考慮再生制動的線控電制動系統防滑控制策略研究

張利芬

（蕪湖職業技術學院 汽車與航空學院，安徽 蕪湖 241006）

汽車行業技術變革日新月異，呈現出“電動化、智能化、網聯化、共享化”的新發展格局。目前市場上的純電汽車，采用傳統的電子液壓制動系統，技術成熟，應用廣泛，但液壓傳動存在響應慢、重力大、易泄露等明顯缺陷[1]，并不能滿足智能化和網聯化的發展要求。

在新能源汽車中，線控電制動防滑控制系統可以實現更加精確的制動控制，并且可以利用電能實現制動能量的回收和再利用，從而提高車輛的續航能力。此外，該系統還可以與車輛穩定性控制系統、自動駕駛技術等相結合，提高車輛的操控性能和安全性。

在此背景下，本文提出線控電制動系統，取消傳統液壓傳動結構，車輪制動器的制動力由獨立電機提供，該獨立電機提供摩擦制動力，可與駐車電機分時共用，下文統一稱摩擦制動電機。摩擦制動與驅動電機產生的再生制動構成行車制動的全部制動力。另外，引入線控技術控制制動電機工作，一方面借助先進的電機控制技術[2]，可以實現對制動力的高精度、高穩定性和高靈敏性控制，提高汽車制動防滑控制效率，從而提高車身穩定性控制；另一方面，通過線控技術對再生制動和摩擦制動比例協調控制更加靈活，有利于提高制動能量回收率[3]。

1 制動力分配控制

線控電制動防滑控制系統的工作原理是利用電信號控制制動器，以實現車輛的制動。當駕駛員踩下制動踏板時，制動指令會通過電線傳輸到制動器，制動器會立即進行制動。這種制動方式可以有效避免車輛制動過程中的滑動和打滑現象，從而提高制動效率和安全性。

在制動過程中，由于汽車四輪輪重不一定均等，所以每個車輪最大附著力也不相等，一般情況汽車左右重力比較對稱，本文主要研究前后制動力分配比例。對于整車而言，每一種前后制動力分配比值，都對應一種同步附著系數，汽車在該附著系數的路面上緊急制動時，能實現前后輪同時抱死的理想狀態，在這種狀態下，前后輪的附著條件的利用率最高。這樣就可以使每個車輪在抱死前都能發揮出最大制動潛力，從而提高整車附著利用率，縮短制動距離，提高行車安全。

根據ECE 制動法規規定：當制動強度z 為0.2～0.8時，要求[4-5]

式中：φf，φr分別為前、后軸利用附著系數，z 為制動強度。由式（1）可知，車輪利用附著系數與制動強度成正比，且后輪利用附著系數應小于前輪，即優先防止后輪抱死。

本文主要研究內容為制動控制策略，在研究汽車線控電制動時不計空氣阻力、車輪滾動阻力及橫向慣性力對車輪垂向載荷的影響。簡化后的車身模型如圖1 所示，其中L 為軸距，G 為質心位置，La、Lb、hg分別為質心離前軸距離、質心離后軸距離和質心離地高度。

圖1 車身簡化模型

假設前、后輪軸重分別為Ff和Fr，前、后輪的地面制動力分別為Fbf和Fbr，根據利用附著系數定義及汽車受力平衡可得

式中：β 為前、后輪的制動力分配比例，將式（2）代入式（1）可得

為得出前、后制動力分配比例的特性曲線，設定汽車質量及相關幾何參數見表1。

表1 汽車參數設定

將表1 中的設定參數值代入式（3）中，得出在滿足ECE 制動法規條件下，前、后制動力分配系數β 控制的3 條邊界曲線，如圖2 所示。

圖2 制動力分配曲線

如圖2 所示，曲線2 為能實現前后輪同時抱死的理想分配值曲線，曲線1 和曲線3 分別為前、后軸制動分配系數值的上、下極限值。另外，在介于曲線1 和曲線2 之間時，可保證始終是前輪先于后輪抱死，汽車失去轉向控制，但依然處于穩定行駛工況。

因此，在進行前、后制動力分配比例控制時，為保證制動安全，制動力分配比例值應始終位于曲線1 和曲線2 之間。同時，為保證足夠的制動效能，制動力分配比例值應盡量靠近曲線2。

2 前后制動力分配控制方案的確定

緊急制動時，最理想制動狀態是前后輪同時達到抱死邊緣。能實現這一狀態的路面附著系數稱為同步附著系數。對于一種分配比例只有一種對應的同步附著系數，也就意味著某一固定比例的制動系統只有在一種路面上能實現理想制動狀態。這一固定的比例用β0表示，對應的同步附著系數用φ0表示，則

