为了满足再生制动能量回收及与防抱死制动协调控制的需求, 提出了基于一体式主缸的电液复合制动系统方案^[15], 其液压制动系统由一体式主缸、微型高压源、复合制动协调控制单元、液压调节单元和盘式制动器等组成。以前轴单电动机驱动的电动车动力总成为例, 该系统结构如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 一体式电液复合制动系统Fig.1 Diagram of integrated electro-hydraulic brake system

独立可控的轮缸压力调节是电液复合制动及与防抱死制动协调控制的基础。以左前轮缸压力调节为例描述轮缸压力调节过程, 提出的液压制动系统未上电时各部件状态如图2所示。上电后, 连接踏板感觉模拟器的常闭电磁阀打开, 溢流阀和增压电磁阀关闭, 高压蓄能器通过油泵建立高压, 前、后腔活塞左移, 前、后腔内建立高压; 当踩下制动踏板时, 助力活塞由于高压制动液作用保持不动, 推杆活塞推动制动液流入踏板感觉模拟器, 由踏板感觉模拟器提供合适的反馈力; 液压调节单元通过控制增压电磁阀、减压电磁阀和回油泵实现轮缸增压、保压和减压三种状态切换, 实现轮缸压力的精确调节。一体式主缸实现了轮缸压力与制动踏板输入的解耦, 微型高压源为轮缸压力调节提供稳定的压力源。

图2

Fig.2

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	图2 一体式主缸的液压系统结构图Fig.2 Diagram of integrated master cylinder

针对提出的一体式电液复合制动系统结构, 制定了决策层-执行层的模块化制动力协调控制架构, 如图3所示。其中, 复合制动协调控制单元作为决策层控制器, 通过采集制动踏板信号以解析驾驶员制动需求, 并通过CAN(Controller area network)总线得到当前可用再生制动力及各轮缸状态, 根据车辆运行状态和路面信息实现车辆非紧急制动、防抱死制动及其协调控制, 并分配前、后轴制动力及电、液制动力; 液压调节单元和一体式主缸及微型高压源作为执行层部件, 前者根据液压制动力控制指令实时调整各轮缸压力, 后者为轮缸压力调节提供了稳定的高压油源。

图3

Fig.3

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	图3 分层制动的制动力协调控制架构Fig.3 Layered architecture of brake force cooperative control

为了防止再生制动力的引入对原有防抱死制动控制逻辑产生影响, 当触发防抱死制动后, 采用传统的纯液压制动控制策略; 当系统处于电液复合制动时, 需要及时撤掉再生制动力。综合考虑制动能量回收和制动安全, 通过分析驾驶员制动过程, 提出了非紧急/紧急制动工况下再生制动与防抱死制动的协调控制策略。

非紧急制动工况制动时, 在符合ECE R13和路面附着限制前提下, 制动力分配考虑再生制动能量回收最大化。制动过程中, 驾驶员操作分为踏板力施加、保持、释放三个阶段^[16], 制定的制动力分配策略如图4所示。

AB段:踩下制动踏板至期望制动强度, 踏板速度较快, 期望制动力变化梯度较大, 可能会触发防抱死制动系统, 为保证制动安全性, 此段采用纯液压制动。复合制动协调控制单元通过采集踏板开度信号识别目标制动强度Z₀, 前、后轴制动力的比值为 β/(1-β), AB段制动力分配如下:

Fhf=βGZ0Fhr=(1-β)GZ0Freg=0(1)

式中: Fhf、Fhr、Freg、β、G分别为前轴液压制动力、后轴液压制动力、前轴再生制动力、前后轴制动力分配比例、整车质量。

图4

Fig.4

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	图4 常规制动工况制动力分配策略Fig.4 Brake force distribution under non-emergency condition

BC段:保持制动踏板强度不变, 为尽可能地回收制动能量, 以某一梯度施加再生制动力至目标制动强度 Z0线与ECE R13法规线相交于点 C,同时减小前、后液压制动力以保证总制动力不变^[2], 此过程中制动力分配如下:

Fhf=min(βGZ0+Kht, GZ0+0.07hgZ0+Lr0.85L)-FregFhr=max((1-β)GZ0-Kht, GZ0- GZ0+0.07hgZ0+Lr0.85L)Freg=min(Kregt, Freg_max)2

式中:K_h 、K_reg 、F_{reg_max} 分别为液压制动力的变化梯度、再生制动力的变化梯度和当前所允许施加的再生制动力的最大值; h_g为车辆重心高度; L_r为车辆重心到后轴距离。

CD段:驾驶员开始释放制动踏板, 期望制动力减小; 此时车速较低, 可再生制动回收能量较少, 因此, 前轴制动力优先减小再生制动力至零, 再减小前轴液压制动力, 过程中制动力分配如下:

