張厚忠，江浩斌，袁朝春，汪若塵，蘇 健

(江蘇大學汽車工程研究院, 江蘇鎮(zhèn)江212013)

?

電動輪汽車電液復合ABS控制的聯合仿真

張厚忠，江浩斌，袁朝春，汪若塵，蘇 健

(江蘇大學汽車工程研究院, 江蘇鎮(zhèn)江212013)

針對傳統純液壓防抱死制動系統(Anti-lock braking system，簡稱ABS)振動噪聲較大和在低附著路面上易引發(fā)車輪抱死等問題，鑒于電機制動與液壓制動在特性上互補，從充分運用電機制動提升電動輪汽車ABS性能出發(fā)，提出一種用于電動輪汽車的新型電液復合ABS系統。由于電液復合ABS是一個“由兩控制變量去實現同一控制目標的系統，是一個存在控制冗余且時變耦合的系統”，為此，首先提出了電液復合ABS控制方法的設計原則及其新的系統結構；然后分析電液兩制動的各自調節(jié)方式及其組合，并對防抱制動全過程從電液調節(jié)組合調控滑移率性能方面進行研究，找到最佳的制動調節(jié)組合構成防抱制動全過程；最后利用ADAMS軟件和MATLAB軟件分別建立電動輪汽車的整車機械動力學模型和整車控制模型，通過聯合仿真驗證控制方法的效果。結果表明：該控制方法能夠更加精確的調控車輪滑移率，使其長時間處于最佳滑移率附近，制動距離降低11%以上，有效提升了ABS的性能，證明所提出的電動輪汽車電液復合ABS的系統結構和控制方法合理高效，可應用于對開路面或對接路面上對電液復合ABS整車控制方法進行理論研究、仿真試驗以及實用化探索。

電動輪汽車;電液復合ABS;聯合仿真;協調控制

0 引 言

電機再生制動就是利用電機將部分制動能量轉化為電能，回收至動力蓄電池中[1]再利用，是混合動力汽車(HEV)、純電動汽車(EV)節(jié)約能源、提高續(xù)駛里程的重要措施之一[2]。由于HEV、EV等有電機參與驅動的車輛，具有進行再生制動的條件[3]，因此由液壓防抱死制動系統(Anti-lock braking system，簡稱ABS)與電機制動構成的電液復合制動系統是HEV、EV制動系統的必然選擇之一[4]。液壓ABS能夠在任何車速下液壓制動都能產生足夠大的制動力矩，但由于一般采用粗放型三模式(增壓、減壓和保壓)控制，存在無法精確控制制動液壓，從而導致制動力矩無法精確控制、制動過程中響應存在較長延遲、制動能量無法回收等問題，而電機制動雖提供的制動力矩不足，但擁有響應迅速、制動力矩控制精確，可精確到±1 N·m,制動能量可回收有利于節(jié)能環(huán)保;當滑移率較大，即車輪趨于抱死時，電機可輸出驅動力矩迫使車輪快速脫離即將抱死狀態(tài)，防止抱死情況的發(fā)生等優(yōu)點。通過以上分析可知，液壓制動與電機制動存在良好的互補性。

目前國內外對四輪轂電機輪邊驅動汽車(簡稱電動輪汽車)的電液復合ABS控制系統進行了廣泛研究，已經取得了一定的研究成果，將其應用于電動汽車上獲得了理想的制動性能與能量回收效果[5-6]，協調控制策略是電液復合ABS研究的核心，能量回收率的高低、制動性能的優(yōu)劣很大程度上依賴于協調控制策略[7-9]。由于電動輪汽車具有兩套完全獨立且完整的液壓制動和電機制動系統，如能利用液壓制動和電機制動良好的互補性，在ABS控制中合理利用電機制動的優(yōu)點去彌補液壓制動的缺點，將是提升電動輪汽車ABS性能的一條新途徑。

