基于電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制探究

張力元

日照市科技中等專業(yè)學(xué)校 山東省日照市 262300

1 引言

隨著技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，汽車行業(yè)發(fā)展迅速。溝通方式更加便捷，生活質(zhì)量和生活水平得到顯著提高。汽車在保持便利性的同時(shí)，還引起了環(huán)境污染，空氣污染和石油資源匱乏等問(wèn)題。為了改變當(dāng)前的發(fā)展態(tài)勢(shì)，有必要減輕電動(dòng)汽車數(shù)量增加帶來(lái)的能源供應(yīng)和環(huán)境污染問(wèn)題。政府已采取行動(dòng)，工業(yè)部門已投入資金研究包括純電在內(nèi)的新能源汽車。該電子控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，基本上可以在高效率范圍內(nèi)操作以實(shí)現(xiàn)零排放操作。在電動(dòng)駕駛中，當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，它可以存儲(chǔ)一些動(dòng)能，有效地?cái)U(kuò)展了純電動(dòng)汽車的行駛范圍。電動(dòng)汽車的研究現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車研究領(lǐng)域中的重要和難點(diǎn)，學(xué)者們提出了不同的觀點(diǎn)。劉華敏分析了電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制策略，機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和純電動(dòng)汽車電子復(fù)合制動(dòng)控制策略的研究，以提高機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的效率。純電動(dòng)汽車的制動(dòng)控制和汽車制動(dòng)的安全性滿足了汽車能量回收的要求。梁巖巖研究了電動(dòng)汽車的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)電動(dòng)汽車的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的解決方案。根據(jù)規(guī)定和機(jī)電功率極限，確定機(jī)器的電耦合閾值，并針對(duì)工作條件，制定不同的再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)：低強(qiáng)度制動(dòng)，中強(qiáng)度制動(dòng)和高強(qiáng)度制動(dòng)。王奎洋介紹了機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)的研究形式，并提出了汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)的未來(lái)研究重點(diǎn)，協(xié)調(diào)控制策略，例如機(jī)電復(fù)雜的制動(dòng)系統(tǒng)，分析了國(guó)內(nèi)外機(jī)電復(fù)合制動(dòng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了機(jī)電復(fù)合制動(dòng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)的核心技術(shù)。

2 電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力系統(tǒng)介紹

常見(jiàn)的電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)包括傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)、再生制動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)。(1) 常規(guī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較常見(jiàn)。制動(dòng)系統(tǒng)的布置方式有三種,最常見(jiàn)的是交叉布置。當(dāng)一條管路發(fā)生故障時(shí),另一條管路仍能產(chǎn)生制動(dòng)力,保持制動(dòng)力的平衡,防止車輛偏離。在制動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)制動(dòng)踏板被踩下時(shí),在真空助推器的作用下,推動(dòng)制動(dòng)總缸活塞,使輪轂缸活塞通過(guò)制動(dòng)液移動(dòng),使制動(dòng)鉗夾住制動(dòng)盤,對(duì)車輪進(jìn)行制動(dòng)。當(dāng)松開(kāi)制動(dòng)踏板時(shí),車輪制動(dòng)也隨之松開(kāi)。往復(fù)操作實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)。(2) 電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)。再生制動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車獨(dú)有的。常用結(jié)構(gòu)由控制器、制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、制動(dòng)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置組成。在制動(dòng)過(guò)程中,制動(dòng)命令發(fā)送的司機(jī)車輛控制器,車輛啟動(dòng)再生制動(dòng)系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)的形式,和生成的電力儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置來(lái)增加車輛的里程。并在車輪上產(chǎn)生一定的制動(dòng)力矩來(lái)對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)。如果儲(chǔ)能裝置處于飽和狀態(tài),再生制動(dòng)系統(tǒng)暫時(shí)不能工作,車輛所需的制動(dòng)力矩可以由其他制動(dòng)系統(tǒng)提供。這種制動(dòng)機(jī)構(gòu)與其他制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合,一般分為串聯(lián)制動(dòng)和并聯(lián)制動(dòng)兩種方式。(3) 機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱EMB。在結(jié)構(gòu)組成方面,與傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)不同,EMB 具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。它采用電氣控制電路作為信號(hào)和能量的傳遞方式,電機(jī)作為制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。EMB 機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速增矩機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置、ECU 等組成。EMB 在每個(gè)車輪上都有獨(dú)立的制動(dòng)線路,每條線路都有自己的電源和控制裝置。中央控制器獨(dú)立工作,信號(hào)雙向通信,形成反饋回路。在制動(dòng)過(guò)程中,踏板壓力傳感器將信號(hào)傳遞給ECU。ECU計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩后,行星輪系減速增加轉(zhuǎn)矩,動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠,螺母驅(qū)動(dòng)活塞的軸向位移,制動(dòng)盤被夾緊,車輪上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。當(dāng)達(dá)到期望值時(shí),制動(dòng)鉗位置鎖定;當(dāng)松開(kāi)制動(dòng)踏板時(shí),ECU接收到向電機(jī)提供反向電源的指令,使電機(jī)反向,并提供反向力矩,通過(guò)相同的傳動(dòng)路線松開(kāi)制動(dòng)。該系統(tǒng)重量更輕,傳動(dòng)速度更快,節(jié)省制動(dòng)液,使用電能作為制動(dòng)能量,清潔環(huán)保。

