分布式電驅動汽車復合制動控制策略

劉 暢，楊濤濤，王式民

（棗莊科技職業學院，山東棗莊 277599）

0 引言

以電能為主要能源的新型能源汽車已成為最新的研究方向，具有獨立可控的電動輪轉矩、系統響應快、控制精準且容易是分布式電動汽車的特有優點，已經得到業內人士的高度重視，且成為重點研究方向。需注意的是，新能源電動汽車存在續航里程短、充電慢、能量利用率不高等問題，而這些問題是目前最需要克服和突破的關鍵點。復合制動系統能有效回收制動能量，促使動能轉化為電能，在解決能量利用率低的同時，增加了續航里程。

1 下層控制器設計

粒子群優化算法自1995 年被提出以來，得到社會各界的高度關注，該階段主要應用于鳥類覓食行為的研究中，后續逐步發展，理念及方法得以持續更新。在粒子算法的理念中，將優化問題的潛在解均視為多維空間中的某個點，將其稱之為“粒子”，并且通過目標函數的應用，任何粒子都有其適應值，同時也存在特定的飛翔方向與距離的速度，此條件下，粒子將朝著最優粒子在解空間內進行搜索。在該類算法的視域下，衍生出下層控制器，其設計要在滿足上層控制器要求的同時，縮減車輛能耗。在車輛制動的過程中，動能原本轉變為熱能，而依托于電機的再生制動，可以實現部分動能向電能的轉換。因此，制動時要優先使用電機再生制動。

2 上層控制器設計

2.1 基于變論域模糊比例積分的上層控制器設計

在該控制器中，輸入指的是橫擺角速度的期望值與實際值的差值，輸出指的是附加橫擺力矩，運行流程如圖1 所示。

圖1 變論域模糊比例積分控制器結構

2.2 變論域模糊控制器

相比而言，車輛穩定性控制比較復雜，在分析時從組織概念著手，引出模糊控制器，通過對控制器性能的全面檢測，促進模糊論域范圍自動調整目標的最終實現。模糊控制機制下，若系統從非理想狀態轉變為理想狀態，此時偏差的實際值將有明顯減小的特點，同時分布區的跨度也減小，集中在初始論域的某個特定的小區間內。若偏差值僅存在微小的變化，此條件下控制量也偏小，很大程度上也會固定在一個值長久不變。理想狀態應該是系統逐漸變得穩定，其整個偏差的實際值只會越來越小，而此時的論域也會不斷壓縮；反之，隨著偏差實際值的擴大，論域也會不斷擴大（圖2）。

圖2 論域伸縮過程

3 建立復合制動控制模型

在分層分配中，上層控制器的核心作用在于有效維持制動的可靠性，以實際條件為立足點，因地制宜地為各車輪分配相適配的制動力；下層控制器的關鍵功能在于盡可能實現能量回收最大化的目標，其又可細分為兩個層面，即液壓制動力與電機制動力，使其可以滿足各車輪的要求，也能夠立足于實際條件針對兩類制動力做出調整，優化其在車輪上的比重關系和動力在每個車輪上的占比。首先要保證前后軸制動力的分配精確，為確保制動效果和質量均處于最優狀態，分配前后軸的制動力要按照I 曲線進行。同時，考慮到車輛方向的穩定性要求，如不出現跑偏和位移等，需要以合理的方式向各軸的左右車輪分配制動力，必須確保制動力的分配具有均勻性，否則易出現橫擺力矩或是其他異常狀況。

在制動期間相較于最佳滑移率而言，若車輪產生的實際滑移率未大于該值，ABS 系統就不會被觸發且保持運作；相反，若車輪的具體滑移率超過最初的最佳滑移率，ABS 系統就會被觸發且保持持續的運作，實現對車輪制動力矩的動態化調節，使滑移率可維持相對合理的區間內。制動力矩分配模型能夠確定電機所需的最大制動力，考慮到制動能量回收的效率要求，應當注重對制動力使用順序的控制，即首先宜使用電機制動力，若該部分制動力難以完全滿足要求，則借助液壓制動力對空缺部分進行補充。

4 建立復合制動系統模型

在復合制動模型的組成中，以制動輪缸尤為關鍵，需要在AMESim 中建模。結合制動缸的工作原理和內部結構構建模型，如圖3 所示。

圖3 ABS 模型

活塞的動力學方程為：

式中 mc——制動鉗的質量，kg

xc——制動鉗與制動盤間的測量距離，m

pc——輪缸壓強，Pa

Ac——輪缸活塞橫截面積，m2

Cc——等效阻尼

kc——等效剛度，N/m

現階段的汽車行車制動系統的配套中，應用較為廣泛的當屬雙回路制動系統，而該系統的功能得以正常實現的前提在于可靠的串列雙腔制動系統。

制動主缸推桿推力與主缸內油液壓力兩項參數間存在密切的關聯，具體如下：

式中 Fm——推桿推力，N

Pm——制動主缸壓強，MPa

Am——與主缸等效的橫截面積，m2

Fms——回位彈簧力，N

Fmf——缸壁摩擦阻力，N

制動主缸、制動踏板、控制器、回油泵、蓄能器、單向閥、開關閥、制動輪缸是構成液壓系統的主要部件。

5 仿真結果

仿真工況中，絕大部分情況下將路面的附著系數取為0.7，同時初速度為72 km/h，但就實際試驗環境來看，其經常會使用0.8 的制動強度來進行制動。如圖4 所示，車速從72 km/h 降至0 所耗費的時間約為3.3 s，由此推斷制動時間為3.3 s。在整個制動過程中，0.4 s 為明顯的分界點，前后具有階段性變化的特征。前0.4 s 的制動強度相對較小，此時只需要較小的制動力矩，因此前0.4 s 只依靠電機進行制動，整個液壓制動系統并不參與車輛的制動工作，這可解釋前0.4 s 內電機制動力矩直線增加而后軸液壓制動力矩是0 的問題。一旦超過0.4 s，制動強度會快速增加，此時僅依靠電機產生的制動力矩根本滿足不了制動的需求，液壓系統會自動開啟，自動補全制動力矩空余的部分，這時車輛的制動便屬于電液復合制動模式。當整個制動作業推進到1.3 s 之后，電液復合制動的性能已經達到極限，但仍難以滿足強度要求，在此運行環境中，電機不再保持制動狀態。隨著ABS 系統的介入，可以發揮出強有力的控制作用，有效控制前后軸車輪的滑移率，即穩定在最佳滑移率附近，并未出現過分的偏差。這也從側面證明在復合制動系統的模型中，ABS 系統能產生較好的工作效果和質量。在最初的1.3 s 內，系統內部的工作機制具有協同性，即純電機制動和電液復合制動兩者協同。由于電機的參與，制動能量的回收率較高，促使電池的SOC荷電狀態值發生變化，即從50%增至50.4%；而在該時間之后（1.3 s 后），電機不再繼續參與到制動工作中，能量回收進程結束，此時可以發現電池的SOC 值維持在恒定狀態。

圖4 車速變化曲線

6 結果分析

以AMESim 和MATLAB 為主要分析平臺，建立復合制動系統模型和制動控制模型，經仿真操作后，得到在特定工況下的具體圖形結果，即制動距離曲線、制動力分配曲線、滑移率曲線及電池SOC 值變化曲線。本文搭建起來的復合制動系統和制動控制系統，能結合制動的實際工況合理分配制動力矩。同時由于ABS 的介入，可以較為可靠地控制滑移率，避免出現大幅度波動的情況，實際值可控性好，穩定在最佳滑移率附近，并在最大程度上實現制動能量的回收。