混合動力汽車的機電聯合制動系統研究

李 坤

（江蘇省徐州市張集中等專業學校，徐州 221114）

近年來，以新能源為動力的汽車成為社會關注的焦點，市場銷售量大幅上升。數據顯示，新能源動力汽車已經達到200多萬輛。某公司生產的電混動車基于原來的油電混動設置了車用交流電插板，增加了電容量。該公司生產的聯動制動汽車不同于傳統的燃油汽車，維修人員如果不了解其內部結構和工作原理，會增加維修困難，影響工作效率。因此，針對該公司新款聯合制動車的制動原理、結構模式等進行介紹，通過仿真實驗進一步驗證了該種聯合制動方式的優越性。

1 混動汽車總體構造

研究的汽車類型為插電雙電機混動汽車，總體構造如圖1所示。發動機、前后軸電機、前后軸減速設備、變速設備以及離合器等構成混動汽車的動力系統[1]。驅動工作中，利用離合器Ⅰ、離合器Ⅱ進行電機與發動機的切換。具有連續調節功能的變速設備的速比有助于電機或者發動機保持持續高效工作狀態，提高了汽車的工作性能和經濟性能。實施制動中，離合器Ⅱ發生脫離，分離動力總成和發動機，利用前后軸實現制動能量的回收與再生，有效增加了混動汽車行駛里程。

2 混動汽車機電聯合制動系統

混動汽車機電聯合制動系統主要包括驅動輪、制動回饋及制動控制等，主要進行參數的測量、計算和運行方式的判斷及應用。首先測量車輛行駛狀態下的參數，計算附加行駛的參數，其次判斷制定方式，最后通過模糊邏輯控制行駛參數[2]。此外，它會對汽車行駛參數和控制需求所產生的混合制動信號給予響應，促使執行機構執行制動動作，進而完成機電聯合制動。

2.1 制動受力模式

圖1為水平路面汽車行駛受力狀況，其中空氣阻力、汽車滾動阻力產生的偶矩以及慣性產生的力偶矩等忽略不計[3]。圖1中，a為車輛質心至前軸距離，b為車輛質心至后軸距離，L為軸距，hg為質心高度。

2.2 驅動模式

汽車在電量充足的情況下低速行駛，便可使前電機滿足驅動轉矩需求，離合器Ⅱ發生分離。如果電量不足，離合器Ⅱ閉合，發動機處于低能耗運行狀態，同時前電機可將部分能量輸入電池內完成電池蓄電。

中等負荷運行中的汽車，發動機低能耗運轉，僅靠發動機進行動力提供便可提高油料消耗的經濟性。該過程中，離合器Ⅰ和離合器Ⅱ閉合，結合電池狀態選擇由前軸電機發揮發電機的作用，為電池蓄電或者由前軸電機供應驅動力。當汽車運行中需要較大牽引力時，可聯合混合動力汽車用起動發電一體化（Integrated Starter and Generator，ISG）電機與發動機共同提供驅動力，由后電機提供后軸啟動力，實現四輪驅動[4]。總而言之，結合混動汽車電池荷電狀態（State of Charge，SOC）和驅動負荷開啟相應的工作模式。

2.3 制動模式

實施汽車制動的模式分為液壓、電機以及混合式制動模式。以上3種模式相互轉換，制動力由液壓制動和前后電機共同或者單獨提供。制動強度、行駛速度、道路附著的系數以及電池SOC等決定汽車的制動模式。當電池SOC大于充電門的限制標準，電池不在充電高效區內。為保障電池使用壽命和安全性，制動環節電機不參與。道路附著系數較小、制動強度超過0.8且高速行駛時，緊急制動開啟。為了確保運行的安全性，全部的制動力均由液壓系統供給。電池SOC高效充電區域內時，電機盡量參與制動過程能量的回收。通過調節變速比實現工作點的改變，確保電池位于高效工作區內[5]。

2.4 電力模式

混動汽車能量的制動回饋系統中，驅動輪接收由電機輸出的負力矩，實現動能與電能的轉換，并儲存轉化后的電能。現代化電力驅動控制系統主要包括控制設備、電力系統及控制計算方法等，系統結構復雜。

2.5 輪胎模型

動力學研究中，輪胎受力模型建造作用重大。一般而言，輪胎模型建模方法有半經驗式建模和理論解析兩種。本文半經驗建模所用的魔術公式為Pacejka。此外，附著系數和垂直荷載的乘積等于附著于路面上的力[6]。

3 機電聯合制動壓力協同控制分析

混動汽車工作模式多樣。針對不同工況實施不同工作模式，十分有利于提高燃油的經濟效益和降低排放量。它最大的缺陷是實施制動中切換制動模式導致液壓制動與電機的動態發生變化，控制動態過程會造成問題更加復雜。液壓制動與電機響應特性存在差異，導致汽車在運行過程中的制動工況會發生突變，難免會出現沖擊。所以，分析耦合工作的特性，研究制動系統的壓力及電機轉矩等參數控制的方法，盡可能減小沖擊程度。

