電動汽車電液復合制動系統的AMESim仿真研究

梁光成

電動汽車電液復合制動系統的AMESim仿真研究

梁光成

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710000）

電動汽車的電液復合制動系統包括電機制動和液壓制動。電機制動的執行機構為驅動電機，技術較完備；傳統液壓制動系統無法實現實時可調，故需要開發電子液壓制動系統。因此，文章基于實驗室電機臺架的參數，搭建了液壓制動子系統的AMESim仿真模型；且設計了PID控制器。仿真結果表明，所搭建的液壓制動子系統AMESim仿真模型對期望壓力的跟隨性較好，所設計的PID控制器能有效地改善液壓壓力的控制過程。整個模型具有較好的控制效果，為電液復合制動系統的研究提供了參考。

電動汽車；電液復合制動系統；AMESim仿真；電子液壓制動系統；PID控制器

引言

我國的汽車工業得到了飛速發展，越來越多的汽車走進了普通人們的生活，方便了人們的生活，但是，同時也帶來了能源、環境等問題。當前我國全社會的石油消耗量巨大，其中汽車的占比最大；且我國為貧油國家，石油主要依靠大量進口，這嚴重威脅了我國的能源安全[1]。所以，為了人們的身體健康和緩解我國的能源安全問題，國家發布了“三縱、三橫”開發布局，大力發展新能源汽車[2]。該開發布局取得了巨大成功，新能源汽車（尤其是電動汽車）在我國得到了快速發展[3]。

安全性是汽車的重要評價標準之一，汽車的制動性能直接影響行駛安全性[4]。電動汽車的制動系統由電機制動和液壓制動組成，稱為電液復合制動系統（electro-hydraulic hybrid braking system, EHHB）。電液復合制動系統相比于傳統制動系統，具有較多的優勢，但同時也增加了系統的復雜性。電機制動的執行機構為電動汽車的驅動電機，技術比較完備；而要求液壓制動可以隨電機制動實時調整，傳統液壓制動無法滿足，故需要開發電子液壓制動系統，組成電液復合制動系統。

清華大學羅禹貢等[5]設計了一套能夠實時模擬路面制動力動態變化的電動汽車電液復合制動動態試驗臺，主要包括電機制動子系統、液壓制動子系統、車輪模擬子系統等。吉林大學劉海貞[6]依托國家“863計劃”，采用高性能電動缸驅動兩個傳統制動主缸，并采用兩個豐田普銳斯ECB系統的 HCU作為壓力調節的主要部件，搭建了電液復合制動臺架，實現液壓制動力的精確調節。Rosenberger M等[7]研究ABS功能介入時的電動汽車再生制動策略，制動時由電機制動系統調節總制動力矩，而液壓制動力保持不變。Robert J Campbel等[8]以中度混合動力汽車為對象，提出了三種制動力分配策略，并以城市循環工況為試驗條件進行仿真。長安大學董昊軒等[9]以四輪轂獨立驅動電動汽車的復合制動系統為研究對象，基于I曲線和ECE R13法規，提出了一種適用于前后軸采用不同性能輪轂電機的再生控制策略。該策略根據前后軸電機最大可用制動力比值、按I曲線分配的前后軸制動力比值、ECE R13法規限定的前后軸制動力比值，劃分不同的制動力最優分配區域。

為了研究電動汽車的制動工程，本文基于實驗室電機試驗臺架的參數（如表1所示），設計了電液復合制動系統的液壓制動子系統的結構方案，并基于該結構在AMESim搭建了仿真模型，驗證該方案的可行性，并基于PID算法設計了控制器，研究液壓制動子系統的工作過程。

表1 實驗室電機的額定參數表

電壓/V電流/A功率/W轉速/r?min?1轉矩/N?m 48155003 0001.6

1 液壓制動子系統的結構方案

電液復合制動系統主要包括電機制動子系統、液壓制動子系統和控制器等。其中，本文設計的液壓制動子系統主要包括液壓供給單元、液壓調節單元、液壓回流單元和控制單元等。

1.1 液壓供給單元

液壓供給單元用于給液壓系統提供穩定的高壓，主要包括蓄能器、液壓泵及其驅動電機（在本文中合稱電機泵組合）、單向閥、截止閥和濾清器等。

工作時，由蓄能器提供高壓制動液。當蓄能器壓力過低時，由電機泵組合給蓄能器補充制動液；當蓄能器壓力達到期望值時，電機泵組合停止工作，保持蓄能器壓力穩定。

1.2 液壓調節單元

液壓調節單元接收來自液壓供給單元的高壓制動液，并通過增壓電磁閥和減壓電磁閥調節液壓力的大小，然后制動液推動制動輪缸的活塞，最后以摩擦力的形式作用于制動盤上，產生液壓制動力矩。