因此，本文以電動輪汽車為研究對象，以充分利用電機制動/驅動提升ABS性能為研究目標，對電液復合ABS的系統結構和控制方法進行研究。為了檢驗電液復合ABS控制方法的效果，本文利用MATLAB/Simulink軟件搭建控制模型，ADAMS/View軟件搭建整車動力學模型，進行聯合仿真以驗證電液復合ABS控制方法的有效性。

1 電動輪汽車電液復合ABS系統組成與原理

1.1 電液復合ABS控制方法的設計原則

電液復合ABS是由兩個特性各異的控制變量(電機制動與液壓制動)去實現同一個控制目標(使各個車輪的車輪滑移率保持在15%～20%附近)的系統，因此電液復合ABS是一個存在控制冗余且時變耦合的系統。為了解決控制冗余及耦合問題，需對電機制動和液壓制動進行協調控制。首先使兩者能互不干涉地共同工作，然后充分利用電機制動和液壓制動兩者各自的優(yōu)點，以提高電液復合ABS的性能。根據分析可以將電液復合ABS控制方法分為三類(如圖1所示)， 每類電液復合ABS控制方法的協調難度與控制效果都是不同的。綜合考慮各類方法的協調難度與控制效果，電液復合ABS控制方法采用同一控制方法不同控制參數為最佳。因此，將其作為電液復合ABS控制方法的總體設計原則。

圖1 電液復合防抱死制動系統(ABS)控制方法的設計原則

1.2 電動輪汽車電液復合ABS系統結構設計

為了實現在簡化結構、節(jié)省成本的前提下提高系統的可靠性，電動輪汽車電液復合ABS在單個車輪上的復合方式設計為：在原液壓ABS的基礎上，將輪轂電機的制動/驅動力矩與液壓制動力矩直接在各車輪上進行線性疊加，疊加后一起組成總制動力矩。

同時，為了充分發(fā)揮電機制動的優(yōu)點，電動輪汽車電液復合ABS在整車上復合方式設計為：液壓制動系統前軸采用前輪獨立控制，后軸采用低選聯合控制的整車布置方式。此布置方式有利于前軸充分利用路面附著系數，縮短制動距離，后軸雖不能充分利用路面附著系數，但可以大大提高了制動時整車的方向穩(wěn)定性。電機制動系統采用四輪獨立控制整車布置方式(如圖2所示)。

圖2 電動輪汽車電液復合ABS整車布置方式

1.3 防抱制動力矩的電液復合調節(jié)方式

本文提出的電液復合ABS中的液壓制動系統將不做任何改動，且控制目標也與傳統液壓ABS相同，所以該電液復合ABS中的總制動力矩調節(jié)模式與傳統純液壓ABS一樣，分為增壓、保壓和減壓三種調節(jié)，且其各調節(jié)階段的劃分以液壓ABS為準。在整個緊急制動過程中，電液復合ABS不停地循環(huán)“增壓→保壓→減壓→保壓”調節(jié)直至車速低于10 km/h。

電液復合ABS在整個緊急制動過程中的防抱死調節(jié)是由液壓制動和電機制動共同完成，由于電機具有制動、自由和驅動三種運行模式，且在制動與驅動運行模式下存在四種主要的調節(jié)方式。四種調節(jié)方式如下：

①始終最大：在某個液壓調節(jié)階段，不隨著制動時間變化，電機始終保持最大制動或驅動力矩。

②逐漸增加：在某個液壓調節(jié)階段，隨著制動時間，電機逐漸增加制動或驅動力矩。

③逐漸減?。涸谀硞€液壓調節(jié)階段，隨著制動時間，電機逐漸減小制動或驅動力矩。

④時大時?。涸谀硞€液壓調節(jié)階段，不隨制動時間有規(guī)律地調節(jié)制動或驅動力矩。

表1 電液復合ABS調節(jié)(共36種組合)

在表1中，電液復合ABS存在36種不同的調節(jié)狀態(tài)組合，但存在某些不合理組合，比如：液壓ABS增壓時，輪轂電機處于驅動運行模式且始終最大，此時液壓ABS的調節(jié)方向與輪轂電機的調節(jié)方向剛好相反，存在明顯矛盾等。對各種組合進行分析后，本文采用如表1黑斜體字所示的組合，并對該調節(jié)組合進行詳細分析，如表2所示。