管理層面通過駕駛人員實際的踏板動作了解制動意圖，然后針對期望轉矩進行計算，按照協同層策略獲得分配制動力的關系，按照執行層發出的液壓系統壓力及電機力矩的信息對液壓系統及再生的制動力進行動態協調和控制，確保能夠實現快速、及時、平穩地切換各部件。通過汽車控制設備向液壓控制系統和電機傳遞控制指令，執行層按照指令控制聯合制動系統。由于二者不同的響應動態特性，聯合制動過程中會產生波動。目前，制動與實際制動存在差異，所以利用滯環反饋修正制動信號。制動的實際強度超出一定范圍時，根據目標制動與實際制動之間存在的強度差異計算修正值，并在下一個階段補償制動力矩，從而滿足駕駛人員的需求。

在常規制動強度發生變化時，制動模式也發生了變化，由聯合式向純電機式轉變或者由電機式向機電聯動模式轉變，或者由聯動狀態向其他制動狀態轉變。因工作模式的轉換導致參數發生瞬態變化，將直接影響汽車的平順性和動態響應。為了減小制動力波動，需控制制動強度，從而有效協調動力矩的變化。處理信號時獲得制動強度的變化率，并將其反饋給汽車的控制設備，根據制動強度的轉變形勢預判制動意圖。當制動強度由大變小時，主要為平順性，選擇較小絕對值的下限值。當制動強度由小變大時，主要為制動性，上限值較大，通過變化率及其限值的對比修正實際強度的變化率，確保無大幅波動的發生，盡可能減少沖擊強度[7]。

4 制動強度仿真

針對機電聯合制動的耦合性進行研究，利用Simulink AMESim進行聯合仿真，設置聯合仿真的連接口，設置仿真中的精度和步長，聯合仿真制動控制系統，Simulink控制設備計算得出前后輪的目標壓力信號向AMESim內輸送，通過液壓制動響應仿真向仿真模塊輸入前后輪的制動力，然后反饋控制。利用聯合仿真閉環控制機電聯合制動系統，保證由軸傳輸的控制電力滿足駕駛人員的需求。通過研究對切換制動模式產生影響的制動模式和因素，注重邊界條件及切換條件的安全性與經濟性，確定制動模式狀態和液壓及電機目標制動能力的大小[8]。

4.1 大強度制動

大強度制動的制動強度不小于0.5，初始行車速度設定為60 km·h-1，Z=0.6。降低車速則速比增大，當速比增長到最大限度后保持不變。液電聯合制動初期，實際動力與目標動力存在較大的強度差異，協調控制完成后，隨著時間的延長二者之間的差異逐漸變大。協調控制過程中，液壓與電機共同制動過程中變化平穩，制動力無明顯波動，減小液壓制動及增大電機制動過程響應的速度較快。

4.2 中強度制動

中強度制動的制動強度在0.2～0.5，初始行車速度設定為60 km·h-1，Z=0.3。初始行車速度高，軸電機的制動最大扭矩小，提供的扭矩不能滿足制動需要，應聯合液壓制動。逐漸降低車速時，軸電機所提供的最大制動力可滿足制定需要，此時逐漸退出液壓制動。在未采取協調制動措施時，目標制動與實際制動之間存在強度差異。該差異隨著時間的延長逐漸變大，在協調控制措施的實施下，差異明顯減小，且逐漸向目標強度靠近。

4.3 小強度制動

小強度制動的制動強度不大于0.2，初始行車速度設定為60 km·h-1，Z=0.1。這種情況下再生制動回收能量由電機完成，液壓制動無動作。根據分配策略獲得強度較小的強度制動狀態下的動力分配，如圖2所示。前后電機共同完成初期階段的再生制動。制動過程中，降低行車速度，速比發生變化。最大制動力由前電機提供，后電機退出制動程序。

4.4 漸變制動

制動強度的變化具有連續性時，制動力兼顧汽車能量回收和行車安全。軸電機同時作用時，其峰值轉矩滿足不斷變化的強度制動，控制措施則主要側重于安全性向經濟性的轉變。強度制動較大時，可適當減小制動回饋；強度制動較小時，軸電機制動最大力矩發揮作用，為盡可能回收更多的制動能量提供保障。制動實施中，及時反饋控制液電聯合制動，進行目標強度修正和制動力的變化控制，可有效減小車速誤差和沖擊度。

4.5 突變制動

初始行車速度設定為60 km·h-1，制動強度由0.6突降為0.3，導致制動目標值突然發生變化，尤其是大幅減小液壓動力時。3.00 s時目標強度突然變化，3.02 s時制動力發生最大波動，波動速率為94.50 m·s-3。控制協調實施后，減小實際控制動力的變化率，顯著降低沖擊度為17.63 m·s-3，制動強度由0.3增至0.6。協調控制實施后，沖擊度獲得明顯改善。制動力的變化如圖3所示。

5 結語

以插電雙電機混動汽車為研究對象，通過液壓和電機制動聯合仿真建模，分析機電聯合制動耦合特性，采取以安全為基礎的能量回收最大化的控制措施。仿真實驗結果表明，機電聯合制動可使汽車運行保持良好的穩定性和動態響應。有效實施制動協調措施的情況下，制動波動明顯減小，能量回收效率提高，綜合制動效果良好。