制动防抱死系统作为一种汽车驾驶辅助系统, 能够避免汽车在紧急制动工况下的车轮抱死, 保证行车安全, 是每辆汽车上必不可少的装置。区别于内燃机汽车, 电动汽车上用到的制动防抱死系统除安装了传统的液压制动系统, 还包括用于能量回收的电机制动系统^[1]。如何协调两者进行车辆制动是目前该领域内的主要研究热点^{[2, 3]}。

国内外学者就电动车制动系统的研究, 从各个方面进行了多种软硬件设计和实验验证。文献[4]根据滑模变结构原理制作出了复合制动系统控制器, 并通过Matlab软件建立了相关的整车模型和控制策略模型, 在高、低不同附着路面上进行了仿真验证, 结果显示, 复合制动系统在高速制动时表现出的制动性能优于纯电机制动系统或纯液压制动系统。文献[5]设计的车辆上, 两前轮同时安装了电机制动器和液压制动器, 两后轮仅安装电机制动器, 通过具体实验验证表明, 该车辆的制动性能在低附着路面上依旧表现良好。文献[6]以实车为研究对象, 通过模型仿真分析了电机制动力矩变化特性, 并发现将铜层覆盖到固定转子表面上可以有效地改变制动力矩大小, 从而改善电机制动性能。文献[7, 8]设计了新型的电机制动器, 并分析了制动时的机构工作原理和受力情况, 解释了相应零部件对制动性能的具体影响。文献[9]发明了一种电磁与摩擦复合盘式制动器及制动方法, 根据永磁体旋转角度或线圈中电流大小的变化控制制动力矩, 通过减少制动器的工作时间来提高车辆制动效能。

本文针对电动轮汽车的制动系统进行研究, 提出了防抱死控制策略。首先, 对传统液压制动系统结构进行了改造, 并阐述了复合制动系统的结构方案与工作原理, 在此基础上建立了整车模型。将目标滑移率与设定的滑移率进行比较, 判断是否进行制动防抱死控制, 通过退出液压制动仅降低电机制动力矩的方式来实现车轮防抱死。通过仿真验证, 该策略能够兼顾制动能量回收效率和制动稳定性。

为了提高电动轮汽车的制动能量回收率, 增加汽车续驶里程, 本文对传统的液压制动系统的结构进行了重新设计, 其结构简图如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 液压制动系统结构简图Fig.1 Structure diagram of hydraulic brake system

新型的液压制动子系统的硬件主要包括:传统的制动操作机构, 2个高压蓄能器, 2个回路控制阀和4个车轮轮缸。该系统的工作原理为:当汽车进入纯液压制动时, 回路控制阀在控制器的作用下处于开启状态, 主缸通过控制加到轮缸的油压来获得可控的基础液压制动力矩; 当汽车进行纯电机制动时, 回路控制阀处于关闭状态, 由于踩下制动踏板而导致流出主缸的高压液体将会储存在高压蓄能器中, 此时电动机充当发电机对汽车实施制动, 且高压蓄能器可以模拟驾驶员的制动感觉; 当汽车进入电机液压复合制动时, 回路控制阀将先处于关闭状态, 汽车优先进行电机制动, 当电机制动力不足以提供全部制动力时, 电磁阀打开, 并采用PWM信号控制, 电机制动过程中流入高压蓄能器的液体将会建立液压制动。其中, 复合制动过程中, 由于电机响应速度快, 故液压制动的时间不会因为电机制动的参与而延误。若汽车不进行制动, 轮缸中多余的液体将会通过单向导通阀流回主缸。

本文研究的电动轮汽车复合制动系统的总体结构布置如图2所示^[10]。该复合制动系统主要由两个部分组成, 分别为电机制动系统及其控制器和液压制动系统及其控制器, 具体组成部分主要有4个轮毂电机、4个机械制动器、液压调节结构、制动主缸、踏板位移传感器、再生制动控制器、逆变器及电机控制器和动力电池。

图2

Fig.2

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	图2 电动轮汽车制动系统总体结构图Fig.2 General structure of braking system for electric-wheel vehicle

当汽车进行制动时, 再生制动控制器通过踏板位移传感器来采集制动信号并将其转换为驾驶员制动力目标, 依据电机电池当前状态和制动强度计算4个车轮电机制动力与液压制动力的分配比例, 进而将相应的制动力信号发送到电机控制器和液压调节结构。液压调节结构将传输过来的液压制动力与经传感器采集到的轮缸压力进行比较, 确定施加的液压力, 然后控制电磁阀PWM信号的占空比来调节电磁线圈中的电流, 从而改变阀芯所受的电磁力来调节阀口的开启程度, 进而调节4个轮缸的制动压力。电机控制器根据电机制动力指令控制电机, 并将由电机产生的电能储存到动力电池或超级电容中。制动过程中, 内嵌在4个车轮中的电机可以分别产生再生制动力矩, 4个轮缸的油压也可以通过电磁阀开关来分别进行控制。根据驾驶员的制动需求, 电机制动和液压制动可以共同协作完成汽车制动目标。