表2 電液復合ABS調節(jié)組合的分析

圖3 電液復合ABS總制動力矩調節(jié)示意圖Fig.3 The total electric-hydraulic ABS braking torque adjustment schematic

該調節(jié)方式組合具有以下優(yōu)點：由于電機制動的作用，電液復合ABS響應時間更快，總制動力矩調節(jié)速度更快，調節(jié)頻率更高，使各個車輪滑移率緊貼于最佳滑移率處，提高路面附著的利用率，縮短制動距離，進而提升ABS的性能；在保壓階段也能對總制動力矩進行快速精確地調節(jié)，使各個車輪滑移率波動更小，提升處于最佳滑移率狀態(tài)的時間，從而減小制動距離。

按照如表2所示的電液復合ABS組合，繪制圖3所示的液壓制動力矩、電機制動力矩和總制動力矩的相互關系曲線。從圖3中可以看出：電液復合ABS與傳統液壓ABS相比，在增壓或減壓階段，制動力矩的增加或減少更迅速，在保壓階段可以通過調節(jié)電機制動力矩來調節(jié)總制動力矩。

1.4 電液復合ABS控制方法

傳統的ABS系統從第一代產品發(fā)展到現在，ABS控制方法主要有兩種[10]：一種是基于車輪角加、減速度(即邏輯門限值控制)，另一種是基于車輪滑移率。前一種控制方式成本低，控制簡單，目前的產品大多基于此種方法，但由于缺乏足夠的理論依據，且通用性差，需大量試驗與車型進行匹配，屬于半經驗型的控制方式；另一種控制方法是直接以車輪滑移率為控制參數，導致需要通過測量車輛速度或加速度來計算車輪滑移率，雖然在單一路面上制動效果良好，但因其成本高(如要精確測量車速，需安裝價格不菲的車速傳感器等)且不能適應路面的變化，難以大量實際應用。隨著現代控制方法的發(fā)展，在以上兩種控制方法的基礎上，又出現了PID控制(Proportion integration differentiation control)、滑模變結構控制、模糊控制、最優(yōu)控制和魯棒控制等ABS控制方法，其實質是對以上兩種控制方法的充實或改進，使這兩種控制方法能自動調整控制參數來適應不同路面及不同的行駛工況。

圖4 各典型路面滑移率與縱向附著系數的關系Fig.4 A typical relationship between the slip ratio and the road surface adhesion coefficient of longitudinal

電液復合ABS并沒有改變汽車制動的動力學本質：外界(主要是路面)在汽車某些部件(主要是輪胎)施加與汽車運動方向相反的力，從而迫使車輛減速或停車。從汽車制動的本質可以看出，影響汽車制動性能的主要有路面、輪胎和路面與輪胎的相對運動關系(即車速與輪胎的相對運動關系，因為車速是以路面為運動參考物)。由于輪胎由車型決定，所以電液復合ABS主要考慮路面和車速與輪胎的相對運動關系(即滑移率)。

基于路面識別算法[11]，根據典型的路面試驗數據曲線(如圖4所示)，由路面識別的結果可以估算最佳滑移率S0和路面最大縱向附著系數φmax。

為了充分利用路面附著系數(即可利用到路面最大的縱向附著系數φmax)，需滿足：

定理1 給定脆弱性變換周期interval和入侵者攻擊單個脆弱性所需的時間周期τ(假定攻擊不同脆弱性所需的時間周期相同)，當脆弱性數量n=1時，入侵成功概率隨脆弱性變換空間大小|W|的持續(xù)增大而存在極限.