式（4）中L、Lb和hg的含義與上文相同。

前、后輪同時達到抱死邊緣時，汽車能實現的制動強度為z，根據汽車理論知識，此時的制動強度z 與同步附著系數φ 相等，為達到理想的制動效果，控制器便將該附著系數設置成目標值，動態調節前、后制動力比例值β，則根據式（4）得出β 的控制方程應為：

當汽車制動強度需求為z時，用FB表示所需的總制動力，則

3 基于四輪制動力分配的動態防滑控制方案

根據汽車ABS 控制原理，汽車制動防滑控制的主要內容為滑移率控制。車輪與路面的縱橫向附著系數會隨滑移率的動態變化而變化。用uB和uS分別表示縱、橫向附著系數。當縱向利用附著系數uB達到最大值時，對應的滑移率稱為最佳滑移率，此時制動效能最高。此時制動距離的計算公式為

式中：u初為汽車初始速度。

而橫向附著系數直接決定車輛的側向抗干擾能力，兼顧制動效能和制動時車輛的操縱穩定性，防滑控制應能保證滑移率處于15%～20%。通過動態調節制動力大小使滑移率在最佳區間內波動，保證車輪不抱死的前提下發揮最大制動效能。

根據以上分析，以單側前輪為例，擬定控制流程如圖3 所示。

圖3 防滑制動控制流程圖

對于純電驅動電動汽車，續航為評價電動車性能的核心指標之一。由于電機能量轉化的可逆性，在制動過程中，提高制動能量的回收率不僅能提高整體續航，也能減少車輪制動器的產熱量，提高制動器使用壽命，同時由于再生制動的可控性，可以提高制動力控制的靈活性，所以在制動防滑控制過程中為綜合考慮制動性能和能量回收率，對于制動力FZ的控制不僅涉及到摩擦制動電機，同時也涉及到再生制動電機，即驅動電機。再生制動也可以通過調整滑移率來影響制動防滑控制。在制動時，如果滑移率控制得當，可以減少輪胎的磨損，提高制動效率，同時避免出現側滑等失控情況。一般來說，電動汽車再生制動的滑移率控制是通過電控剎車器實現的。電動汽車采用純電、混動或輪轂電機驅動等不同的動力模式，其制動電機控制方案也有不同，后期可根據具體實例做進一步研究。

4 再生制動能量回收控制

以滿足防滑控制為前提，制定制動能量回收控制方案，再生電機在施加再生制動力時輸出電功率用Pe表示，則

式中：P1為輸入機械功率，Pmec-PFc-/斜體>nI2R為功率損耗。當輸入功率不及電機損耗功率時，電機處于耗能狀態。

再生制動能量回收，與再生制動比例ρ 的關系，制動能量回收率計算如圖4 所示。

圖4 能量回收計算方案

根據式（8）可知，影響制動能量回收率的主要因素有：

1）電機特性。本文所選用的永磁同步電機，無勵磁損耗，電機工作時相比于交流異步電機而言，同等條件下，能量回收率較高。

2）儲能裝置。電池的荷電狀態SOC（System on chip）、電池的充電性能等會影響電機再生能量的提取和儲存。電池的充電特性參數需與電機的輸出特性參數匹配。另外，一般情況下，只有當蓄電池SOC 處于特定范圍時才具備比較良好的充電性能。

3）制動工況。車速與制動強度會直接影響制動能量回收的效果，不同車速的制動工況，能量消耗區別很大，比如在城市行駛環境中，由于制動頻率高、制動強度適中，能量回收效果比較好；在車流量較小的國道低速行駛，因為車速較低，制動強度較小，可選擇較大的再生制動比例，具備最佳的制動能量回收效果；在高速公路行駛環境中，制動頻率低、制動強度大，此時由于再生制動具有延遲性，為滿足制動安全的首要條件，再生制動比例較小，從而導致能量回收效果較差。

此外，路況、天氣、溫度等自然環境條件對汽車制動回能的回收也都有影響，不過相對較小。

當然，影響能量回收效率的最關鍵因素還是制動力控制和能量管理控制的問題，能否同時實現“利用附著系數最大化”和“能量回收率最大化”的雙重目標關鍵在于制定合理的再生制動比例控制方案。

5 結束語

能否同時取得高制動效能和制動安全的關鍵是制定合理的防滑控制方案，為把握此關鍵，本文在制動打滑的理論分析基礎上，得出車輛制動防滑控制目標，進而擬定制動力分配比例控制和車輪防滑控制方案，并在此基礎上優化再生制動比例，以滿足制動防滑控制要求為前提，制定再生制動能量回收控制方案。為后續仿真模型的建立做理論基礎。