针对本文所提出的制动防抱死控制策略, 在AMESim软件中建立了整车模型、轮胎模型、电池模型、电机模型和液压制动系统模型, 在Simulink软件中建立了制动防抱死控制逻辑模型^{[13, 14]}。在此基础上对所提出的基于滑移率门限值的电机制动与液压制动防抱死协调控制策略进行了仿真验证, 仿真工况为不同制动初始车速下低、中、高3种附着系数路面上的紧急制动。仿真过程中, 由于车辆的转向信号为0, 故同一轴上左、右轮的轮速及滑移率状态一致, 本文将以前轮和后轮为研究对象, 仿真结果如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 低附着路面紧急制动仿真结果Fig.7 Simulation result in low mue surface

图7为在低附着路面(取附着系数为0.25)上车辆以40 km/h的速度紧急制动的仿真结果。图7(a)为车速与轮速的变化曲线, 图7(b)为车轮滑移率变化曲线, 图7(c)为电机与液压制动力矩变化曲线。车辆从时间t=1 s时开始制动, 随着电机与液压制动力矩的增大, 制动防抱死控制策略开始工作。由图可知, 前轮轮速和后轮轮速都能很好地跟随车速, 前、后车轮滑移率可以控制在0.3附近, 尽管在时间t=5 s时车辆出现了轻微的拖滑现象, 但由于此时车速很低, 故不影响驾驶安全。根据图6所示的策略流程图, 若车速v减小到设定车速v₀以下时, 防抱死程序将不再工作, 此时电机不参与工作, 全部制动力矩由液压制动系统提供, 如图7(c)制动力矩变化曲线所示。

图8为中附着路面(取附着系数为0.5)上车辆以80 km/h的速度紧急制动后的仿真结果。图8(a)为车速与轮速的变化情况, 图8(b)为车轮滑移率变化曲线, 图8(c)为电机与液压制动力矩变化曲线。图8表明, 前、后轮轮速能很好地跟随车速, 且车轮滑移率能够控制在0.2左右, 直至停车前0.8 s, 电机制动力矩关闭, 制动过程将由液压制动力矩完成, 车轮出现抱死现象, 但不影响车辆制动安全。

图8

Fig.8

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	图8 中附着路面紧急制动仿真结果Fig.8 Simulation result in middle mue surface

图9为高附着路面(取附着系数为0.8)上车辆以120 km/h的速度紧急制动后的仿真结果。图9(a)为车速与轮速的变化情况, 图9(b)为车轮滑移率变化曲线, 图9(c)为电机与液压制动力矩变化曲线。同样, 前、后轮轮速可以与车速保持接近, 避免了紧急制动情况下的车轮抱死现象, 且车轮滑移率可以控制在0.2附近。制动过程中以电机制动力矩为主, 液压制动力矩为辅, 能够满足制动能量高回收率的要求。

图9

Fig.9

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	图9 高附着路面紧急制动仿真结果Fig.9 Simulation result in high mue surface

基于本文的液压制动系统, 根据制动强度和电池SOC制定了相关的模糊控制器, 并进行了制动能量回收的仿真验证, 不同制动强度下的能量回收效果如表1所示。结果显示, 能量回收能够满足要求, 且本文着重叙述的防抱死控制系统也能达到预期目标, 将车轮滑移率控制在0.2~0.3。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同制动强度下制动能量回收效果 Table 1 Recovery of braking energy under different braking intensities 制动强度g /(9.8 m· s-1) 消耗能量 /kJ 回收能量 /kJ 制动能量回 收率/% 0.15 115.8 78.4 67.7 0.5 114.5 53 46.3 0.8 115.7 42.3 36.6

表1 不同制动强度下制动能量回收效果 Table 1 Recovery of braking energy under different braking intensities

为了验证本文控制策略的先进性, 特选取传统方案中制动能量回收效率相同情况下的策略进行对比, 相应的滑移率仿真结果如图10所示。图中显示, 车辆前、后轮滑移率在0.2~0.6附近变化, 波动较大, 明显没有本文方案的效果好。这也验证了传统方案的弊端:当制动能量回收效率高时, 制动防抱死效果不好; 当制动防抱死效果满足期望时, 回收的制动能量又相对较低。而本文的方案既能实现防抱死控制, 又能让电机尽可能多的参与制动过程, 提高制动能量的回收, 符合电动车制动系统的设计需求。

图10

Fig.10

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	图10 传统方案紧急制动仿真结果Fig.10 Simulation result in traditional scheme

通过以上分析, 在确保电机参与制动比例占比较高的前提下, 验证了本文制定的电机制动系统与液压制动系统共同工作的制动防抱死控制策略在低、中、高不同附着路面上均能满足要求, 实现车辆在紧急制动工况下的车轮防抱死功能。

本文基于新型的液压制动系统, 提出了一种基于路面滑移率的电动轮汽车电机与液压制动系统协调工作防抱死控制策略。纯电机制动时, 仅采用电机制动来控制车轮防抱死; 复合制动时, 退出液压制动, 再利用电机调节制动力矩。在AMESim和Simulink软件中进行了建模和仿真, 对所提出的制动协调控制策略进行了仿真研究, 仿真结果验证了本文控制策略在制动能量高回收率前提下的有效性。