Th+Tm≥φmaxNR，

(1)

式中，Th為液壓制動力矩(由估算的液壓換算得到)；Tm為電機制動力矩；N為車輪垂直載荷；R為車輪滾動半徑；φmax為路面最大縱向附著系數。

由于液壓ABS不可精確控制液壓大小，為了充分利用電機制動力矩可精確控制的優(yōu)點，必須保證電機制動力矩占總制動力矩的比重，即要求電機有盡可能大的控制裕量， 因此式(1)改寫成：

Th+Tm-max≥φmaxNR，

(2)

式中，Tm-max為最大電機制動力矩。

綜上所述，本文電液復合ABS控制方法如下：

第1步：當液壓制動力矩小于φmaxNR-Tm-max時，液壓ABS進入增壓，輪轂電機在此階段中始終處于最大制動力矩狀態(tài)。

第2步：一旦液壓力矩大于φmaxNR-Tm-max，液壓ABS進入保壓狀態(tài)。本文采用反比例控制方法，當車輪滑移率在最佳滑移率的左側時，電機制動力矩隨著滑移率減小而增大，否則保持不變；當車輪滑移率在最佳滑移率的右側時，電機制動力矩隨著滑移率增大而減小，否則電機制動力矩不變，使輪轂電機制動力矩則隨著滑移率的波動進行快速精準地調節(jié)以保持車輪滑移率在最佳滑移率附近。如果當電機制動力矩減少至零時還沒能控制住滑移率的增加，此時電機可發(fā)送驅動力矩(此方法可進一步增加輪轂電機的控制裕量)，進一步減少總制動力矩，迫使車輪快速解除即將抱死狀態(tài)。

由于液壓ABS不能精準地調節(jié)液壓，所以本文的電液復合ABS中的液壓制動系統控制方法為控制制動液壓大于或小于某個值(如3 MPa或5 MPa)。實際液壓與理論上所需液壓的誤差則通過電機制動力矩的精準控制來補償。電機響應越快越準，電機制動/驅動力矩越大，其控制效果越好。

按照電液復合ABS的控制方法，繪制圖5所示的電動輪汽車電液復合ABS控制框圖。

圖5 電動輪汽車電液復合ABS控制框圖

2 電液復合ABS控制方法的聯合仿真

2.1 ADAMS整車機械動力學模型

利用ADAMS/View軟件[8]，參考某電動輪汽車的滿載時車輛結構參數(見表3)，搭建如圖6所示整車動力學模型[9-10]。試驗臺架選用的輪轂電機是最大功率7.5 kW的永磁無刷直流電機(由上海電驅動股份有限公司提供)。

表3 電動輪汽車滿載時的車輛參數

2.2 路面文件

在ADAMS軟件的View模塊[8]中，通過改變路面文件中的參數可以設定不同仿真路面的附著系數，從而建立對接、均勻或對開等各種路面。具體方法如下：首先在路面文件中設定若干個網點，目的是將整個路面劃分成若干個區(qū)域，然后修改各區(qū)域的路面附著系數，最后將其導入到整車機械動力學ADAMS/View模型中，即得到了仿真所需的各種路面。本文建立了如圖7所示的對接路面，前36 m仿真路面用于驅動車輛達到一定的制動初速度(選取制動初速度為45 km/h)，后80 m的低附著系數路面用于緊急制動。

圖6 ADAMS整車機械動力學模型

Fig.6 ADAMS mechanical dynamics model of vehicle

圖7 聯合仿真所采用的路面

Fig.7 Co-simulation used in pavement

2.3 輪胎文件

ADAMS軟件中內置有多種輪胎模型，如fiala，UA，Pacejka等輪胎模型。輪胎模型中輪胎的力學特性都集中于輪胎文件[8]，因此可以根據輪胎的試驗數據修改輪胎文件，從而建立輪胎模型。由于fiala輪胎模型簡單且適用于純滑移工況，本文采用此模型，其模型參數如表4所示。

表4 仿真所用的輪胎模型

2.4 狀態(tài)變量

ADAMS軟件與MATLAB軟件進通過狀態(tài)變量進行通訊[8]。所以在ADAMS搭建的整車動力學模型中，建立27個狀態(tài)變量，分別為：車身位移、車身減速度、角速度、角減速度、滾動半徑、滑移率和車速以及各個車輪電機制動/驅動力矩、液壓制動力矩。其中各輪的電機制動/驅動力和液壓制動力矩為輸入變量，其余均為輸出變量。