3 電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制的研究現(xiàn)狀

此類研究以電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，優(yōu)化扭矩分配控制。確保車輛滿足制動(dòng)穩(wěn)定性的用途，并同時(shí)增加制動(dòng)過(guò)程中的恢復(fù)能力，對(duì)解決方案進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)模糊控制的理想變換方法，并通過(guò)聯(lián)合仿真進(jìn)行了電動(dòng)汽車的仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，與其他決策方法相比，所提出的決策方法更符合實(shí)際的制動(dòng)要求。而在電動(dòng)汽車中，電池技術(shù)存在較長(zhǎng)的充電時(shí)間，較短的里程，較短的動(dòng)力電池故障等。仍對(duì)電動(dòng)車輛構(gòu)成障礙，并且需要提高電動(dòng)車輛的能量利用率。電動(dòng)汽車的最大優(yōu)勢(shì)在于它能夠進(jìn)行再生制動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)車輛制動(dòng)時(shí)，車輛的動(dòng)能被存儲(chǔ)在能量存儲(chǔ)裝置中。通過(guò)提高電動(dòng)車輛的能量利用率，電能被用于產(chǎn)生制動(dòng)力，同時(shí)增加了電動(dòng)車輛的行駛范圍。電機(jī)的功率有限，僅再生制動(dòng)功能無(wú)法滿足制動(dòng)需求，無(wú)法確保制動(dòng)性能的質(zhì)量。電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制的研究現(xiàn)狀相對(duì)樂(lè)觀。它專用于機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，并且在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究中也取得了一致的結(jié)果。制動(dòng)方法不需要更改原始的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，但是需要更改制動(dòng)力控制策略。通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)，功率控制邏輯已在緊急和非緊急情況下進(jìn)行了測(cè)試。目前，電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)裝置的研究大多處于原型生產(chǎn)的理論研究階段，技術(shù)成果很少應(yīng)用于量產(chǎn)模型。機(jī)電混合制動(dòng)系統(tǒng)的研究從兩個(gè)方面進(jìn)行了揭示。同時(shí)，由于電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)包括液壓制動(dòng)和再生制動(dòng)，因此需要考慮如何分配和調(diào)整液壓控制。另一方面，電動(dòng)汽車的制動(dòng)過(guò)程受諸如電動(dòng)機(jī)特性，行駛條件和制動(dòng)控制策略等因素的影響，因此采用再生制動(dòng)控制來(lái)使行駛里程最大化。

4 電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制技術(shù)

4.1 再生制動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)

（1）相關(guān)的儲(chǔ)能裝置。儲(chǔ)能裝置較為復(fù)雜，當(dāng)前使用的儲(chǔ)能裝置設(shè)備分為幾部分。在行駛過(guò)程中需要啟動(dòng)制動(dòng)部分，需要使用較短的制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)功率來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。而一般的電動(dòng)車輛在啟動(dòng)過(guò)程中需要使用電池，動(dòng)力電池在充電的過(guò)程中可以回收能量，承受電流和充電循環(huán)的電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，如圖1。