Fhf=GZ0-GZ0+0.07hgZ0+Lr0.85L× β1-β-Freg-KhtFhr=GZ0-GZ0+0.07hgZ0+Lr0.85LFreg=max(Freg_max-Kregt, 0)(3)

DE段:前、后轴制动力均施加液压制动力, 按比值为β /(1-β )同步降低至零。

紧急制动工况下, 触发防抱死制动系统一般存在两种情形:一是在 AB段踩下制动踏板, 此时由于仅施加液压制动力, 按原有的逻辑门限值控制策略即可防止车轮抱死^{[9, 12, 13]}, 典型的防抱死制动调节过程车速、角加速度和轮缸压力变化如图5所示, 其中, v、vR和 v'分别为车速、参考车速和轮速; λ1为滑移率门限值; w·R、w·1和 w·2为角加速度门限值。二是在 BC段保持制动踏板强度, 而路面附着系数减小, 此时同时施加再生制动力和液压制动力, 需对其协调控制, 从而避免影响制动安全性。再生制动力的参与, 影响了原有的逻辑门限值控制策略, 为简化控制逻辑, 当触发防抱死制动系统时, ABS使能状态位设置有效, 再生制动力迅速降低为零, 进入纯液压制动的防抱死控制逻辑, 总制动力、再生制动力和液压制动力调节过程如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 采用逻辑门限值控制的防抱死制动过程Fig.5 Anti-lock brake process using logic threshold control

从图5可以看出, 在增压阶段1触发防抱死制动系统后, 经保压阶段2后, 利用减压阶段3和保压阶段4将再生制动力以较大梯度减少至零。再生制动力撤掉过程中, 通过协调控制液压制动力以补偿再生制动力, 保证减压阶段3和保压阶段4的制动效果。从增压阶段5开始, 各车轮调节均为液压制动力, 防抱死控制的控制逻辑与情形一相同。通过协调控制再生制动力与液压制动力, 实现了从电液复合制动到纯液压的防抱死制动的平稳切换。

所提出的再生制动与防抱死制动控制策略综合考虑了不同路面附着系数下的制动工况, 简化了控制逻辑, 不用改变车辆原有的防抱死策略逻辑门限值, 减少系统匹配工作量, 提高了可实现性和安全性。

选择路面附着良好的沥青路面(附着系数约为0.8), 对非紧急制动工况制动力分配策略进行仿真测试, 制动初始车速为30 m/s; 制动强度约为0.5, 试验结果如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 非紧急制动工况试验曲线Fig.7 Curves of non-emergency braking condition

由图7(a)(b)可得, 制动踏板踩下过程中, 前、后轴按 β线仅施加液压制动力, 在0.5 s左右达到需求制动力; 制动踏板强度保持时, 前轴逐步施加再生制动力, 同时相应减少前轴液压制动力以保证总制动力不变, 再生制动力受电动机外特性限制无法满足前轴制动力需求, 系统处于电液复合制动状态; 在5.2 s左右时, 车速下降至5 m/s, 再生制动力逐步撤除, 前轴液压制动力相应增加, 最终进入纯液压制动状态。

由图7(c)(d)可知, 前、后轴的轮缸压力能够较好地跟随目标压力曲线的变化, 与目标压力曲线基本吻合。所提出的基于一体式主缸的液压制动系统能够满足电液复合制动系统轮缸压力精确调节的需求。

选取了对接路面对再生制动与防抱死制动协调控制性能进行了仿真测试。从附着良好的沥青路面到湿滑路面(附着系数约为0.2)时, 驾驶员保持制动踏板强度的过程中触发防抱死制动系统, 试验结果如图8所示。由于只有前轴能施加再生制动力, 因此仅以前轮为例进行分析。

图8

Fig.8

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	图8 与防抱死协调制动试验曲线Fig.8 Curves of brake force cooperative control

由图8(a)(b)可得, 制动开始后, 车速均以一定的减速度缓慢降低, 再生制动力和前、后轴液压制动力调节过程与3.1节相同; 在5 s时, 路面突变为低附着系数路面, 前轮滑移率如图8(c)所示, 地面附着力过小导致前轮有抱死趋势, 按照提出的协调控制策略, 再生制动力迅速减小并且在减压阶段内(约0.15s左右)减小至零, 但仍未满足控制需求, 液压压力继续减小, 实现电液复合制动到防抱死制动的过渡; 在5.6s后, 采用纯液压制动力进行防抱死制动控制, 车轮滑移率基本维持在0.2左右。由图8(d)可知, 轮缸压力实际控制能够满足电液复合制动和防抱死制动调节过程中轮缸压力调节的需求。