摘要：電動汽車通過常規(guī)摩擦制動和驅(qū)動電機再生制動實現(xiàn)防抱死功能。本文中分析了防抱死制動系統(tǒng) 的優(yōu)點和不足，提出基于 PI 控制的防抱死控制系統(tǒng)，并在實車上進行試驗驗證。設計了 3 組不同結(jié)構配置的防抱 死制動系統(tǒng): 僅有液壓防抱死系統(tǒng); 僅前軸有再生防抱死系統(tǒng); 前軸有液壓和再生防抱死系統(tǒng)、后軸有液壓防抱死系統(tǒng)。

評估了 3 組系統(tǒng)的制動性能。液壓防抱死系統(tǒng)以規(guī)則控制器為基礎; 連續(xù)再生防抱死制動系統(tǒng)通過目標增益、 比例積分和前饋與反饋控制系統(tǒng)控制滑移率。低附路面的試驗結(jié)果表明: 再生防抱死制動系統(tǒng)在制動過程中能準 確跟蹤理想車輪滑移率曲線，降低車身振動頻率，提高了行駛舒適性。 

關鍵詞: 電動汽車; 防抱死制動系統(tǒng); 連續(xù)防抱死制動; ABS 制動規(guī)則

0.前言

如今，電機制動力矩控制已成為電動汽車最主要控制結(jié)構。

電機與車輪可通過 3 種結(jié)構實現(xiàn)連接: 

1.“車 載 電 機-齒 輪-半 軸”［1 － 2］，

2.“輪 轂 電 機-齒 輪”［3］

3.“輪轂電機直驅(qū)”［4］

考慮橫向動力學，有研究提出一種電動汽車結(jié)構，實現(xiàn)制動力矩矢量性和電子穩(wěn)定性的有效控 制［5 － 7］。也提出基于四輪驅(qū)動電動汽車的電機驅(qū) 動橫擺瞬態(tài)控制系統(tǒng)［8］。考慮縱向動力學，有研 究提出一種單輪驅(qū)動牽引控制系統(tǒng)提高電動汽車 起動性能和加速性能［9 － 11］。電機再生 ABS 制動、 傳統(tǒng)摩擦式 ABS 制動都能實現(xiàn)單輪驅(qū)動制動時的 動力控制。

總結(jié)以上研究成果，已有在電動汽車上 融合再生制動和 ABS 制動的研究。文獻［12］中通過液壓 ABS 控制前輪制動，輪轂電機控制后輪制 動，實現(xiàn)了混合 ABS 制動在電動汽車上的應用; 其 它一些研究討論了在前后輪控制上融合液壓和再 生 ABS 控制的可能性［13 － 16］。

但是在四輪驅(qū)動電 動汽車上實現(xiàn)混合 ABS 控制僅在仿真模型和在環(huán) 仿真試驗上有所涉及，有關實車試驗的研究很少。因此，本文中從試驗角度對涉及問題進行研究討 論，提出一種用于四輪驅(qū)動電動汽車的連續(xù)再生 ABS 控制系統(tǒng)。

1.連續(xù)再生制動 ABS 控制系統(tǒng)

基于現(xiàn)有研究基礎和連續(xù)再生制動系統(tǒng)、電動 汽車電機負力矩調(diào)節(jié)等方面的研究，建立連續(xù)再生 ABS 控制系統(tǒng)結(jié)構［17 － 18］。最常見的一些 ABS 控制 系統(tǒng)有規(guī)則控制器［14，19］、滑移率模型控制器［20 － 21］ 和模糊控制器［22 － 24］。考慮到電機的驅(qū)動力、控制器 整體結(jié)構及其它因素，采用一種可替代 ABS 控制器 作用的控制系統(tǒng)。 

系統(tǒng)結(jié)構如圖 1 所示，通過 PI 控制增益的前饋 和反饋控制部分對滑移率進行跟蹤調(diào)節(jié)，實現(xiàn)變量的連續(xù)動態(tài)控制。

