基于輪轂電機和液壓復合的電動汽車重載制動

楊慧榮

（河南工業貿易職業學院汽車工程學院， 河南 鄭州 451191）

1 研究背景

隨著新能源汽車的推廣， 車輛制動技術也獲得了不斷升級， 現階段通常是綜合運用液壓制動與再生制動的方式來構建復合制動系統， 由此實現對電動汽車進行高效制動的效果[1-4]。 余卓平等[5]從電機的發電效率層面進行分析， 以總電機效率最高作為控制目標確定了電機力的最佳分配系數， 構建得到了復合制動經濟性的最優方案， 經仿真測試發現對續駛里程的貢獻率從14.1%增大到了15.5%。 鄔松等[6]構建了由高速開關電磁閥構成的電控制動閥，之后利用Simulink 完成實際控制性能的仿真分析。可明顯發現， 設置復合制動回路后， 車輛在制動階段形成了更短時間的壓力響應， 有效滿足了差動制動要求[7-8]。 根據液壓制動系統運行原理設計了更優的控制結構， 對各部分相互作用方式進行了深入分析。 之后為液壓系統與再生制動系統構建了仿真模型， 設計了可滿足復合制動需求的協調控制方案。

2 輪轂電機電動汽車制動系統

1） 輪轂電機電動汽車制動系統結構。 圖1 為電動汽車輪轂電機和液壓復合制動系統結構。 由圖1 可知， 復合制動系統包括液壓制動與再生制動系統以及相應的控制器。 具體制動過程如下:在汽車開始進入制動狀態時， 踏板傳感器檢測到駕駛員的制動意圖后， 再利用電子控制單元計算得到目標制動力矩。 再生制動系統通過計算目標制動力矩跟液壓制動力矩分配比差異性， 再為各個嵌入輪轂電機設置再生制動力矩。 之后控制液壓制動系統根據輪缸壓力參數與輪缸實測壓力對比的結果， 得到需補償的液壓制動力矩， 再利用液壓調節部件進行液壓閥開度調節， 從而完成對制動主缸壓力的調節過程，為制動輪缸提供補償作用， 以此達到對各輪缸進行液壓制動實時調節的目標。

圖1 電動汽車輪轂電機和液壓復合制動系統結構

2） 液壓制動模型。 針對系統動力學控制過程構建仿真模型時， 需對液壓制動系統進行簡化處理， 構建得到液壓制動系統模型表達式為

式中： Pm為主缸壓力； Pw為輪缸的壓力； Pr為低壓蓄能器等效液壓； Ce為等效液容。

為等效閥口設置了特定控制信號， 使其處于通斷狀態， 由此實現液壓系統的控制功能。

3 重載制動工況分析

在制動強度z≤0.1 的情況下， 屬于輕度制動狀態。 上述工況的制動減速度較小， 因此只產生很小的制動力矩。 在最大再生制動力矩達到或超過目標制動力矩的時候， 液壓制動系統不再發揮制動效果， 此時達到了與目標值相同的實際再生制動力矩。 如果最大再生制動力矩比目標制動力矩更小時， 則再生與液壓制動系統共同發揮制動作用， 此時再生制動力矩達到最大再生制動力矩狀態， 液壓制動力矩則根據目標值和再生制動力矩之間的差值進行調整。 表1 為車輛模型的各部件控制參數。

表1 車輛模型的各部件控制參數

進行輕度制動時， 車輛初速度為40 km/h， 此時制動強度為0.1， 路面可以提供所需附著系數。 圖2為重載下車速隨時間的變化曲線。 圖3 為重載下制動減速度隨時間的變化曲線。 圖2 與圖3 給出了重載條件下不同時間對應的車速以及制動減速度變化。

圖2 重載下車速隨時間的變化曲線

圖3 重載下制動減速度隨時間的變化曲線

根據圖2 可知， 車速最初為11.1 m/s， 在相對穩定的制動作用下， 減速度保持基本恒定狀態， 因此車速按照接近線性方式降低， 到10.18 s 時達到0。 對圖3 進行分析可以發現， 制動減速度由最初的1.17 m/s2發生緩慢降低直至達到1.06 m/s2。 對單輪進行動力學分析可知， 制動階段車速發生逐漸減小， 因此滾動過程受到的摩擦與空氣阻力也發生降低， 引起制動減速度也發生略微下降。

根據以上研究結果可知， 處于輕度制動狀態下， 采用協調控制方案時， 處于前期再生制動過程中系統可以為車輛制動過程提供所需的目標制動力矩， 能夠滿足制動性能要求， 此時再生制動系統可以保持單獨制動狀態。 進入輕度制動的后續階段時， 當輪轂電機轉子轉速減小后， 輪轂電機可以達到的最大再生制動力矩也發生了降低， 在目標力矩超過最大再生制動力矩的情況下， 液壓制動系統也開始發揮制動效果。 在確保制動安全性滿足要求的條件下， 應盡量使協調控制策略能夠利用再生制動系統進行制動， 從而獲得更高的能量利用率。

4 結束語

一方面， 處于輕度制動狀態下， 采用協調控制方案時， 處于前期再生制動過程中系統可以為車輛制動過程提供所需的目標制動力矩。 另一方面， 進入輕度制動的后續階段時， 當輪轂電機轉子轉速減小后， 輪轂電機可達到的最大再生制動力矩也發生了降低， 液壓制動系統開始發揮制動效果， 應盡量使協調控制策略能夠利用再生制動系統進行制動。