電動汽車液壓ABS與再生制動協(xié)調(diào)控制及仿真

王小龍，李玉龍，王 黎

（1.成都大學機械工程學院，四川 成都 610106；2.宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800；3.成都吉利汽車制造有限公司，四川 成都 610100）

1 引言

再生制動作為一種高效節(jié)能方法，被廣泛應用于汽車發(fā)動機制動上［1-3］?？紤]到電機只能產(chǎn)生有限的制動力，在某些制動條件下需同時采用電機和機械摩擦的制動模式才可以達到所需的制動力［4-5］。在不同工況下系統(tǒng)能量回收效率存在顯著差異［6-8］。

因此需要構(gòu)建與實際情況更加符合的測試工況才能更加準確評估控制方案的有效性［9-10］。而在現(xiàn)代汽車的制動系統(tǒng)中，防抱死制動系統(tǒng)（Antilock Brake System，ABS）也是重要組成部分之一。由制動時汽車及輪胎的受力特性可知，若制動時車輪滑移率過大，車輪的側(cè)向力系數(shù)將會急劇減小，地面能夠提供的側(cè)向力也會隨之減小，若此時出現(xiàn)較大的橫向干擾，會影響汽車的橫向穩(wěn)定性；若滑動率繼續(xù)增大直至車輪抱死會導致汽車失去轉(zhuǎn)向能力（前軸抱死）或后軸側(cè)滑甩尾等危險工況（后軸抱死）［11-13］。因此ABS的作用就是對汽車制動時的車輪滑移率進行控制，防止車輪在制動時發(fā)生抱死現(xiàn)象，影響制動安全性，而車輪滑移率過大一般出現(xiàn)在較高制動強度時。采用液壓ABS與再生制動協(xié)調(diào)控制進行結(jié)合的方式，發(fā)揮液壓ABS所具備的高功率密度特性使動力電池獲得更高電流承受性能，有效降低需要通過傳統(tǒng)摩擦方式進行制動的依賴性。

基于電動汽車是通過機電復合方式完成制動過程，這里開發(fā)了一種能夠同時滿足能量高效回收并達到安全制動性能的機械摩擦與電機制動相結(jié)合的協(xié)調(diào)制動分配方法，并采用CRUISE建立了工況仿真分析。

2 協(xié)調(diào)制動控制模型建立

2.1 協(xié)調(diào)制動控制方案

能夠被再生制動系統(tǒng)回收的能量來源于驅(qū)動輪，再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Regenerative Braking System Structure

建立如下液壓制動系統(tǒng)模型

式中：p—驅(qū)動車輪的液壓缸壓力；

ui，ud—液壓缸的增壓和減壓速率。

將液壓控制響應和管路滯后等效于一階滯后環(huán)節(jié)，液壓制動控制圖，如圖2所示。液壓制動系統(tǒng)ABS控制，如圖3所示。

圖2 液壓制動控制圖Fig.2 Control Diagram of Hydraulic Braking

圖3 液壓制動系統(tǒng)ABS控制圖Fig.3 ABS Control Diagram of Hydraulic Braking System

在制動的時候，系統(tǒng)評估輪角加速度及滑移率等相關(guān)參數(shù)，利用邏輯門限法動態(tài)調(diào)節(jié)液壓制動力，并作用在車輪處，最終實現(xiàn)ABS液壓制動效果。

該協(xié)調(diào)制動控制方案通過電機提供穩(wěn)態(tài)制動力，并且液壓制動系統(tǒng)對輪速進行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，防止車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象。

在設(shè)計制動力分配策略時應密切關(guān)注當前制動強度與滑移率，使再生制動系統(tǒng)不影響ABS的工作。

當制動過程中檢測到車輪的滑移率到達ABS開始動作的閾值時，應及時停止再生制動系統(tǒng)的介入，將制動力控制模式切換到與傳統(tǒng)汽車相同并將制動力控制交由ABS系統(tǒng)，以保證制動安全性。

2.2 協(xié)調(diào)制動控制實現(xiàn)

