基于雙輪式電機再生制動車輛穩定性集成控制研究＊

陳慶樟許廣舉孟杰焦洪宇

（1.常熟理工學院；2.江蘇大學江蘇省汽車重點工程實驗室）

基于雙輪式電機再生制動車輛穩定性集成控制研究＊

陳慶樟1,2許廣舉1孟杰1焦洪宇1

（1.常熟理工學院；2.江蘇大學江蘇省汽車重點工程實驗室）

以雙輪式電機前驅電動汽車制動系統為研究對象，把雙電機再生制動、液壓制動、穩定性控制集成在一起，開發了再生制動系統協調控制器。根據車輛制動需求、車輛狀態、系統儲能狀態等確定車輛制動模式及分配制動力矩，并根據車輛實時穩定性狀況由雙輪式電機再生制動提供車輛穩定性控制力矩。仿真和試驗結果表明，在車輛轉彎制動工況中采用所述集成協調控制器比采用電機單邊獨立控制穩定性控制效果更好。

混合動力汽車和電動汽車中電機制動響應快、可實現能量回收制動，但可提供的制動力矩較小，其制動力矩控制受車輪轉速、電機基速、儲能系統充電能力等因素影響，往往難以單獨承擔車輛制動任務，需要與傳統液壓制動聯合工作，作為液壓制動的補充。本文以基于雙輪式電機前驅動電動汽車為研究對象，開發再生制動及其穩定性集成控制系統。

1 系統結構

再生制動系統模型結構原理如圖1所示，制動系統中的液壓防抱死制動系統制動與再生制動協調控制，制動電機也進行防抱死制動控制。制動控制器根據制動需求，對液壓防抱死制動系統電動泵、壓力調節裝置調整常規液壓制動力大小，同時把按前、后輪制動力分配要求及制動工況要求等條件計算出來的電機制動力矩大小及車輛滑移率狀態等信息輸送給電機控制器，電機控制器對兩個開關磁阻電機制動功率、制動扭矩進行調整控制，實現電機制動。儲能器由閥控鉛酸蓄電池及超級電容組合而成，以保證儲能器既有較高的能量密度又有較高的功率密度，超級電容起能量緩沖作用，可更充分回收與利用制動能量。

2 集成控制策略

再生制動控制策略的原則是追求制動穩定性、駕駛員制動感覺和能量回收最大化。在制動踏板動作時（駕駛員有制動需求），根據制動需求大小，決定采用何種機電制動模式，再確定前、后制動力分配比，然后根據前軸制動需求量及儲能系統荷電狀況進行機電制動力分配，并進行能量回收；前軸電機制動進行液壓防抱死制動系統控制，控制方式是對電機輸入一個驅動電壓，后軸制動仍為原有的液壓防抱死制動系統制動方式；在緊急制動中前、后軸全為液壓液壓防抱死制動系統制動；機電制動比變化時制動踏板平穩過渡控制；根據集成系統輸入狀況確定能量回收最大化控制方法。

再生制動及穩定性集成控制策略原理如圖2所示。

圖2 中，協調控制器在獲取車輛運行工況及運動狀態后，根據所得的β、γ˙、vx、vy等參數進行車輛穩定性控制，輸出預期的橫擺力矩M^Z以調整車輛運動狀態；電機控制器對前輪左、右電機進行制動控制產生相應的調整力矩。在制動過程中，制動踏板單元把制動需要的力Fbn輸送給協調控制器，協調控制器根據制動強度判斷電機與儲能器SOC狀態確定可用的再生制動最大力矩確定相應的制動模式，再由車輛質心參數狀況確定出符合最佳前后軸制動力分配系數、控制高速開關閥的輸入Df、Dr，從而調整前、后制動力分配；同時確定出液壓制動系統承擔的制動量電機控制器及液壓液壓防抱死制動系統模糊控制器再根據車速及車輪滑移率λ值進行液壓防抱死制動系統控制。

整個系統以協調控制器為中心，車輛穩定性控制、再生制動控制、能量回收控制及液壓制動控制相互關聯制約。

協調控制器主控流程如圖3所示。

式中，A是車輛穩定性因素，取A=0.005。側滑角參考值為零，即：

基于電機再生制動的車輛穩定性控制算法如圖4所示，圖4中參考模型產生的橫擺角速度與側滑角參考值由駕駛員轉向輸入δf及縱向車速vx決定，兩個參考值都是車輛穩定的控制目標。橫擺角速度為：

為了獲得預期的車輛響應，控制目標是車輛橫擺角速度和側滑角響應值與預期值(參考值)之間的誤差最小，即控制算法輸入是：

公式（3）中兩個輸入變量由車輛上產生的橫擺力矩MZ與轉向增益Δδ控制實現，即控制系統的兩個輸出為MZ、Δδ。

車輛橫擺運動可以由左、右兩邊車輪制動力不同產生，本文中前輪由兩個開關磁阻電機制動，控制兩個電機制動強度可產生相應的橫擺力矩MZ。若橫擺運動為負方向（順時針），則左前輪上的制動力增大；若橫擺運動為正方向（逆時針)，則右前輪上的制動力增大。而Δδ則疊加在駕駛員轉向操縱上。設兩個電機制動傳動效率η1=η2=ηe，傳動比ig1=ig2=ige，左、右車輪有效半徑Rw1=Rw2=Rw，后輪左、右車輪的制動力相等，則有：

