電動客車氣壓制動響應特性與復合制動控制研究

花雙平

摘要：隨著我國的經濟在快速的發展，社會在不斷的進步，1）以某型電動客車為研究對象建立了復合制動系統仿真模型，復合制動系統模型包括再生制動仿真模型和氣壓制動仿真模型，其中再生制動仿真模型包括AVL-cruise中的整車模型、電機模型和電池模型;氣壓制動仿真模型包括AMEsim中的電控氣壓制動系統模型，MATLAB/simulink中的七自由度整車模型和TruckSim中的高精度整車模型。2）在電動客車復合制動系統仿真模型的基礎的上設計了電動客車復合制動控制策略，其主要包括再生制動控制策略和氣壓ABS控制策略。分析了制動法規、電機、電池和車速對再生制動力分配的影響，然后制定了再生制動控制策略;研究了自適應容積卡爾曼濾波（ACKF）算法在車輛狀態估算中的應用和修正邏輯門限值算法在執行機構控制中的應用，最后提出了基于滑移率的全局滑模變ABS控制策略。

關鍵詞：車輛工程;電動客車;復合制動;研究

引言

最新發布的《BP世界能源統計年鑒》顯示：石油仍是全球最重要的燃料，占全球能源消費的三分之一以上;2016年全球石油消費增長160萬桶舊，其中中國消費增長40萬桶舊，是最主要的需求增量;而與消費情況相反，全球石油產量僅增長40萬桶舊，為2013年以來最緩增速。在全球石油產量增速放緩的同時，我國的原油產量自2015年開始出現持續下滑現象，這直接導致我國對進口原油的依賴度不斷增加，截止201_5年，我國原油進口依賴度突破60%，這無疑給我國的能源安全提出了巨大挑戰。

1電動客車復合制動系統總體構型

圖1為本文中電動客車復合制動系統總體構型，根據構型建立的復合制動系統仿真模型主要包括：整車模型、電機模型、電池模型、電控制動系統模型（EBS），其中電控制動系統模型主要包括：前橋壓力控制模塊（FM）模型、后橋壓力控制模塊（RM）模型和ABS電磁閥模型，此外本文中共涉及三個車輛模型，第一個是在AVL-cruise中搭建的中等精度的車輛模型，主要用于再生制動工況中整車燃油經濟性的仿真驗證，第二個是在TruckSim中搭建的高精度車輛模型，主要用于ABS工況的仿真驗證;第三個是在MATLAB/simulink中搭建的一個七自由度整車模型，主要用于ABS工況中的狀態估算。

2電動客車復合制動系統控制策略設計

2.1電動客車復合制動控制策略總體架構

圖2是本文中復合制動系統控制策略的總體架構圖，復合制動控制策略包括兩部分，第一部分是車輛不發生滑移的常規制動工況，這時車輛進入再生制動控制，再生制動控制策略首先根據制動強度確定前后軸制動力分配，然后將后軸制動力與電機實時能夠提供的最大電機制動力對比，最后確定前后軸氣壓制動力和電機制動力，再生制動過程中采用cruise軟件自帶的簡化氣壓制動系統;第二部分是車輛發生滑移的緊急制動工況，這時再生制動退出，車輛進入氣壓ABS控制，由ABS控制策略確定四個車輪的氣壓制動力，然后控制氣壓制動系統執行機構響應，最終實現對整車的制動控制。

2.2后軸氣壓制動力與電機制動力分配

在確定前后軸制動力分配策略之后，再生制動控制策略的第二部分內容就是確定后軸氣壓制動力與電機制動力的分配，由于本文的再生制動控制策略目標是在滿足法規要求的前提下最大限度的回收制動能量，所以后軸制動力采用如下分配策略：如果電機最大制動力能夠滿足后軸制動力的要求則由電機單獨制動，如果電機制動力不能單獨滿足后軸制動力的要求，則由最大電機制動力和后軸氣壓制動力共同制動。