圖1 相關(guān)的儲(chǔ)能裝置

（2）整流橋的組件。整流橋?qū)⑼鈿ぶ械亩鄠€(gè)整流管密封，以形成完整的整流電路。整流電路主要由硅整流二極管和晶閘管組成。晶閘管具有效率高，運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。主要用于可控整流器，變頻調(diào)壓等，只需要三組觸發(fā)電路即可執(zhí)行寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)。

（3）制動(dòng)系統(tǒng)的建模。超級(jí)電容器和動(dòng)力電池有許多組合。在并聯(lián)模式下，電容器的容量利用率低于串聯(lián)模式，并且以并聯(lián)模式配置的器件的體積和重量都相對(duì)較高，從而使并聯(lián)解決方案不理想。工作期間的電壓調(diào)節(jié)范圍也很小，無(wú)需串聯(lián)使用轉(zhuǎn)換器。動(dòng)力電池和超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)具有改善超級(jí)電容器的性能的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)車輛處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生制動(dòng)控制器從制動(dòng)踏板接收信號(hào)，并根據(jù)當(dāng)前電動(dòng)機(jī)速度，超級(jí)電容器的端子電壓和制動(dòng)電流進(jìn)行處理和計(jì)算，并輸出PWM 控制信號(hào)。

（4）再生制動(dòng)系統(tǒng)的原理。在電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)過(guò)程中，能量回收原理是串聯(lián)模式，電動(dòng)機(jī)通過(guò)半控整流橋直接為超級(jí)電容器充電。將制動(dòng)踏板信號(hào)與實(shí)際制動(dòng)電流進(jìn)行比較，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的制動(dòng)電流，并與相應(yīng)的控制算法結(jié)合起來(lái)，以計(jì)算晶閘管比的占空比。（如圖2）

圖2 再生制動(dòng)系統(tǒng)的原理

4.2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)

其包括兩個(gè)機(jī)制：制動(dòng)操作和執(zhí)行，該系統(tǒng)的基本要素是高速切換閥。結(jié)合了脈寬調(diào)制和高速切換閥，液壓控制可適應(yīng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在制動(dòng)踏板下方安裝了位移傳感器以準(zhǔn)確識(shí)別制動(dòng)意圖。在制動(dòng)車輛時(shí)，將設(shè)置在制動(dòng)ECU 中的主油路的電磁閥的打開(kāi)閾值來(lái)控制電磁閥。當(dāng)電磁閥前面的兩個(gè)壓力傳感器感測(cè)到的液壓壓力大于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行液壓制動(dòng)，根據(jù)實(shí)際和所需制動(dòng)力獲取并控制脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。

4.3 電動(dòng)汽車的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

（1）電動(dòng)汽車的制動(dòng)必須首先從安全角度開(kāi)始。必須考慮制動(dòng)能量的回收并準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員的制動(dòng)意圖，并且車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)是基于電力的。該信號(hào)輸入到控制器以計(jì)算所需的制動(dòng)力，并且制動(dòng)踏板位移被用作識(shí)別參數(shù)以準(zhǔn)確地計(jì)算所需的制動(dòng)力。所有制動(dòng)系統(tǒng)必須首先確保制動(dòng)性能。如果電動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率不足以提供制動(dòng)需求，則控制系統(tǒng)必須及時(shí)調(diào)整液壓制動(dòng)以實(shí)現(xiàn)所需的制動(dòng)。它合理地分配了前后橋的制動(dòng)力，并具有穩(wěn)定的制動(dòng)力執(zhí)行器。

（2）電動(dòng)混合制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息，復(fù)合制動(dòng)控制單元將占空比信號(hào)發(fā)送到整流橋，以控制再生制動(dòng)力的大小。它還將電磁閥控制信號(hào)發(fā)送到液壓制動(dòng)系統(tǒng)。主油路具有兩個(gè)電磁閥以實(shí)現(xiàn)電解耦合。在對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種將超級(jí)電容器與電池串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)能量通過(guò)整流橋充入超級(jí)電容器，以及相關(guān)的再生制動(dòng)電路結(jié)構(gòu)。