1.3 液壓回流單元

液壓回流單元的作用是將制動液回流至儲液罐。當蓄能器的壓力過高時，溢流閥開啟，制動液通過溢流閥泄壓，并流至儲液罐，以備下次制動時使用。主要零部件包括溢流閥等。

1.4 控制單元

控制單元接收制動強度信號，然后輸出信號控制相應的零部件工作，完成制動。主要包括主控制器、各關鍵零部件的驅動模塊和所需的傳感器等。

駕駛員踩下制動踏板時，控制單元接收到此時的制動踏板信號，開啟增壓閥、關閉減壓閥，高壓制動液通過增壓閥流至制動輪缸，為增壓過程；駕駛員松開制動踏板時，開啟減壓閥、關閉增壓閥，輪缸的高壓液壓通過減壓閥流出，最后回流至儲液罐，輪缸壓力下降，為減壓過程；當制動踏板保持不動時，增壓閥和減壓閥同時關閉，輪缸壓力保持不變，為保壓過程。

2 PID控制算法

本文選擇PID控制器作為液壓制動子系統的相關控制器。本文通過控制增壓閥和減壓閥來控制系統的壓力，采用PWM控制電磁閥的工作過程。理想狀態下，當PWM為高電平時，電磁閥開啟，液壓壓力變化；當PWM為低電平時，電磁閥關閉，液壓壓力不變。PWM占空比影響閥口的平均開度，閥口的平均開度決定液壓的壓力增長速率，所以可通過控制PWM信號來控制輪缸的壓力。

對于本文的液壓制動子系統來說，期望壓力作為系統的輸入量，輪缸壓力作為其最終輸出量。但是PWM占空比與輪缸壓力之間并沒有明確的數學關系，因此以輪缸壓力和期望壓力之間的偏差作為PID控制器的輸入變量，調整偏差量和PWM占空比之間的關系。本文的PID控制過程通過不斷調節控制器中的PID相關參數值而進行。其中，PID 控制器參數中的比例系數影響系統的調節速度，積分系數影響系統的穩態誤差，微分系數影響系統誤差的變化率[10]。

3 仿真分析

為了驗證所設計的EHB方案的可行性和PID控制器的控制效果，本文在AMESim中搭建相應的模型進行仿真分析，仿真模型如圖1所示。

圖1 基于AMESim的液壓制動子系統仿真模型

3.1 階躍響應試驗

當電磁閥開啟時，液壓壓力產生變化（增壓或減壓）；當電磁閥關閉時，液壓壓力不變。

基于圖1所示的AMESim仿真模型，進行階躍響應試驗，以觀察該模型的壓力響應速率。且本文液壓制動子系統基于實驗室的小型電機臺架，驅動電機的額定轉矩較小，僅為1.6N?m，所以需求的液壓制動力較小。故本文設置壓力變化過程的范圍為0～4 bar，得到的試驗結果如圖2所示。

圖2 階躍響應曲線

由圖2可知，本文的壓力響應過程比較緩慢，大概需要1 s，且保壓過程中壓力存在波動，但波動不大，總體上對期望壓力的跟隨效果較好。且考慮到本文試驗臺架的需求液壓制動力很小，所以液壓制動子系統可以滿足制動需求。

3.2 正弦跟隨試驗

為了進一步驗證本文液壓制動子系統模型對期望壓力的跟隨性，本文進行正弦跟隨試驗，得到的仿真試驗結果如圖3所示。

圖3 正弦跟隨仿真試驗曲線

圖3中，0～0.6 s為壓力響應階段，期間壓力增長較快，快速達到期望壓力；之后的為對期望壓力的跟隨過程。由此可知，液壓制動子系統對期望壓力整體的跟隨性較好，有較好的控制性能，可以滿足系統對液壓壓力的需求。

