電動(dòng)汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制策略現(xiàn)狀研究

摘 要：通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析，闡述了電動(dòng)汽車(chē)?yán)锏腁BS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程，重點(diǎn)分析了五種ABS系統(tǒng)的控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，提出未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)ABS制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：防抱死制動(dòng)系統(tǒng)；再生制動(dòng)；控制策略；電動(dòng)汽車(chē)

1 概述

石油匱乏、溫室效應(yīng)、PM2.5等能源危機(jī)和環(huán)境污染日益突顯，已經(jīng)嚴(yán)重影響著人們的衣食住行。傳統(tǒng)汽車(chē)不僅是原油的主要消耗者，也是溫室氣體、PM2.5等廢氣的主要排放者，所以電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展在世界各國(guó)受到了前所有未有的關(guān)注。這里的電動(dòng)汽車(chē)主要包含純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)的安全技術(shù)尤其是制動(dòng)技術(shù)將面臨越來(lái)越嚴(yán)格的考驗(yàn)。再生制動(dòng)技術(shù)由于其制動(dòng)力受汽車(chē)電機(jī)性能、電池容量等的限制，單獨(dú)應(yīng)用在汽車(chē)上其制動(dòng)效果并不能達(dá)到理想狀態(tài)。故目前國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)沿用了傳統(tǒng)汽車(chē)的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)方式，或采用再生制動(dòng)與ABS制動(dòng)相結(jié)合的模式。本文在電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車(chē)環(huán)境下的ABS制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，提出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外從上世紀(jì)90年代開(kāi)始電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品就已上市且已具備較成熟的理論。日本豐田公司把ABS系統(tǒng)的功能和再生制動(dòng)功能進(jìn)行融合，開(kāi)發(fā)了豐田混合動(dòng)力控制系統(tǒng)，將整車(chē)能量利用效率提高到20%，之后該公司相繼推出THS-C系統(tǒng)、THS-M系統(tǒng)等進(jìn)一步提升了制動(dòng)技術(shù)。美國(guó)福特公司則以電子系統(tǒng)和機(jī)械制動(dòng)為主開(kāi)發(fā)了線控電液再生制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車(chē)上。在制動(dòng)系統(tǒng)理論方面，Eid Mohamed等人提出了并聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)再生制動(dòng)方案，不僅能實(shí)現(xiàn)摩擦制動(dòng)與再生制動(dòng)的協(xié)調(diào)，還能利用再生制動(dòng)的快速響應(yīng)特性更好地實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的防抱死性能[1]。Hoon Yeo等人提出了一種再生制動(dòng)控制算法，使電機(jī)工作在高效區(qū)[2]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)技術(shù)方面雖已取得階段性成果，但是較之國(guó)外大部分研究成果尤其是再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究仍停留在理論層面。張忠富融合現(xiàn)代先進(jìn)機(jī)電控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型電磁機(jī)械耦合再生制動(dòng)系統(tǒng)，克服摩擦制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)兩套系統(tǒng)的相互獨(dú)立的缺陷[3]。張繼紅提出將電液制動(dòng)系統(tǒng)與再生制動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用在純電動(dòng)汽車(chē)上，通過(guò)仿真分析整車(chē)性能及制動(dòng)性能得出這一方法的可行性與有效性。在政策方面，2012年科技部發(fā)布的《電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》確立了純電驅(qū)動(dòng)的技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，明確了汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)化技術(shù)變革的總體方向。十三五規(guī)劃中則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)提升與改進(jìn)，鼓勵(lì)企業(yè)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新能源電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)結(jié)合。

3 ABS系統(tǒng)控制策略分析

3.1 ABS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1，電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)主要由ABS系統(tǒng)、制動(dòng)踏板、電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)及其控制單元、電池及其控制單元和協(xié)調(diào)控制器等組成。現(xiàn)在市面上絕大部分電動(dòng)汽車(chē)的ABS系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車(chē)的ABS系統(tǒng)具有異曲同工之處，極少數(shù)電動(dòng)汽車(chē)的ABS系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。ABS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是在普通制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速傳感器、電子控制裝置、制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置、報(bào)警裝置等幾個(gè)部分。

3.2 ABS系統(tǒng)控制策略分析

對(duì)于裝有再生制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)，將再生制動(dòng)系統(tǒng)與ABS控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，不僅可以回收電動(dòng)車(chē)的能量，還可合理分配制動(dòng)力矩，增加車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。單純就汽車(chē)防抱死控制系統(tǒng)而言，主要有以下五種控制策略。

