考慮再生制動的線控電制動系統(tǒng)防滑控制策略研究

張利芬

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與航空學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

汽車行業(yè)技術(shù)變革日新月異，呈現(xiàn)出“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”的新發(fā)展格局。目前市場上的純電汽車，采用傳統(tǒng)的電子液壓制動系統(tǒng)，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但液壓傳動存在響應(yīng)慢、重力大、易泄露等明顯缺陷[1]，并不能滿足智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展要求。

在新能源汽車中，線控電制動防滑控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)更加精確的制動控制，并且可以利用電能實現(xiàn)制動能量的回收和再利用，從而提高車輛的續(xù)航能力。此外，該系統(tǒng)還可以與車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、自動駕駛技術(shù)等相結(jié)合，提高車輛的操控性能和安全性。

在此背景下，本文提出線控電制動系統(tǒng)，取消傳統(tǒng)液壓傳動結(jié)構(gòu)，車輪制動器的制動力由獨(dú)立電機(jī)提供，該獨(dú)立電機(jī)提供摩擦制動力，可與駐車電機(jī)分時共用，下文統(tǒng)一稱摩擦制動電機(jī)。摩擦制動與驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的再生制動構(gòu)成行車制動的全部制動力。另外，引入線控技術(shù)控制制動電機(jī)工作，一方面借助先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)[2]，可以實現(xiàn)對制動力的高精度、高穩(wěn)定性和高靈敏性控制，提高汽車制動防滑控制效率，從而提高車身穩(wěn)定性控制；另一方面，通過線控技術(shù)對再生制動和摩擦制動比例協(xié)調(diào)控制更加靈活，有利于提高制動能量回收率[3]。

1 制動力分配控制

線控電制動防滑控制系統(tǒng)的工作原理是利用電信號控制制動器，以實現(xiàn)車輛的制動。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，制動指令會通過電線傳輸?shù)街苿悠?，制動器會立即進(jìn)行制動。這種制動方式可以有效避免車輛制動過程中的滑動和打滑現(xiàn)象，從而提高制動效率和安全性。

在制動過程中，由于汽車四輪輪重不一定均等，所以每個車輪最大附著力也不相等，一般情況汽車左右重力比較對稱，本文主要研究前后制動力分配比例。對于整車而言，每一種前后制動力分配比值，都對應(yīng)一種同步附著系數(shù)，汽車在該附著系數(shù)的路面上緊急制動時，能實現(xiàn)前后輪同時抱死的理想狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，前后輪的附著條件的利用率最高。這樣就可以使每個車輪在抱死前都能發(fā)揮出最大制動潛力，從而提高整車附著利用率，縮短制動距離，提高行車安全。

根據(jù)ECE 制動法規(guī)規(guī)定：當(dāng)制動強(qiáng)度z 為0.2～0.8時，要求[4-5]

式中：φf，φr分別為前、后軸利用附著系數(shù)，z 為制動強(qiáng)度。由式（1）可知，車輪利用附著系數(shù)與制動強(qiáng)度成正比，且后輪利用附著系數(shù)應(yīng)小于前輪，即優(yōu)先防止后輪抱死。

本文主要研究內(nèi)容為制動控制策略，在研究汽車線控電制動時不計空氣阻力、車輪滾動阻力及橫向慣性力對車輪垂向載荷的影響。簡化后的車身模型如圖1 所示，其中L 為軸距，G 為質(zhì)心位置，La、Lb、hg分別為質(zhì)心離前軸距離、質(zhì)心離后軸距離和質(zhì)心離地高度。

圖1 車身簡化模型

假設(shè)前、后輪軸重分別為Ff和Fr，前、后輪的地面制動力分別為Fbf和Fbr，根據(jù)利用附著系數(shù)定義及汽車受力平衡可得

式中：β 為前、后輪的制動力分配比例，將式（2）代入式（1）可得

為得出前、后制動力分配比例的特性曲線，設(shè)定汽車質(zhì)量及相關(guān)幾何參數(shù)見表1。

表1 汽車參數(shù)設(shè)定

將表1 中的設(shè)定參數(shù)值代入式（3）中，得出在滿足ECE 制動法規(guī)條件下，前、后制動力分配系數(shù)β 控制的3 條邊界曲線，如圖2 所示。

圖2 制動力分配曲線

如圖2 所示，曲線2 為能實現(xiàn)前后輪同時抱死的理想分配值曲線，曲線1 和曲線3 分別為前、后軸制動分配系數(shù)值的上、下極限值。另外，在介于曲線1 和曲線2 之間時，可保證始終是前輪先于后輪抱死，汽車失去轉(zhuǎn)向控制，但依然處于穩(wěn)定行駛工況。

因此，在進(jìn)行前、后制動力分配比例控制時，為保證制動安全，制動力分配比例值應(yīng)始終位于曲線1 和曲線2 之間。同時，為保證足夠的制動效能，制動力分配比例值應(yīng)盡量靠近曲線2。

2 前后制動力分配控制方案的確定

緊急制動時，最理想制動狀態(tài)是前后輪同時達(dá)到抱死邊緣。能實現(xiàn)這一狀態(tài)的路面附著系數(shù)稱為同步附著系數(shù)。對于一種分配比例只有一種對應(yīng)的同步附著系數(shù)，也就意味著某一固定比例的制動系統(tǒng)只有在一種路面上能實現(xiàn)理想制動狀態(tài)。這一固定的比例用β0表示，對應(yīng)的同步附著系數(shù)用φ0表示，則