通過安裝在制動踏板單元上的傳感器接收制動 響應信號，初始化驅(qū)動系統(tǒng); 同時測量制動踏板位移 量 Spedal。Spedal用于常規(guī)制動控制器計算初始額定制 動力矩 T_{dem_prim}。同時，常規(guī)制動控制器考慮道路條 件，預測當前實際所需制動力矩 Tpred : 

式中: μ_max為最大摩擦因數(shù)估計值; F_z為輪胎負載估 計值; r 為車輪滾動半徑; k_pred為修正系數(shù)。常規(guī)制動控制器根據(jù)下面的規(guī)則，確定最終額 定制動力矩 T_dem :

考慮響應力矩 Treact，其控制規(guī)則為

式中: V_pI為 PI 控制規(guī)則; ξdriver_dem為矯正因子。矯正 因子使響應力矩達到飽和，滿足駕駛需求。V_pI由 PI 控制器產(chǎn)生。

控制系統(tǒng)的比例部分功能是車速計算:

積分部分計算如下:

式中: K_p和 K_I分別為比例和積分增益系數(shù); α 為比例 部分速率變化的矯正因子; e 為控制誤差。

控制誤差 e 定義為

式中 v_e為飽和變量。

產(chǎn)生的額定力矩 T_dem和響應力矩 T_react在力矩 融合與分配控制模塊中進行進一步處理( 圖 2) 。為最大程度優(yōu)化使用電機，根據(jù)電機、車速和電池 組的限制條件設置 T_dem的飽和值。控制器在制動 的每個階段，計算電機最大可能額定力矩 T_{em_dem}， 并分配剩余力矩 T_{br_dem}給摩擦制動，實現(xiàn)摩擦制動 力矩 T_br和電機制動力矩 T_em在 4 個車輪上的聯(lián)合作用。

狀態(tài)評估器處理實際車輪力矩 T_w、輪速 ω_w和縱向加速度/減速度 α_x ; 響應力矩控制器的輸入為實 際滑移率 λ 和車速 v_x。可通過式( 8) ～ 式( 10) 描述 二者工作過程。前饋滑移率控制與額定力矩預測值 T_pred有關; 響應力矩控制器實現(xiàn)滑移率反饋控制。通過 PI 控 制實現(xiàn)連續(xù)再生 ABS 過程。

2.控制系統(tǒng)增益定義

2. 1 理論推導

連續(xù) ABS 控制系統(tǒng)中比例和積分環(huán)節(jié)增益及 其作用機理需考慮輪速傳感器信號噪聲和響應延遲。輪速傳感器信號噪聲經(jīng) 1 階 Butterworth 濾波器 處理達到臨界頻率值 fc = 30Hz。實際制動車速選用 COＲSYS-DATＲON 系 統(tǒng) 測 量，并 用 Kalman 濾 波 處 理［25］。

根據(jù)上節(jié)介紹的閉環(huán) PI 滑移率控制器對頻 域響應做進一步分析。選取 1 /4 車輛閉環(huán)結(jié)構模型 進行研究。

車身和車輪的動力學可用式( 8) 和式( 9) 分別描述。

式中: m 為汽車質(zhì)量; F_x 為縱向力。以車輪滑移率 λ、輪胎最大路面附 著系數(shù) μ_road 作 為 變 量，帶 入 Burckhardt 輪胎模型［26］。

實際滑移率可由式( 8) ～ 式( 10) 推出:

式中 J 為車輪轉(zhuǎn)動慣量。式( 11) 用來分析車輪滑移 率反饋控制器對閉環(huán)系統(tǒng)振動頻率和阻尼比的影響 程度( 圖 3) 。

考慮時間延遲的電機瞬態(tài)動力學 1 階傳遞函數(shù)為

式( 12) 中，考慮制動力矩僅來自電機額定力矩 T_{em_dem}，得制動混合算法為

滑移率控制誤差計算公式為

式中: λ_est為考慮系統(tǒng)延遲的車輪滑移率。系統(tǒng)的頻 域響應代表了輸入信號 λ_ref和輸出信號 λ_est 之間的 關系。

道路測試中根據(jù)增益變化分析系統(tǒng)的振幅，調(diào) 整連續(xù) ABS 控制系統(tǒng)最終的增益值。系統(tǒng)頻域響 應的振幅和帶寬隨著車速的變化而變化。因此為提 高 ABS 反饋部分的控制質(zhì)量，增益 K_P和 K_I根據(jù)車速 設定。

