a(t)為制動(dòng)踏板位移；b(t)為制動(dòng)踏板位移變化率；c(t)為制動(dòng)踏板力。

通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用T-test假設(shè)檢驗(yàn)剔除異常數(shù)據(jù)，利用高斯聚類(lèi)方法截取訓(xùn)練數(shù)據(jù)，應(yīng)用Baum-Welch算法中的遞歸思想，確定并迭代優(yōu)化制動(dòng)GHMM模型λ的各參數(shù)，λ可以描述為

λ=(Л,A,B).

(2)

圖3 制動(dòng)駕駛意圖模型結(jié)構(gòu)

GHMM模型參數(shù)優(yōu)化完成后，將采集到的各傳感器數(shù)據(jù)，如制動(dòng)踏板位移傳感器、速度傳感器、力傳感器、車(chē)速傳感器，分別送到駕駛意圖識(shí)別模塊中，運(yùn)用前向—后向算法計(jì)算每個(gè)模塊的GHMM 相對(duì)于當(dāng)前序列產(chǎn)生的可能性，以概率最大的模型作為當(dāng)前駕駛員行為，高斯混合隱形馬爾科夫模型結(jié)構(gòu)的訓(xùn)練過(guò)程如圖4所示。

圖4 GHMM結(jié)構(gòu)訓(xùn)練過(guò)程

3 電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)控制策略

電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)控制策略制定需要依據(jù)車(chē)輛復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合車(chē)輛制動(dòng)力學(xué)特性、制動(dòng)力分配特性、電機(jī)和蓄電池等因素的影響，從而在保證車(chē)輛穩(wěn)定性、制動(dòng)性能的前提下，又要最大限度地提高制動(dòng)能量回收率[9]。

3.1 制動(dòng)力分配約束條件

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力主要依靠電機(jī)控制器和液壓控制器分別控制輸出電機(jī)制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力，電機(jī)制動(dòng)力來(lái)源于車(chē)輪的慣性倒拖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)換動(dòng)能發(fā)電的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生阻礙力矩形成制動(dòng)力[10]。汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)阻力合力F為

東亭的人們此時(shí)才發(fā)現(xiàn)，其實(shí)不光去東湖難，去博物館去美術(shù)館以及上東湖路，都不再容易?？焖俾钒阉羞M(jìn)出路口都封死，整條馬路只有東湖賓館出行方便。東湖賓館是貴地，以前毛主席喜歡住在這里。中央客人和省里官員也都喜歡住在這里。路是為他們修的。東亭滿街嘩然過(guò)后，便只有沉默。

F=Ff+Fw+Fb,

(3)

式中：Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fb為車(chē)輛的制動(dòng)力。

Fb(前后輪)的制動(dòng)力合力計(jì)算如式(4)，即

Fb=Fbf+Fbr,

(4)

式中：Fbf為前輪制動(dòng)力；Fbr為后輪制動(dòng)力，且分別為各自摩擦制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力之和，即:

Fbf=Fbf_mri+Fbf_reg,Fbr=Fbr_mri+Fbr_reg,

(5)

式中：Fbf_mri為前輪摩擦制動(dòng)力；Fbf_reg為后輪摩擦制動(dòng)力；Fbr_mri為前輪電機(jī)再生制動(dòng)力；Fbr_reg為后輪電機(jī)再生制動(dòng)力。

電動(dòng)汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)為防止失去轉(zhuǎn)向能力、跑偏和側(cè)滑，參考《ECE-R13號(hào)法規(guī)》對(duì)車(chē)輛前后軸制動(dòng)力的限制要求，按照立項(xiàng)制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線對(duì)前后輪制動(dòng)力進(jìn)行分配，具體分配如式(6)～(11)。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：L1、L2分別為質(zhì)心距前軸和后軸的距離；L為軸距；φ為附著系數(shù)；h為質(zhì)心高度；M為汽車(chē)總質(zhì)量；g為重力加速度；β為制動(dòng)力分配系數(shù)；z為制動(dòng)強(qiáng)度。

3.2 電機(jī)制動(dòng)約束條件

電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力矩與發(fā)電功率、轉(zhuǎn)速有如下的關(guān)系，即

(12)

式中：Treg為電機(jī)制動(dòng)力矩；Tmax為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；n為轉(zhuǎn)速；nN為額定轉(zhuǎn)速；nm為最高轉(zhuǎn)速；P為最大功率；η為發(fā)電效率。

電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，再生制動(dòng)力矩接近0，因此為保證制動(dòng)安全性，將300r·min-1設(shè)置為電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)速閾值。

3.3 蓄電池約束條件

電機(jī)再生制動(dòng)回饋的電能最終要存儲(chǔ)到蓄電池中，因此為了保證蓄電池使用的安全性和壽命，應(yīng)根據(jù)SOC限制再生制動(dòng)最大充電電流，蓄電池對(duì)再生制動(dòng)的約束為

(13)