2.5 MATLAB整車控制模型及仿真試驗

在MATLAB/Simulink軟件中導入ADAMS/View的整車動力學模型，按照圖5所示的控制方法建立MATLAB整車控制模型(如圖8所示)，并在整車控制模型中加入路面識別算法和輪轂電機模型(如圖9所示)。為了更真實地模仿車輛的制動系統，在制動力矩和ADAMS整車動力學模型中添加Simulink的傳輸延遲模塊，設置傳輸延遲時間為0.02 s，詳見圖8。

圖8 整車控制模型的Simulink示意圖

圖9 輪轂電機外特性曲線

為了更充分地驗證電液復合ABS控制方法的效果，本文分別進行了純液壓ABS仿真與電液復合ABS仿真，兩種工況制動初速度均為45 km/h，并進行對比分析。純液壓ABS仿真結果曲線如圖10所示，電液復合ABS仿真結果曲線如圖11所示，純液壓ABS與電液復合ABS的仿真結果對比如表5所示。

(a) 車速輪速曲線 (b) 滑移率曲線 (c) 制動力矩曲線

圖10 純液壓ABS的仿真曲線

Fig.10 Purely hydraulic ABS simulation curve

(a) 車速輪速曲線 (b) 滑移率曲線 (c) 制動力矩曲線

圖11 電液復合ABS的仿真曲線

將圖10與圖11對比后可得，在防抱制動整個過程中，純液壓ABS只有11次調節(jié)循環(huán)，而電液復合ABS則有23次調節(jié)循環(huán)；純液壓ABS的車輪滑移率波動較大，而電液復合ABS的車輪滑移率緊貼于最佳滑移率并較小波動。通過表5可得，電液復合ABS與純液壓ABS相比，減少了制動時間和制動距離。雖然減少的制動時間極其有限(減少0.29s)，但卻大大地減少了制動距離，制動距離降低11%以上。其原因是電液復合ABS控制車輪滑移率更精準，使滑移率在最佳處做小范圍的波動，進而充分利用路面的附著力。

4 結 論

通過本文的研究，可得出以下結論：

①本文提出的電液復合ABS的系統結構不僅簡單可靠而且充分利用電動輪汽車的優(yōu)點，并為電液復合ABS控制提供了良好的物理基礎。

②在均勻路面上，只要控制參數設置得當，僅調節(jié)輪轂電機制動力矩就能保證車輪滑移率最佳，輪轂電機無需輸出驅動力矩進一步調節(jié)總制動力矩，正如圖11(c)所示。

③正由于輪轂電機的動態(tài)響應速度與響應精度顯著優(yōu)于液壓制動系統，從而電液復合ABS的制動力矩調節(jié)頻率與調節(jié)精度也明顯優(yōu)于液壓制動系統，進而使車輪滑移率能長時間緊貼于最佳滑移率，以充分利用路面的附著系數，使制動距離減少11%以上。

④通過仿真結果可知，本文針對電動輪汽車所提出的電液復合ABS的系統結構和控制方法合理有效，可進一步進行實用化探索。

[1] 趙治國,張軍騰,吳梟威,等.基于ABS的四驅HEV串聯式電液復合制動控制[J]. 中國公路學報,2015,15(11):124-133.

[2] 何仁.汽車制動能量再生方法的探討[J]. 江蘇大學學報(自然科學版),2003,24( 6):1-4.

[3] 盤朝奉,何志剛,張德望.復合電源電動汽車動力系統建模與仿真[J]. 廣西大學學報(自然科學版),2012,37(2):285-286.

[4] 劉楊,孫澤昌,王猛.新能源汽車解耦式電液復合制動系統[J]. 中南大學學報(自然科學版),2015,46(3):835-842.

[5] YEO H, KIM H.Hardware-in-the-loop simulation of regenerative braking for a hybrid electric vehicle[J]. Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part D: Journal of Automobile Engineering, 2002,26(11):855-864.