2. 2 連續(xù)再生 ABS 制動系統(tǒng)功能驗證 

仿真和道路試驗需對 ABS 控制系統(tǒng)的性能做初步驗證。

在 dSPACE HIL 設備上進行硬件在環(huán)仿 真試驗［27］。該設備包括摩擦制動和制動系統(tǒng)硬件 部分，與 IPG CarMaker 車輛軟件模擬裝置連接。其 他未包含在硬件組成中的虛擬子系統(tǒng)，如電機動力學分析系統(tǒng)部分，將在 Simulink 中進行仿真。圖 4 是在低附路面、車輛車速為 60km /h 時進行制動的 閉環(huán)仿真測試結(jié)果。

仿真時根據(jù) Corrsys Datron 和實時輪速傳感器 數(shù)據(jù)將噪聲信號加入車速信號中，保證仿真的真實 性。可以看出，車速信號使用的 Kalman 濾波器( 圖 4( a) ) 和輪速信號使用的 1 階 Butterworth 濾波器 ( 圖 4( b) ) 頻率平均降低了 30Hz，降低了車輪滑移 率信號噪聲，使時間延遲最小化。從圖 4( c) 可以看 出，濾波處理提高了車輪滑移率的計算準確性。

從 圖 4( d) 可以看出，濾波處理從根本上降低了輪速和 車速的振動，實現(xiàn)連續(xù) ABS 目標控制。硬件在環(huán)仿 真試驗驗證了提出的控制系統(tǒng)增益值能保證 ABS 的功能性，可用于進一步的道路測試。

為評估 ABS 控制系統(tǒng)再生制動的能力，分別對 路面摩擦因數(shù) μ_road為 0. 3，0. 6 和 1. 0 的 3 種情況進 行在環(huán)仿真試驗，每個車輪的電機能在 30s 的時間 內(nèi)最大程度地回收力矩，最高回收值可達 200N·m。當齒輪箱傳動比為 1∶ 10. 5 時，每個車輪能獲得的 最大制動力矩為 2 100N·m。

 圖 5 為連續(xù)再生 ABS 制動系統(tǒng)在不同路面附 著系數(shù)下硬件在環(huán)仿真。從圖 5 可以看出，連續(xù)再 生 ABS 控制系統(tǒng)額定力矩 T_dem在低附著系數(shù)條件下 能完全滿足制動需求，液壓制動僅在制動執(zhí)行最后 的駐車階段才被啟用( v_x ＜ 20km /h; 制動 8s 后) ; 在中等附著系數(shù)條件下，由于電機一些物理局限性，摩 擦制動在 2. 7s 開始啟用; 在高附路面，電機不能產(chǎn) 生足夠的制動力矩，因此約 30% 的額定制動力矩由 摩擦制動提供。

3.試驗用車概況

在東風悅達起亞 SUV 上搭建試驗平臺，驗證制 動系統(tǒng)在實車上的實現(xiàn)。通過齒輪箱和半軸，將輪 轂電機連接到每個車輪上，實現(xiàn)四輪驅(qū)動。 

該試驗車的主要技術參數(shù)如下: 開關磁阻電機的峰值力矩和功率為 200N·m 和 100kW，額定力矩 和功率為 135N·m 和 42kW; 電機兩級斜齒輪減速 傳動比為 1∶ 10. 5。 