式中：Ireg為再生制動(dòng)充電電流；Iregmax為蓄電池最大允許充電電流。

3.4 復(fù)合制動(dòng)控制策略

根據(jù)需求制動(dòng)力矩Tb、制動(dòng)踏板位移和制動(dòng)踏板位移變化率、以及車(chē)速進(jìn)行制動(dòng)意圖識(shí)別，如果判斷出為輕度制動(dòng)時(shí)，由于制動(dòng)強(qiáng)度普遍較低，電機(jī)制動(dòng)力矩能夠滿足總需求的制動(dòng)力矩，則由電機(jī)再生制動(dòng)提供總制動(dòng)力；否則根據(jù)約束條件后軸制動(dòng)力矩由電機(jī)再生制動(dòng)力矩提供，不足部分由前軸機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充制動(dòng)力矩，大小為T(mén)b-Treg。如果判斷出制動(dòng)意圖為中度制動(dòng)時(shí)，前軸制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)提供，后軸制動(dòng)力優(yōu)先采用電機(jī)制動(dòng)，根據(jù)制動(dòng)力分配曲線和約束條件分別計(jì)算出后軸需求制動(dòng)力矩Tr和再生制動(dòng)力矩Treg，當(dāng)TrTreg時(shí)，由電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同提供后軸制動(dòng)力。如果判斷出制動(dòng)意圖為緊急制動(dòng)時(shí)，為了保證制動(dòng)安全性，電機(jī)制動(dòng)退出，由機(jī)械制動(dòng)提供全部制動(dòng)力。最后，將所得的制動(dòng)力傳遞給汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)，得到汽車(chē)的實(shí)際減速度[11]。復(fù)合制動(dòng)控制策略如圖5所示。

圖5 電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合控制策略

4 制動(dòng)工況仿真及結(jié)果分析

利用Matlab設(shè)計(jì)的復(fù)合制動(dòng)控制策略模型如圖6所示，復(fù)合制動(dòng)控制策略模型由制動(dòng)意圖識(shí)別模塊和制動(dòng)力分配模塊兩部分組成，輸入值包括加速度a、蓄電池SOC、車(chē)速v和制動(dòng)踏板位移S四個(gè)信號(hào)，經(jīng)制動(dòng)意圖識(shí)別模塊預(yù)測(cè)分類(lèi)，制動(dòng)力分配模塊以此完成各輪制動(dòng)力下的調(diào)節(jié)以及電機(jī)制動(dòng)力的分配。

圖6 復(fù)合制動(dòng)控制策略模型

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，設(shè)定初始SOC=80%、初始車(chē)速60 km/h，制動(dòng)強(qiáng)度z為0.1、0.3、0.5、0.7、0.8時(shí)的5種工況進(jìn)行緩慢制動(dòng)、正常制動(dòng)和緊急制動(dòng)性能仿真，并將不同制動(dòng)強(qiáng)度下仿真得到的車(chē)速、制動(dòng)距離、制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻蓄電池SOC、回收到蓄電池的能量進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 5種工況下的車(chē)速制動(dòng)性能對(duì)比

通過(guò)表1可知，在60 km/h初始速度下制動(dòng)時(shí)，隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增加，制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離均隨之減少，另外，在高制動(dòng)強(qiáng)度(z=0.7和z=0.8)，即緊急制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛的制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離均能夠滿足制動(dòng)安全性要求。

選取典型城市道路循環(huán)工況驗(yàn)證復(fù)合制動(dòng)控制策略的作用效果，通過(guò)對(duì)比有制動(dòng)意圖識(shí)別策略與無(wú)制動(dòng)意圖識(shí)別策略的結(jié)果檢驗(yàn)控制策略在循環(huán)工況中的性能，電動(dòng)汽車(chē)的初始SOC值設(shè)定為50%。仿真結(jié)果如圖7和表2所示。循環(huán)結(jié)束時(shí)采用本文復(fù)合制動(dòng)控制策略比無(wú)制動(dòng)能量回收控制策略的蓄電池SOC值高出0.36%，復(fù)合制動(dòng)控制策略能夠回收385 kJ能量，制動(dòng)能量回收率達(dá)到了12.87%?；隈{駛意圖識(shí)別的復(fù)合制動(dòng)控制策略能夠在循環(huán)工況中快速準(zhǔn)確識(shí)別制動(dòng)意圖，能夠更有效地降低能量消耗，提高了制動(dòng)能量回收率，改善了整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

圖7 不同制動(dòng)策略SOC變化

表2 不同制動(dòng)控制策略下性能對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，首先設(shè)計(jì)搭建了分層架構(gòu)的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，建立了駕駛意圖識(shí)別模型；其次基于駕駛意圖模型和車(chē)速，以及制動(dòng)力分配約束、電機(jī)特性約束以及蓄電池特性約束，制定了基于駕駛意圖識(shí)別的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制策略；最后應(yīng)用仿真軟件對(duì)復(fù)合制動(dòng)控制系統(tǒng)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于駕駛意圖識(shí)別的復(fù)合控制策略能在多種制動(dòng)工況下有效穩(wěn)定的工作，在保證安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提高制動(dòng)能量回收利用率，增加車(chē)輛的續(xù)航里程，提升車(chē)輛經(jīng)濟(jì)性能。