3.3 加入PID控制器的階躍響應過程

為了驗證本文所設計的PID控制器的效果，在階躍響應試驗中加入PID控制器，觀察對試驗的影響，并分析仿真試驗結果。仿真結果如圖4所示。

圖4 加入PID控制器的階躍響應曲線

由圖4可知，加入PID控制器后的增壓過程為0.8 s，相比于無PID控制器的增壓過程，增壓速率有顯著的提高；且保壓過程中，加入PID控制器后的壓力波動較小。

所以，綜上所述，本文所設計的PID控制器可以較有效地改善液壓壓力的控制過程，有良好的控制效果，達到了設計目標。

4 結論

電動汽車的電液復合制動系統由電機制動和液壓制動組成，電機制動的執行機構為驅動電機，技術比較完備；對于液壓制動，傳統的液壓制動系統已無法滿足對壓力調節的需求，需要開發線控液壓制動系統。故本文為了更好地研究復合制動系統，基于實驗室電機試驗臺的參數設計了液壓制動子系統的結構方案，并基于該方案搭建了AMESim仿真模型；除此之外，還設計了PID控制器以改善系統的控制效果。仿真結果表明，所搭建的液壓制動子系統對期望壓力的跟隨性較好，所設計的PID控制器可以有效地改善液壓壓力的控制過程，整個AMESim模型具有較好的控制性能，驗證了該液壓制動子系統結構方案的可行性，為后續試驗臺架的硬件搭建提供了思路，對電動汽車電液復合制動系統的研究有一定的參考價值。

[1] 消費日報網.面對三個“70%”挑戰,加速發展新能源汽車勢在必行[EB/OL]. (2020-09-10)[2021-06-01]http://www.xfrb.com.cn/arti- cle/cxxf-ny/10105395362449.html.

[2] 國務院辦公廳.國務院辦公廳關于印發新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）的通知[R/OL].(2020-11-02)[2021-06-01] http:// www.gov.cn/zhengce/content/2020-11/02/content_5556716.htm.

[3] 太陽能電動汽車網.截止2020年底全國新能源汽車保有量達492萬輛[EB/OL]. (2021-01-09)[2021-06-01]https://m.tyncar.com/vev- aid-809645.html.

[4] 余志生.汽車理論[M].第5版.北京:機械工業出版社,1990:89-90.

[5] 羅禹貢,李深,周磊,等.電動汽車復合制動動態試驗臺的研發[J].汽車工程,2012, 34(04): 351-355.

[6] 劉海貞.新型電子液壓制動系統及其控制方法研究[D].長春:吉林大學,2018.

[7] Rosenberger M, Uhlig R A, Koch T, et al. Combining regenerative braking and anti-lock braking for enhanced braking performance and efficiency[R]. SAE Technical Paper, 2012: 118-122.

[8] Robert J Campbell, Kaushik Rajashekara. Evaluation of Power Devices for Automotive Hybrid and 42V Based Systems[J]. SAE, 2004, 20(16): 82-83.

[9] 董昊軒,郭金剛,閆寬寬.輪轂電機四輪獨立驅動電動汽車再生制動控制策略[J].機械科學與技術,2017(11):1778-1784.

[10] 李燦華.基于EMB 的汽車制動控制研究[D].重慶:重慶大學, 2015.

AMESim Simulation Research on Electro-hydraulic Hybrid Braking System of Electric Vehicle

LIANG Guangcheng

( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

The electro-hydraulic hybrid braking system of electric vehicles includes motor braking and hydraulic braking. The actuator of the motor braking system is the drive motor, and the technology is relatively complete. The traditional hydraulic braking system cannot achieve real-time adjustment, so it is necessary to develop EHB (electronic-hydraulic braking) system. Therefore, based on the parameters of the laboratory motor bench, this paper builds the AMESim simulation model of the hydraulic braking subsystem; and designs the PID controller. The simulation results show that the EHB subsystem AMESim simulation model follows the expected pressure well, the PID controller can effectively improve the hydraulic pressure control process. And the entire model has a good control effect. It provides a reference for the research of Electro-Hydraulic Hybrid Braking system.

Electric vehicle; Electro-hydraulic hybrid braking system; AMESim simulation; Electronic-hydraulic braking system; PID controller

U469.72

A

1671-7988(2021)20-41-04

U469.72

A

1671-7988(2021)20-41-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.011

梁光成（1995—），男，長安大學車輛工程碩士研究生，研究方向為電動汽車的電液復合制動系統。