使用 TＲW 公司生產(chǎn)的防滑控制助力系統(tǒng)實現(xiàn) 液壓和再生制動系統(tǒng)制動信號在電子顯示器上的顯 示，如圖 6 所示。

該系統(tǒng)通過兩個 CAN 總線與其它車輛子系統(tǒng)和部件組合。

其中，Vehicle CAN 將 SCB 系統(tǒng)嵌入車輛結(jié)構中，實現(xiàn)了 EHCU 和 VCU 的連 接; Private CAN 用于傳遞系統(tǒng)狀態(tài)信號、踏板行程 和輪速信號。VCU 包括 EMS、快速 計 算 器 和 VDC 等 部 分。VCU 中發(fā)出控制命令，傳入與每個車輪相關聯(lián)的執(zhí) 行器中。VDC 實現(xiàn)偏離預警控制、牽引控制和 ABS 制動等功能。 

硬件方面，電機總成和制動系統(tǒng)如圖 7 所示。電機發(fā)電單元和 TCU 之間的額定力矩根據(jù) FlexＲay 通信協(xié)議設定，實現(xiàn)與 ABS 一樣的安全性評估和系統(tǒng)間的控制分配。

4.實車試驗

4. 1 試驗流程 

實車試驗在低附路面下進行，分別對不同結(jié)構 制動系統(tǒng)的制動性能對比分析，包括以下幾種: 

( 1) 無 ABS 制動系統(tǒng); 

( 2) 液壓 ABS 系統(tǒng); 

( 3) 僅前軸有 連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng); 

( 4) 前軸為混合再生 ABS 和液 壓 ABS 系 統(tǒng)，后 軸 為 液 壓 ABS 系 統(tǒng)。車 輛 配 有dSPACE 平臺和用于測量參數(shù)的傳感器。

4. 2 試驗結(jié)果分析

對不同結(jié)構配置的 ABS 系統(tǒng)在試驗用車上的 試驗結(jié)果進行對比分析。制動初速度為 60km / h，制 動曲線如圖 8 ～ 圖 10 所示。

圖 8 為液壓 ABS 系統(tǒng) 制動曲線; 

圖 9 為僅前軸有連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)的制 動曲線; 

圖 10 為前軸混合再生 ABS 和液壓 ABS 系 統(tǒng)、后軸有液壓 ABS 系統(tǒng)的制動曲線。

4. 2. 1 制動性能 

與無 ABS 系統(tǒng)相比，ABS 系統(tǒng)明顯降低了制動距離，提高了平均減速度。表1列出試驗條件及試驗結(jié)果。

可以看出，與無ABS 系統(tǒng)相比，液壓ABS 系統(tǒng) 減小制動距離約 25. 5% ～ 28. 8%，混合 ABS 系統(tǒng)減小 制動距離約 31. 4% ～ 34. 5%。在現(xiàn)有路面摩擦因數(shù)條 件下，考慮到測試路面狀況的不均勻性，所有 ABS 制動 的減速度在制動的最后階段均能接近1. 96m/s2。

4. 2. 2 車輪滑移率跟蹤 

連續(xù)再生 ABS 制動保證制動過程中制動系統(tǒng)能準確跟蹤車輪滑移率，與相對滑移率沒有較大偏 差。前軸連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)與混合 ABS 系統(tǒng)均可 實現(xiàn)該效果。

試驗中，據(jù)試驗路面的技術規(guī)范設定 相對滑移率為 λref = 0. 05。從圖 8 可以看出，僅在制 動過程開始 1s 內(nèi)發(fā)生過滑移率跳動。在制動初速度一樣的情況下，前 軸 連 續(xù) 再 生 ABS 系統(tǒng)第一次滑移率跳動發(fā)生在 λ = 0. 15 ～ 0. 25 之間，混合 ABS 系統(tǒng)第一次滑移率跳動發(fā)生在 λ = 0. 1 ～ 0. 2 之間，液壓 ABS 系統(tǒng)第一次滑移率跳動在 λ = 0. 5 時發(fā)生。 

與傳統(tǒng) ABS 制動系統(tǒng)相比，本研究提出的以一 般控制算法為基礎的 ABS 制動系統(tǒng)能更準確地跟 蹤滑移率變化曲線，性能有所提升。 