式（4）中L、Lb和hg的含義與上文相同。

前、后輪同時達(dá)到抱死邊緣時，汽車能實現(xiàn)的制動強(qiáng)度為z，根據(jù)汽車?yán)碚撝R，此時的制動強(qiáng)度z 與同步附著系數(shù)φ 相等，為達(dá)到理想的制動效果，控制器便將該附著系數(shù)設(shè)置成目標(biāo)值，動態(tài)調(diào)節(jié)前、后制動力比例值β，則根據(jù)式（4）得出β 的控制方程應(yīng)為：

當(dāng)汽車制動強(qiáng)度需求為z時，用FB表示所需的總制動力，則

3 基于四輪制動力分配的動態(tài)防滑控制方案

根據(jù)汽車ABS 控制原理，汽車制動防滑控制的主要內(nèi)容為滑移率控制。車輪與路面的縱橫向附著系數(shù)會隨滑移率的動態(tài)變化而變化。用uB和uS分別表示縱、橫向附著系數(shù)。當(dāng)縱向利用附著系數(shù)uB達(dá)到最大值時，對應(yīng)的滑移率稱為最佳滑移率，此時制動效能最高。此時制動距離的計算公式為

式中：u初為汽車初始速度。

而橫向附著系數(shù)直接決定車輛的側(cè)向抗干擾能力，兼顧制動效能和制動時車輛的操縱穩(wěn)定性，防滑控制應(yīng)能保證滑移率處于15%～20%。通過動態(tài)調(diào)節(jié)制動力大小使滑移率在最佳區(qū)間內(nèi)波動，保證車輪不抱死的前提下發(fā)揮最大制動效能。

根據(jù)以上分析，以單側(cè)前輪為例，擬定控制流程如圖3 所示。

圖3 防滑制動控制流程圖

對于純電驅(qū)動電動汽車，續(xù)航為評價電動車性能的核心指標(biāo)之一。由于電機(jī)能量轉(zhuǎn)化的可逆性，在制動過程中，提高制動能量的回收率不僅能提高整體續(xù)航，也能減少車輪制動器的產(chǎn)熱量，提高制動器使用壽命，同時由于再生制動的可控性，可以提高制動力控制的靈活性，所以在制動防滑控制過程中為綜合考慮制動性能和能量回收率，對于制動力FZ的控制不僅涉及到摩擦制動電機(jī)，同時也涉及到再生制動電機(jī)，即驅(qū)動電機(jī)。再生制動也可以通過調(diào)整滑移率來影響制動防滑控制。在制動時，如果滑移率控制得當(dāng)，可以減少輪胎的磨損，提高制動效率，同時避免出現(xiàn)側(cè)滑等失控情況。一般來說，電動汽車再生制動的滑移率控制是通過電控剎車器實現(xiàn)的。電動汽車采用純電、混動或輪轂電機(jī)驅(qū)動等不同的動力模式，其制動電機(jī)控制方案也有不同，后期可根據(jù)具體實例做進(jìn)一步研究。

4 再生制動能量回收控制

以滿足防滑控制為前提，制定制動能量回收控制方案，再生電機(jī)在施加再生制動力時輸出電功率用Pe表示，則

式中：P1為輸入機(jī)械功率，Pmec-PFc-/斜體>nI2R為功率損耗。當(dāng)輸入功率不及電機(jī)損耗功率時，電機(jī)處于耗能狀態(tài)。

再生制動能量回收，與再生制動比例ρ 的關(guān)系，制動能量回收率計算如圖4 所示。

圖4 能量回收計算方案

根據(jù)式（8）可知，影響制動能量回收率的主要因素有：

1）電機(jī)特性。本文所選用的永磁同步電機(jī)，無勵磁損耗，電機(jī)工作時相比于交流異步電機(jī)而言，同等條件下，能量回收率較高。

2）儲能裝置。電池的荷電狀態(tài)SOC（System on chip）、電池的充電性能等會影響電機(jī)再生能量的提取和儲存。電池的充電特性參數(shù)需與電機(jī)的輸出特性參數(shù)匹配。另外，一般情況下，只有當(dāng)蓄電池SOC 處于特定范圍時才具備比較良好的充電性能。

3）制動工況。車速與制動強(qiáng)度會直接影響制動能量回收的效果，不同車速的制動工況，能量消耗區(qū)別很大，比如在城市行駛環(huán)境中，由于制動頻率高、制動強(qiáng)度適中，能量回收效果比較好；在車流量較小的國道低速行駛，因為車速較低，制動強(qiáng)度較小，可選擇較大的再生制動比例，具備最佳的制動能量回收效果；在高速公路行駛環(huán)境中，制動頻率低、制動強(qiáng)度大，此時由于再生制動具有延遲性，為滿足制動安全的首要條件，再生制動比例較小，從而導(dǎo)致能量回收效果較差。

此外，路況、天氣、溫度等自然環(huán)境條件對汽車制動回能的回收也都有影響，不過相對較小。

當(dāng)然，影響能量回收效率的最關(guān)鍵因素還是制動力控制和能量管理控制的問題，能否同時實現(xiàn)“利用附著系數(shù)最大化”和“能量回收率最大化”的雙重目標(biāo)關(guān)鍵在于制定合理的再生制動比例控制方案。

5 結(jié)束語

能否同時取得高制動效能和制動安全的關(guān)鍵是制定合理的防滑控制方案，為把握此關(guān)鍵，本文在制動打滑的理論分析基礎(chǔ)上，得出車輛制動防滑控制目標(biāo)，進(jìn)而擬定制動力分配比例控制和車輪防滑控制方案，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化再生制動比例，以滿足制動防滑控制要求為前提，制定再生制動能量回收控制方案。為后續(xù)仿真模型的建立做理論基礎(chǔ)。