4.4 低附著系數(shù)路面仿真分析

結(jié)合低附著系數(shù)路面的仿真結(jié)果可以看出,估計(jì)的路面附著系數(shù)在前0.15s 內(nèi)波動(dòng),這是由于緊急制動(dòng)開(kāi)始時(shí)的滑移率非常小,且不同路面彎道之間幾乎沒(méi)有差異。此時(shí),估計(jì)精度偏差會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。然后,估計(jì)值逐漸增大,當(dāng)其值達(dá)到02.5 左右時(shí),趨于穩(wěn)定,并跟蹤實(shí)際值。當(dāng)路面附著系數(shù)為0.25 時(shí),最優(yōu)滑移率從0 開(kāi)始逐漸增大,直至其大小在0.21 左右保持穩(wěn)定,即當(dāng)路面附著系數(shù)為0.25 時(shí),最優(yōu)滑移率為0.1。對(duì)于最優(yōu)滑移率的跟蹤,在后輪滑移率和前輪滑移率方面都完成得很好,因此兩輪對(duì)應(yīng)的滑移率相差不大。在制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力電池荷電狀態(tài)變化圖中,荷電狀態(tài)初始值設(shè)置為0.5 左右,當(dāng)荷電狀態(tài)初始值增加到0.518 時(shí),荷電狀態(tài)初始值不會(huì)發(fā)生變化,制動(dòng)能量回收效果明顯。從圖中可以看出,前輪再生制動(dòng)力矩迅速增加,在前0.083s 達(dá)到最大值331nm,然后迅速下降并穩(wěn)定在198nm。再生制動(dòng)力矩的響應(yīng)速度明顯快于液壓制動(dòng)系統(tǒng)。后輪制動(dòng)力矩在前0.22s 內(nèi)迅速增加到36nm,經(jīng)過(guò)小幅波動(dòng)后略有下降,最終達(dá)到30nm 并保持穩(wěn)定。在最大制動(dòng)能量回收效率分配策略中,再生制動(dòng)系統(tǒng)將最大程度地參與車輛制動(dòng)。在該仿真中,前輪總制動(dòng)力矩可由再生制動(dòng)系統(tǒng)提供,因此后輪液壓制動(dòng)力矩始終為零。關(guān)于制動(dòng)距離,由曲線可知,在MPC 控制下,純電動(dòng)汽車的制動(dòng)距離約為31m,制動(dòng)效率較好,整個(gè)制動(dòng)過(guò)程持續(xù)4.78s。

5 電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制的策略

（1）完善機(jī)電復(fù)合材料設(shè)計(jì)，分析問(wèn)題。超級(jí)電容器被用作能量回收和存儲(chǔ)設(shè)備，分析了再生制動(dòng)系統(tǒng)和手動(dòng)連接到超級(jí)電容器的動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)，并通過(guò)系統(tǒng)調(diào)整了液壓制動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的原理。我們提出了一種組合式機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)。

（2）設(shè)置機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)的模型。綜合相關(guān)要求，最大程度地提高電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)效果，計(jì)算出機(jī)器的電解耦合閾值，并提出相關(guān)的部署策略。通過(guò)對(duì)制動(dòng)條件的分類，提出并模擬了根據(jù)制動(dòng)條件的制動(dòng)力控制策略，表明所提出的控制策略可以有效地控制再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)，保證制動(dòng)效率。

（3）建立相關(guān)工作臺(tái)并提出控制策略。驗(yàn)證了電動(dòng)機(jī)功率控制實(shí)驗(yàn)，建立了液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作臺(tái)，進(jìn)行了模擬機(jī)械電解耦合和液壓調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，并證明了所提出的制動(dòng)力控制策略是可行的。同時(shí)，應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)確保工作的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 總結(jié)

汽車在保持便利性的同時(shí)，還引起了環(huán)境污染，空氣污染等問(wèn)題。為了改變當(dāng)前的發(fā)展態(tài)勢(shì)，有必要減輕電動(dòng)汽車數(shù)量增加帶來(lái)的能源供應(yīng)和環(huán)境污染問(wèn)題。政府已采取行動(dòng)，工業(yè)部門已投入資金研究包括純電在內(nèi)的新能源汽車。電動(dòng)汽車的制動(dòng)控制問(wèn)題有待考究，本文簡(jiǎn)要總結(jié)了電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制的研究現(xiàn)狀，分析了電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制的原理，提出了電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力控制策略。