輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電制動(dòng)特性研究

汪新偉 周自寶

摘要：輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的懸架設(shè)計(jì)，本文主要從輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)與輪轂電機(jī)電制動(dòng)瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性方面切入分析了其電制動(dòng)特性內(nèi)容，同時(shí)驗(yàn)證輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電制動(dòng)控制技術(shù)性與可行性。

Abstract： The key points of the technology of electric vehicle driven by wheel motor lie in the design of wheel motor and suspension of electric vehicle driven by wheel hub motor. this paper mainly from the wheel motor drive electric vehicle hydraulic braking system and wheel motor electric braking transient， steady-state characteristics of cut in analysis of its electric braking characteristics， at the same time verify the wheel motor drive electric vehicle electric brake control technology and feasibility.

關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng);電動(dòng)汽車;電制動(dòng)特性;液壓制動(dòng)系統(tǒng);懸架系統(tǒng)

Key words： wheel motor drive;electric vehicle;electric braking characteristics;hydraulic braking system;suspension system

中圖分類號(hào)：TD421.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0029-02

0? 引言

目前采用輪轂電機(jī)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)是非常高效的，它能夠直接取代傳統(tǒng)動(dòng)力總成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車底盤結(jié)構(gòu)的有效簡(jiǎn)化，同時(shí)減少機(jī)械傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)過程，有效提高傳統(tǒng)生產(chǎn)效率。當(dāng)然，輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在國內(nèi)始終是難攻克專業(yè)問題，它采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)配備江蘇裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的有效驅(qū)動(dòng)，配合電動(dòng)真空泵與真空助力器為輪轂電機(jī)提供較高真空度。不過，如此設(shè)計(jì)可能會(huì)為電動(dòng)汽車原有機(jī)械制動(dòng)器布局帶來一定麻煩，需要加以注意。因此針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電動(dòng)制動(dòng)性的結(jié)構(gòu)內(nèi)容必須加以優(yōu)化，設(shè)置專門的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，良性影響車輪的整體定位參數(shù)，合理維持電動(dòng)汽車的操縱穩(wěn)定性，同時(shí)也提高底盤控制系統(tǒng)的整體集成度，這對(duì)電動(dòng)汽車的制動(dòng)性能升級(jí)也是頗有好處的[1]。

1? 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電制動(dòng)特性討論分析

研究輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電制動(dòng)新內(nèi)容就必須首先討論它的液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型構(gòu)建，它其中包括了真空助力器模型、制動(dòng)鉗模型以及制動(dòng)主缸模型。這里簡(jiǎn)單分析了制動(dòng)主缸模型與制動(dòng)鉗模型。

1.1 制動(dòng)主缸模型分析

制動(dòng)主缸模型是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電制動(dòng)特性的關(guān)鍵，該模型中在制動(dòng)過程中會(huì)存在主缸壓力，其壓力方程是應(yīng)該如下[2]：

在上述壓力方程中，Pmc代表了制動(dòng)主缸壓力，Amc代表了制動(dòng)主缸的橫截面面積，F(xiàn)mc、Fcs、Fsf分別代表了制動(dòng)主缸中的第一活塞推力、主缸回位彈簧反作用力以及主缸活塞與主缸內(nèi)壁的滑動(dòng)摩擦力。結(jié)合上述壓力方程可構(gòu)建基于液壓制動(dòng)系統(tǒng)的完整主缸仿真模型，如圖1[3]。

1.2 制動(dòng)鉗模型分析

在針對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的盤式制動(dòng)器進(jìn)行分析過程中要運(yùn)用到制動(dòng)鉗系統(tǒng)，結(jié)合這一系統(tǒng)主要分析了液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)管路壓力以及鉗夾緊力，分析二者之間關(guān)系轉(zhuǎn)化，列出如下方程組：

在上述方程組中，Tf作為盤式制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩部分，f作為制動(dòng)塊與制動(dòng)盤的具體摩擦系數(shù)，N作為制動(dòng)塊對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力，R為半徑。結(jié)合這一數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，可在AMESim軟件中建立一套液壓制動(dòng)系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)整仿真模型，追求實(shí)現(xiàn)超級(jí)組件功能，配合X形布置制動(dòng)管理模型形成新連接，獲得液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型。