輪邊制動力控制以調(diào)節(jié)制動輪缸制動壓力的方式來完成，由制動器接收制動壓力控制信號。

根據(jù)以上分析可知，需按照目標車輛實際制動器參數(shù)建立輪邊制動力模型，從而把需要的制動力信號轉(zhuǎn)換成制動輪缸的壓力控制信號。

按照實際控制需求完成各子模型之后，再根據(jù)控制流程組合子模型，由此獲得可以實現(xiàn)分配協(xié)調(diào)制動力策略的完整模型。組合順序如下：再生制動程度分析與介入狀態(tài)模型、前后軸制動力分配模型、驅(qū)動軸電機和摩擦制動力分配模型。

采用Simulink構(gòu)建協(xié)調(diào)制動控制模型框圖，如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)制動控制模型框圖Fig.4 Block Diagram of Coordinated Brake Control Model

3 仿真分析

3.1 整車模型的建立

這里選擇CRUISE軟件構(gòu)建得到整車模型，該軟件可以提供汽車大部分的固定模塊，屬于一種模塊化的建模方式。

對工作區(qū)內(nèi)的模塊進行雙擊便可對其實施編輯，之后對應目標車型參數(shù)開展過錯分析。整車主要參數(shù)，如表1所示。

表1 整車主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Vehicle

進行建模的時候，先按照純電動汽車組成結(jié)構(gòu)在工作區(qū)內(nèi)加入總成和各個部件，之后結(jié)合表1內(nèi)容與尚未給出的整車數(shù)據(jù)再輸入各部件，最后根據(jù)各部件的動力傳遞過程以及能量的流動過程連接各機械結(jié)構(gòu)與電氣模塊。

因為這里是以DLL的方法對兩種軟件實施聯(lián)合仿真，因此需將DLL模塊摻入模型內(nèi)來實現(xiàn)對整車的控制功能，通過聯(lián)合仿真方式完成整車信號的連接。

構(gòu)建得到的整車模型，如圖5所示。

圖5 聯(lián)合仿真模型Fig.5 Co-Simulation Model

再生制動系統(tǒng)通過計算目標制動力矩跟液壓制動力矩分配比差異性再為各個嵌入輪轂電機設(shè)置再生制動力矩，之后控制液壓制動系統(tǒng)根據(jù)輪缸壓力參數(shù)與輪缸實測壓力對比的結(jié)果，得到需補償?shù)囊簤褐苿恿?，再利用液壓調(diào)節(jié)部件進行液壓閥開度調(diào)節(jié)，從而完成對制動主缸壓力的調(diào)節(jié)過程，為制動輪缸提供補償作用，以此達到對各輪缸進行液壓制動實時調(diào)節(jié)的目標。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 構(gòu)建NEDC工況

新標歐洲測試循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）工況發(fā)展至今成為評價混合動力汽車和純電動汽車續(xù)航里程及其行駛經(jīng)濟性的依據(jù)，國內(nèi)汽車制造業(yè)也引入了該標準作為評價依據(jù)［14-15］。NEDC工況總共包含了4個子循環(huán)，其中，前3個是同樣的城市駕駛循環(huán)（UDC），和郊區(qū)駕駛循環(huán)（EUDC）。

每個循環(huán)包含怠速、加速、等速、制動減速環(huán)節(jié)，其中，郊區(qū)循環(huán)狀態(tài)下的車速較快，城市循環(huán)狀態(tài)下的車速較慢。NEDC工況具備構(gòu)造模式簡單、操作便捷、良好的通用性等多項優(yōu)勢，制動區(qū)段的比例也較合理，整體工況環(huán)節(jié)較簡單，符合再生制動系統(tǒng)工況評估需求。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

調(diào)試聯(lián)合仿真模型并檢查確認正常后再進行聯(lián)合仿真分析。設(shè)定Project文件夾中的二個工況都為run，之后從計算中心（Calculation Center）選定一個計算模式（Singl eCalculation），單晶運算開始，運算過程結(jié)束就再從結(jié)果管理模塊（Result Manager）內(nèi)讀取仿真測試結(jié)果。NEDC工況下本文控制方案控制再生制動系統(tǒng)純電動汽車模型仿真參數(shù)，如表2所示。在全球輕型汽車測試循環(huán)（WLTC）工況下按照同樣方式行駛?cè)N模型得到的聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)，如表3所示。