2.3線性卡爾曼濾波算法

在工程實踐中，很多狀態變量的真實值不能直接獲取或者獲取成本太高，因此狀態估計問題逐漸成為現代控制理論的一個重要研究方向。狀態估計的過程是根據狀態變量的觀測信號來估計狀態變量的真實值，由于狀態變量的觀測信號中存在觀測噪聲，狀態變量在運動過程中存在過程噪聲，所以要準確的獲得所需的狀態變量是不可能的，只能根據觀測信號來估計這些狀態量，這其中卡爾曼濾波器（KalmanFilter，KF）就是一種能有效降低噪聲影響的利器，在線性系統中，卡爾曼濾波是最優濾波器，因為不同于維納濾波器，卡爾曼濾波是遞推的，所以隨著計算機技術的進步，計算要求和復雜性不再是卡爾曼濾波的應用障礙，目前卡爾曼濾波越來越多的應用于國防和制導等高科技領域。

2.4滑模面設計

基于滑移率的滑模變ABS控制器設計分為兩個部分，第一部分是根據ABS系統的控制目標設計滑模面，保證系統在滑動模態區的運動漸進穩定;第二部分是根據滑模面設計控制律，保證在任意初始狀態下，系統能在有限時間內移動到滑模面上BAl基于滑移率的ABS控制器以滑移率為控制目標，當車輪的滑移率在15%-20%之間時地面制動力達到最大值，這時車輪能夠最大限度的利用路面附著條件，減小制動距離，保證制動安全，因此本文中ABS控制器的控制目標就是將四個車輪的滑移率控制在最佳滑移率附近，所以選擇車輪實際滑移率與理想滑移率之差作為滑模面。

2.5輪胎模型

輪胎是車輛與地面接觸并傳遞力和力矩的唯一部件，車輛所受的縱向力、側向力和回正力矩都是輪胎與地面接觸產生的，因此輪胎模型是否準確對整車模型至關重要。目前主流的輪胎模型分為三類：理論模型、半經驗模型和經驗模型。半經驗模型和經驗模型大都是通過實驗數據擬合得到，形式簡潔，計算簡單，但是通用性較差，為了提高模型的適用性本文選擇理論模型一GIM輪胎模型，GIM輪胎模型對于側向力和縱向力的計算精度較高且模型參數測取方便。

2.6制動器模型

從上文中知高壓氣體從儲氣筒經EBS系統各執行機構最終達到制動氣室產生制動壓力，因此EBS能控制的是制動氣室的制動壓力，而在ABS和再生制動控制策略中，最終給出的是車輪的制動力或者制動力矩，這中間就需要一個關鍵的轉換部件一制動器。制動器主要分為盤式制動器與鼓式制動器，盤式制動器以圓盤狀的制動盤作為摩擦副中的旋轉元件，盤式制動器尺寸小、質量輕、抗熱衰退性能好，普遍用于乘用車;鼓式制動器以制動鼓作為摩擦副中的旋轉元件，鼓式制動器制動效能高、成本低、能兼顧駐車制動，所以商用車特別是重型載貨或載客商用車均采用鼓式制動器。

結語

1）研究了電動客車復合制動系統的總體布置并建立了復合制動系統仿真模型，復合制動系統模型主要包括再生制動仿真模型和氣壓制動仿真模型，其中再生制動仿真模型包括AVL-cruise中的整車模型、電機模型和電池模型;氣壓制動仿真模型包括AMEsim中的電控氣壓制動系統模型，MATLAB/simulink中的七自由度整車模型和Trucksim中的高精度整車模型。2）在電動客車復合制動系統仿真模型的基礎的上設計了電動客車復合制動控制策略，其主要由再生制動控制策略和氣壓ABS控制策略組成，其中再生制動控制策略包括前后軸制動力分配策略和后軸電機制動力與氣壓制動力分配策略;氣壓ABS控制策略包括基于ACKF的狀態估算策略、電控氣壓制動系統執行機構控制策略和基于滑移率的全局滑模變ABS控制策略。

參考文獻

[1]韓正鐵，宗長富，趙偉強.商用車EBS系統比例繼動閥特性與控制方法[[J].農業機械學報，2014，45（10）：1一6.

[2]韓正鐵.商用車電控制動系統遲滯特性及補償控制策略研究[D].吉林大學2014.

（作者身份證號碼：320124198811083258）