3.2.1 邏輯門(mén)限值控制策略。該控制策略應(yīng)用在ABS系統(tǒng)中的具體原理是把車(chē)輪的制動(dòng)參數(shù)設(shè)置一個(gè)門(mén)限值，通過(guò)對(duì)比實(shí)時(shí)制動(dòng)參數(shù)與該門(mén)限值的差距判斷車(chē)輪是否趨于抱死。這種控制策略雖然對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模要求低，但是由于門(mén)限值參數(shù)的判斷邏輯較多，需在反復(fù)試驗(yàn)后得出規(guī)律，缺乏可靠性。

3.2.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。其具體的應(yīng)用原理是根據(jù)ABS控制系統(tǒng)的瞬時(shí)狀態(tài)以躍變的形式對(duì)制動(dòng)量大小進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)在較小范圍內(nèi)滑移換節(jié)曲線移動(dòng)。在制動(dòng)時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性，但在曲線切換中，通常會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。此外該控制策略中模型的狀態(tài)方程誤差較大會(huì)影響最終制動(dòng)效果。

3.2.3 PID控制策略。PID控制所涉及的控制算法和控制結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用。通過(guò)設(shè)定滑移率實(shí)際值與理論值之間的差值為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)在線或離線專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法對(duì)ABS控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，從而獲得較優(yōu)的制動(dòng)系數(shù)。但常規(guī)的PID控制器并不能滿(mǎn)足條件復(fù)雜的行車(chē)工況。故越來(lái)越多的研究者在這一控制策略的研究重點(diǎn)放在通過(guò)智能控制算法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，如將免疫算法、蟻群算法等和PID控制方法聯(lián)合起來(lái)應(yīng)用于ABS。

3.2.4 模糊控制策略。以基于滑移率的模糊控制策略為例，其應(yīng)用原理是設(shè)計(jì)滑移率誤差與滑移率誤差變化率為輸入量，通過(guò)相應(yīng)的模糊規(guī)則經(jīng)過(guò)隸屬度函數(shù)輸出的制動(dòng)壓力值對(duì)車(chē)輪進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的防抱死。該策略應(yīng)用的關(guān)鍵是建立合理的模糊控制器并將該控制器應(yīng)用ABS系統(tǒng)中，存在的缺陷是對(duì)較小誤差的控制方面難以達(dá)到較高的控制精度。

3.2.5 最優(yōu)控制策略。在ABS控制系統(tǒng)中，通常選擇車(chē)輪角速度及角加速度作為狀態(tài)參數(shù)，以滑移率為控制優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)施反饋閉環(huán)控制。該控制策略在理論層面較成熟，控制仿真效果較好，但是由于控制策略與精確的控制模型有很大關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的難度。

4 電動(dòng)汽車(chē)ABS系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)由再生制動(dòng)和ABS制動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，從理論分析到設(shè)計(jì)應(yīng)用也逐漸走向成熟，面臨產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。其發(fā)展方向有對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低成本，大批量的應(yīng)用在實(shí)體車(chē)中；優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略，綜合考慮能量利用率與制動(dòng)穩(wěn)定性的平衡關(guān)系；將智能化的控制策略引入到ABS控制系統(tǒng)中，提升ABS系統(tǒng)的制動(dòng)性能，豐富ABS控制理論內(nèi)容。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS不僅在傳統(tǒng)汽車(chē)上占據(jù)重要地位，而且在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域仍發(fā)揮重要作用。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，ABS制動(dòng)控制策略的有效實(shí)施以及其與再生制動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是確保電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)最佳制動(dòng)的基礎(chǔ)，也是提升電動(dòng)汽車(chē)能量回收率的有效途徑。所以電動(dòng)汽車(chē)的ABS制動(dòng)控制系統(tǒng)與再生制動(dòng)系統(tǒng)的集成控制策略仍然是值得深入研究的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]張忠富.電動(dòng)汽車(chē)電磁機(jī)械耦合再生制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建及主動(dòng)穩(wěn)定性控制研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[2]張繼紅.純電動(dòng)汽車(chē)電液制動(dòng)系統(tǒng)再生制動(dòng)控制策略研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2011.

[3]孫駿，蔣克榮.汽車(chē)ABS免疫PID控制算法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（4）：27-30.

作者簡(jiǎn)介：付杰（1984-），女，山東聊城人，工程師，碩士。