表2 NEDC工況仿真數(shù)據(jù)Tab.2 Simulation Data of NEDC Working Conditions

表3 WLTC工況數(shù)據(jù)Tab.3 Data of Comprehensive Driving Conditions

按照仿真測試情況在坐標系中給出CRUISE結(jié)果中心的圖像，得到不同時間下的NEDC工況和WLTC工況下的車速和電池SOC曲線結(jié)果，如圖6、圖7所示。

圖6 NEDC工況仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation Results of NEDC Working Conditions

圖7 WLTC工況仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation Results of Comprehensive Driving Conditions

以表2、表3數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)，計算得到各行駛工況和分配條件下對應的百公里電池SOC降低值以及百公里能量回收數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 不同工況及控制方案下百公里能耗及能量回收率Tab.4 100km Energy Consumption and Energy Recovery Under Different Working Conditions and Control Schemes

對以上仿真測試結(jié)果與圖表進行分析得到下述結(jié)論：

（1）對比有無再生制動系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，以同樣循環(huán)工況進行處理時，設(shè)置再生制動系統(tǒng)的車輛對電流的消耗發(fā)生了顯著降低，表明再生制動系統(tǒng)可以有效改善純電動汽車的節(jié)能效果?？梢悦黠@看到，含再生制動系統(tǒng)下形成的電池SOC曲線始終位于無再生制動系統(tǒng)的上部區(qū)域，該結(jié)果同樣表明再生制動系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)揮顯著作用。

（2）采用這里控制方案構(gòu)建的再生制動系統(tǒng)行駛測試后發(fā)現(xiàn)電池SOC降低程度更小，可以實現(xiàn)對更多制動能量的回收，表現(xiàn)出了優(yōu)異的節(jié)能效果。采用這里方案對前后軸制動力進行分配時，制動力被分配于法規(guī)要求范圍內(nèi)并往驅(qū)動軸方向發(fā)生了小幅傾斜，達到對制動能量的高效回收，并依然保持良好的制動安全性。

（3）相對于無再生制動，選取這里再生制動方案的速度曲線表現(xiàn)出良好跟隨性，表明這里控制方案可以達到現(xiàn)有車輛的制動條件。當速度—時間曲線進入制動階段發(fā)生下降時，形成了逐漸升高的電池SOC曲線，說明在制動階段有外部能量被動力電池吸收，由此表明這里控制方案對于通用工況以及本地化工況都表現(xiàn)出良好的可行性。

（4）根據(jù)表4結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在WLTC工況下，再生制動系統(tǒng)可以回收比NEDC工況更多的能量，這是由于在WLTC工況下需完成更頻繁制動過程，同時制動強度也有助于促進再生制動系統(tǒng)更高效完成能量回收。

（5）這里控制方案不但可以回收更多能量，同時將更多因素加入控制方案內(nèi)，并采用模糊控制的方法達到更穩(wěn)定的控制狀態(tài)，顯著提高了容錯率。通過綜合比較發(fā)現(xiàn)，這里控制方案獲得了比傳統(tǒng)控制方案更優(yōu)的性能。

4 結(jié)論

這里根據(jù)汽車制造行業(yè)各類仿真軟件的特點，選擇MATLAB/Simulink 和CRUISE 聯(lián)合仿真的方式評價了協(xié)調(diào)制動控制方案的效果。利用控制方案模型構(gòu)建整車模型并實施聯(lián)合仿真，實現(xiàn)了NEDC工況和本地化工況的聯(lián)合仿真功能。這里控制方案構(gòu)建的再生制動系統(tǒng)行駛測試后發(fā)現(xiàn)電池SOC降低程度更小，可以實現(xiàn)對更多制動能量的回收，表現(xiàn)出了優(yōu)異的節(jié)能效果，可以達到現(xiàn)有車輛的制動條件。通過綜合比較發(fā)現(xiàn)，這里控制方案獲得了比傳統(tǒng)控制方案更優(yōu)的性能。