1.3 輪轂電機(jī)電制動(dòng)特性功瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性仿真分析

分析完上述數(shù)學(xué)模型后，可為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電制動(dòng)特性內(nèi)容建立瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性仿真分析體系，如圖2為液壓制動(dòng)系統(tǒng)的壓力的瞬態(tài)響應(yīng)示意圖。

如圖2，從仿真結(jié)果中可以看到，液壓制動(dòng)系統(tǒng)是從0.1s開始展開仿真試驗(yàn)的，其輸入信號(hào)從0級(jí)直接躍升到100%，形成制動(dòng)踏板開度信號(hào)。這一制動(dòng)輪缸內(nèi)的壓力是呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的，大約達(dá)到0.32s時(shí)為最大值，但最大值時(shí)略有波動(dòng)，到0.39s左右時(shí)趨于穩(wěn)定。考慮到液壓制動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般在0.28s以內(nèi)，所以其液體是可實(shí)現(xiàn)有效壓縮的，同時(shí)也必須分析其制動(dòng)管路的損失因素，對(duì)制動(dòng)輪缸內(nèi)的壓力波動(dòng)問題進(jìn)行分析，確保行車制動(dòng)穩(wěn)定性發(fā)揮到位?？傮w來說，應(yīng)該在輪轂電機(jī)電制動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)過程中分析其制動(dòng)優(yōu)勢(shì)，了解響應(yīng)時(shí)間大約能夠達(dá)到液壓制動(dòng)系統(tǒng)的1/55左右，此時(shí)輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化調(diào)整非線性波動(dòng)內(nèi)容，有效提高電動(dòng)汽車的整體制動(dòng)穩(wěn)定性。

再對(duì)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。此時(shí)需要分析輪轂電機(jī)的制動(dòng)方案實(shí)施可行性，考慮制動(dòng)工況背景下制動(dòng)系統(tǒng)的性能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。為此需要了解日常汽車行駛工況，結(jié)合輪轂電機(jī)電制動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)作用分析其穩(wěn)態(tài)特性，考察輪轂電機(jī)制動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。這里要運(yùn)用到計(jì)算機(jī)仿真方法，確保液壓制動(dòng)系統(tǒng)與輪轂電機(jī)電制動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)比分析到位。從仿真結(jié)果中可以了解到，如果電動(dòng)汽車處于非緊急制動(dòng)工況狀態(tài)下，其液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)力矩會(huì)呈現(xiàn)出平穩(wěn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。例如針對(duì)初速度為40km/h的常規(guī)制動(dòng)的電動(dòng)汽車，利用液壓制動(dòng)系統(tǒng)可保證其響應(yīng)時(shí)間達(dá)到0.26s左右，達(dá)到最大制動(dòng)優(yōu)勢(shì)。其液壓制動(dòng)可最多節(jié)省大約2.8m制動(dòng)距離，而針對(duì)更高初速度的制動(dòng)電動(dòng)汽車，其輪轂電機(jī)電制動(dòng)優(yōu)勢(shì)更是不言而喻的。在常規(guī)制動(dòng)工況下，需要結(jié)合電機(jī)制動(dòng)發(fā)揮輪轂電機(jī)快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)性能的有效提升。

2? 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電制動(dòng)特性整車模型分析

結(jié)合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電制動(dòng)特性對(duì)其整車模型進(jìn)行全面分析。這里可運(yùn)用到AMESim15自由度底盤模型，并利用它再建立一套懸架模型，新的懸架模型中包含了減震器、彈簧、防傾桿模型等等設(shè)備，屬于典型的液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型，其輪轂電機(jī)表現(xiàn)穩(wěn)定，可構(gòu)建一套完整的輪轂電機(jī)制動(dòng)整車聯(lián)合仿真模型。