圖 11 為制動過程中的滑移率分布曲線，用以定 量分析車輪滑移率的跟蹤情況。從圖 11 可知，對應 試驗路面最大摩擦因數(shù)條件，混合 ABS 制動在制動 35% ～ 45% 的時間范圍內(nèi)，能保持車輪實時滑移率 在相對滑移率 λref = 0. 05 附近。而液壓 ABS 制動僅 能在 10% ～ 15% 左右的時間內(nèi)，保持車輪實時滑移 率在相對滑移率附近。

4. 2. 3 車身振動 

在連續(xù)減速達到穩(wěn)定狀態(tài)后對制動動力學特性 進行分析。在前輪連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)和混合 ABS 系統(tǒng)制動過程中，制動減速度沒有明顯的波動，而在傳統(tǒng) ABS 系統(tǒng)制動過程中減速度波動很明顯。 

圖 12 為液壓 ABS 系統(tǒng)和混合 ABS 系統(tǒng)車身振 動動力學特性對比。可以明顯看出，混合 ABS 系統(tǒng) 較液壓 ABS 系統(tǒng)能使車身幾乎保持在零振動。混 合 ABS 系統(tǒng)車身振動標準誤差值在制動 1s 后保持 在一個穩(wěn)定的水平，而液壓 ABS 系統(tǒng)則在制動的整 個過程中車身振動標準誤差值均呈現(xiàn)上升趨勢。因此，連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)也提高了行駛舒適性。

4. 2. 4 連續(xù)再生 ABS 控制器增益 

圖 13 為連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)響應力矩控制器中 比例和積分部分的對比。分別設計兩種不同的仿真 步長，通過分析制動力矩隨時間變化的動力學特性。

可以發(fā)現(xiàn)，比例和積分部分實際所需增益與本研究 提出的以速度為基準的增益一致。且控制器能為每 個車輪分配調(diào)節(jié)所需增益值。這說明隨著測試路面 附著系數(shù)的輕微變化，車輪所需增益值會隨之產(chǎn)生 周期性變化。

4. 2. 5 傳動系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)矩 

對前輪連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)平均額定 轉(zhuǎn)矩小于 40N·m; 對混合 ABS 系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)平均 額定轉(zhuǎn)矩小于 20N·m。這些數(shù)值遠遠低于電機在 額定工況下的傳動轉(zhuǎn)矩。

因此 ABS 系統(tǒng)避免了傳 動系統(tǒng)的過載。即使在極限情況下，車輛停止時的 峰值負轉(zhuǎn)矩在 0. 2s 內(nèi)達到了 75N·m，該數(shù)值也基本低于電動汽車傳動系統(tǒng)的限制條件。

5.結(jié)論

本研究實現(xiàn)了輪轂電機控制連續(xù)再生 ABS 系 統(tǒng)，通過實車試驗驗證了不同配置的防抱死制動系 統(tǒng)的可行性。

試驗結(jié)果表明，連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)具有降低制動距離的潛力。連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng)不僅能保證制動性能，滿足安全制動的需求，且在制動過 程中能準確追蹤車輪滑移率，降低車身振動頻率。與傳統(tǒng) ABS 系統(tǒng)相比，提高了行駛舒適性。

( 1) 與液壓制動系統(tǒng)相比，連續(xù)再生 ABS 系統(tǒng) 的制動性能更佳。 

( 2) 與傳統(tǒng)的規(guī)則控制器控制的液壓制動系統(tǒng) 相比，連續(xù) ABS 控制系統(tǒng)控制的前輪混合再生 ABS 和液壓 ABS 系統(tǒng)、后輪液壓 ABS 系統(tǒng)的制動性能更優(yōu)。

( 3) 連續(xù) ABS 控制系統(tǒng)控制的制動系統(tǒng)不僅 能減小制動距離，且通過降低車身振動，提高了行駛 舒適性。

( 4) 考慮制動性能、行駛舒適性和 ABS 控制性 能，顯然，混合再生 ABS 和液壓 ABS 系統(tǒng)的制動性 能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的摩擦制動和基于規(guī)則控制器控制 的 ABS 系統(tǒng)。

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