[6] WU M C，SHIH M C.Simulated and experimental study of hydraulic anti-lock braking system using sliding-mode PWM control[J]. Mechatronics, 2003, 13(4): 331-351.

[7] 李玉芳,吳炎花.電液復合制動電動汽車制動感覺一致性及實現方法[J]. 中國機械工程,2012,23(4):489-492.

[8] AHN J K, JUNG K H, KIM D H, et al. Analysis of a regenerative braking system for hybrid electric vehicles using an electro-mechanical brake[J]. International Journal of Automotive Technology, 2009, 10(2):229-234.

[9] 何仁,俞劍波,王潤才.電動汽車混合制動系統控制策略的改進[J]. 江蘇大學學報(自然科學版),2013,34(2):125-130.

[10]程軍.汽車防抱死制動系統的理論與實踐[M]. 北京:北京理工大學出版社,1999.

[11]張元才，余卓平，徐樂,等.基于制動意圖的電動汽車復合制動系統制動力分配策略研究[J]. 汽車工程, 2009, 31(3):244-249.

[12]李軍,邢俊文,覃文潔.ADAMS實例教程[M]. 北京:北京理工大學出版社,2002.

[13]左建令.基于四輪驅動電動車的路面識別及驅動防滑研究[D]. 上海:同濟大學,2006.

[14]余卓平，熊璐，張立軍.電液復合制動匹配研究[J]. 汽車工程, 2005, 27(4): 455-457,462.

[15]王會義,高博.液壓式防抱制動系統電磁閥動作響應實驗研究[J]. 液壓與氣動,2001(9)：2-4.

(責任編輯 梁 健)

Co-simulation of the electronic-hydraulic anti-braking control system for electric-wheel vehicle

ZHANG Hou-zhong, JIANG Hao-bin, YUAN Chao-chun, WANG Ruo-chen, SU Jian

(Automotive Engineering Research Institute,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Because hydraulic antilock braking system (ABS) might generate noise and vibration and easily causes wheels to be locked on the snow-covered road, and e-motor braking system has good complementarity with the hydraulic braking system, a new electronic-hydraulic hybrid ABS system for electric-wheel vehicle is designed by using the e-motor braking system to improve the performance of ABS. The electronic-hydraulic hybrid ABS is a system that two control variables with different features function together to obtain the same control target, and it is a redundant, coupled and time-variant control system, and also a system that must be dynamically coordinated control on motor brake and hydraulic brake. For this purpose, this paper firstly brings forward the design principle of the electronic-hydraulic hybrid ABS control methods and the new system structure; Secondly analyze the adjustment and combination between electronic braking and hydraulic braking, research the anti-braking process from the aspect of electronic-hydraulic combination to control the performance of slip rate, find the best braking adjustment combination that constitutes the anti-braking process. Finally, via ADAMS and MATLAB software, the automotive mechanical dynamic and control models are constructed respectively and are co-simulated to test validity of control method. Research results show that this control method can more accurately control the wheel slip rate, make it near the optimal slip rate for a long time, reduce braking distance more than 11%, and improve the performance of ABS effectively. Electronic-hydraulic ABS system structure and control method developed in this paper are proved to be reasonable and efficient and can be applied to the theoretical research, simulation test and practical exploration of electronic-hydraulic compound ABS in split and opposite roads.

electric-wheel vehicle; the electronic-hydraulic compound anti-lock braking system; co-simulation; coordinated control

2015-12-15；

2016-08-03

國家自然科學基金青年項目(51305167);江蘇省高校自然科學研究面上項目(14KJD580001);江蘇大學?；鹳Y助項目(13JDG034);江蘇省電動車輛驅動與智能控制重點實驗室開放研究課題(JLDICEV20150703)

張厚忠(1978—)，男，江西泰和人，江蘇大學講師，博士；E-mail: ujs_aeri_motor@163.com。

張厚忠，江浩斌，袁朝春，等.電動輪汽車電液復合ABS控制的聯合仿真[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(5)：1358-1367.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1358

TH16;U461.6

A

1001-7445(2016)05-1358-10