基于這一整車模型還可建立輪轂電機(jī)短時(shí)間駐車控制模型，該控制模型采用到的是電機(jī)電制動(dòng)駐車控制體系中的最基本功能，它可保證當(dāng)駕駛員按下駐車制動(dòng)按鈕后配合電制動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛狀態(tài)信息內(nèi)容的實(shí)時(shí)采集，通過這一過程合理判斷正常駐車制動(dòng)條件，確保電制動(dòng)控制器根據(jù)實(shí)際坡度傳感器優(yōu)化信號(hào)估算路徑，對(duì)駐車制動(dòng)力進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合CAN總線與4個(gè)輪轂電機(jī)發(fā)送目標(biāo)，建立采集車輛狀態(tài)信息系統(tǒng)，圍繞程序駐車制動(dòng)控制循環(huán)，再利用MATLAB/Stateflow設(shè)計(jì)常規(guī)駐車功能激活功能，對(duì)控制模型進(jìn)行解除。

可將輸入信號(hào)作為點(diǎn)火開關(guān)并發(fā)射信號(hào)，例如車門鎖信號(hào)、安全帶卡扣鎖信號(hào)、駐車按鈕信號(hào)、路面附著估算值信號(hào)等等，結(jié)合車速信號(hào)建立加速踏板，優(yōu)化制動(dòng)踏板開度信號(hào)，并設(shè)計(jì)BEEP提示音信號(hào)。在針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析過程中，需要結(jié)合駕駛經(jīng)驗(yàn)缺乏與操作疏忽對(duì)車輛坡度估計(jì)值進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化其整車模型的制動(dòng)功能，配合駐車制動(dòng)力與施加駐車制動(dòng)力分析駕駛安全狀況，通過輪轂電機(jī)駐車控制優(yōu)化車輛減速過程，確保電制動(dòng)控制器對(duì)車速信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)與加速踏板信號(hào)進(jìn)行合理化判斷，確保電制動(dòng)控制器對(duì)車速實(shí)現(xiàn)有效控制。

建立制動(dòng)踏板信號(hào)與加速踏板信號(hào)判斷機(jī)制，確保車速低于0.5m/s左右，但保證制動(dòng)踏板開度不為0。在該過程中，還需要繼續(xù)利用電制動(dòng)控制器監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)，以滿足駐車條件，確保常規(guī)駐車功能仿真結(jié)果分析到位。在該過程中，還需要對(duì)輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，確保駕駛員有效規(guī)避電動(dòng)機(jī)車“溜坡”問題，提高車輛行駛安全性。在該過程中，通過電機(jī)駐車制動(dòng)控制，避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)駐車的精確制動(dòng)控制，配合電子機(jī)械以及電磁式制動(dòng)器問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的精確控制，通過離線仿真方式對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。在整車模型設(shè)計(jì)過程中，需要做到對(duì)駐車制動(dòng)力的準(zhǔn)確施加，配合駕駛難度較高工況對(duì)坡路起步。整車模型是能夠輔助駕駛員在相對(duì)擁堵的交通環(huán)境中自動(dòng)駐車的，它的自動(dòng)駐車功能會(huì)實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)控制制動(dòng)功能，針對(duì)輪轂電機(jī)電制動(dòng)坡路起步、緊急制動(dòng)以及自動(dòng)駐車來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)車的有效控制，為輪轂電機(jī)智能駐車控制實(shí)現(xiàn)有效優(yōu)化。

3? 總結(jié)

綜上所述，本文中可參考基于AMESim建立磐石制動(dòng)器液壓制動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)鉗模型、制動(dòng)主缸模型的數(shù)學(xué)模型有效建立，追求實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)系統(tǒng)與輪轂電機(jī)電制動(dòng)對(duì)比仿真有效分析，確保其瞬態(tài)響應(yīng)特性與常規(guī)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性仿真到位。而在針對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電制動(dòng)特性的過程中，也希望大幅度提高制動(dòng)系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度，確保制動(dòng)力矩安全平穩(wěn)可靠，全面提高電動(dòng)汽車制動(dòng)性能，提升輪轂電機(jī)電制動(dòng)方案的整體可行性。與此同時(shí)，也為日后針對(duì)輪轂電機(jī)電制動(dòng)方案的可行性研究打下良好基礎(chǔ)，深層次分析其輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車防抱死制動(dòng)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的理論技術(shù)研究?jī)?yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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