由上式可知，要提供MZ來平衡車輛橫擺運動，則需控制左、右電機提供相應制動力矩差，控制能量回收相電流差為：

對于式（6），在橫擺運動為順時針時，iz為正；橫擺運動為逆時針時，iz為負。當由發動機單獨驅動時，相應電機控制發電電流即為模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法確立模糊規則。

3 仿真與結果分析

在Matlab/simulink環境中對集成控制系統進行仿真研究，仿真時模擬轉彎制動工況，假定車輛初始車速為60 km/h，在時間t=0.5 s時輸入90°角轉向階躍，制動時間為4.5 s，由超級電容單獨儲能，初始SOC設為30%。圖5為系統集成控制與雙電機單邊單獨控制時的仿真結果比較曲線。

從圖5所示仿真結果可以看出，在轉彎制動工況下，采用集成控制時橫向加速度、橫擺角速度、車輪滑移率、制動距離等制動性能都有一定程度的改善，因此采用集成控制器形式有利于充分利用雙輪式電機制動響應快的特點，提高汽車轉彎制動穩定性能和車輛行駛穩定性能。但能量回收方面區別不大，主要是因為集成控制與單邊單獨控制兩者在穩定性控制中制動力矩作用基本一致。

4 硬件在環試驗

圖6所示為所設計的汽車再生制動仿真硬件系統框圖，負載電機工作，動力通過機械式變速器模擬車輛換擋變速、傳遞到電磁離合器、經過一個四向齒輪轉向器把動力傳遞到慣性飛輪組，帶動飛輪旋轉，產生大小為汽車制動開始時動能值的機械能值。試驗臺包括制動踏板輸入模塊、制動能量轉換模塊、慣性模塊、道路阻力模擬模塊（負載電機）、常規制動模塊、能量儲存模塊、測控系統模塊等。表1所示為硬件在環仿真試驗結果指標比較。

表1 硬件在環仿真試驗結果指標比較

從表1中可以看出，在硬件在環仿真試驗中，集成控制方式時車身橫向加速度均方根值、車身橫擺角速度均方根值、前輪滑移率均方根值、后輪滑移率均方根值、制動距離等均有較明顯的改善，而能量回收性能由于在集成穩定性控制和單邊單獨控制中均由再生制動提供穩定性控制力矩，能量回收率基本沒有變化，這與Simulink環境中仿真結果基本吻合。

5 結束語

將汽車電機能量再生制動、液壓制動與車輛穩定性控制功能集成在一起，由協調控制器根據制動需求、車輛狀態、系統儲能狀態等確定車輛制動模式、分配制動力矩，并根據車輛實時穩定性狀況由雙輪式電機再生制動提供車輛穩定性控制力矩，這種電動汽車或混合動力汽車集成制動系統具有制動響應快、制動穩定性更高的特點，并能實現制動能量回收及車輛行駛穩定性控制。集成系統協調控制器的制動穩定性優化及能量回收最大化優化是相關課題深入研究的關鍵。

1劉志強，過學迅.純電動汽車電液復合再生制動控制.中南大學學報（自然科學版），2011，42（9）：2687～2691.

2初亮.混合動力總成的控制算法和參數匹配研究：[學位論文].長春：吉林大學，2002.

3Jorge Moreno，Micah E.Ortuzar，Juan W.Dixon，Energy-ManagementSystemforaHybridElectricVehicle，Using Ultracapacitors and Neural Networks，IEEE Transactions on industrial Electronics，Vol.53，2008，pp614～623.

4Steven M.Demers.Mechanical and regenerative braking integration for a hybrid electric vehicle.Canada:Univ.of Waterloo，2009.

5A.M.Walker，M.U.Lamperth，S.Wilkins.On Friction Braking Demand with Regenerative Braking，SAE paper，2002-01-2581.

6J.K.Ahn，K.H.Jung，and D.H.Kim.Analysis of A Regenerative Braking System For Hybrid Electric Vehicles Using An Electro-Mechanical Brake.International Journal of Automotive Technology，2009，Vol.10，No.2，pp.229-234.

7彭棟.混合動力汽車制動能量回收與ABS集成控制研究：[學位論文].上海：上海交通大學，2007.

8趙偉.汽車動力學穩定性橫擺力矩和主動轉向聯合控制策略的仿真研究：[學位論文].西安：長安大學，2008.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年2月1日。

Study on the Integrated Control for Vehicle Stability Based on Two-wheeled Motor Regenerative Braking System

Chen Qingzhang1，2，Xu Guangju1，Meng Jie1，Jiao Hongyu1
（1.Changshu Institute of Technology;2.Jiangsu Province key Laboratory of Automotive Engineering，Jiangsu University）

Taking two-wheeled motor front drive electric vehicle regenerative braking system as the research object，the regenerative braking system coordinated controller was developed by integrating the dual-motor regenerative braking，hydraulic brake and the stability system.The vehicle braking mode and the allocation of braking torque were determined according to the vehicle's braking demand，vehicle status and energy storage system state，and the stability control torque was provided by the two-wheeled motor regenerative braking system according to the real-time vehicle stability condition. The results show that，compared with the motor unilateral independent control strategy，the integrated coordinated controller has better stability effect on vehicle braking in the process of turning.

Electric vehicle,Regenerative braking,Vehicle stability,Integrated control

電動汽車再生制動車輛穩定性集成控制

U461.6

A

1000-3703（2014）07-0044-04

江蘇省自然科學基金項目（BK2011367）和江蘇省“六大人才高峰”項目（SZ2010002）資助。