范 婧， 呂志鴻， 朱勤儀， 張 勇， 趙艷輝(中國(guó)北方車輛研究所，北京100072 )

隨著電機(jī)、電控、電池等技術(shù)的發(fā)展，混合動(dòng)力車輛已得到廣泛推廣與應(yīng)用.與傳統(tǒng)車輛相比，混合動(dòng)力車輛具備燃油經(jīng)濟(jì)性好、噪音小等優(yōu)點(diǎn).伴隨產(chǎn)生的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)技術(shù)集成了電機(jī)制動(dòng)響應(yīng)快、能量回收效率高及液壓制動(dòng)安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前研究的熱點(diǎn)方向之一[1].

目前，多軸車輛的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)理論尚不成熟，但是，大量的文獻(xiàn)對(duì)機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了探討研究[2-7]，其中文獻(xiàn)[2]對(duì)電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，將機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)分為制動(dòng)踏板型和油門踏板型，前者又根據(jù)制動(dòng)踏板和液壓制動(dòng)閥之間是否存在機(jī)械連接分為制動(dòng)踏板未解耦型和制動(dòng)踏板解耦型.鑒于制動(dòng)踏板解耦型制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)踏板和液壓制動(dòng)閥之間不存在剛性機(jī)械連接，可以獨(dú)立對(duì)電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)進(jìn)行控制，從而可以提高制動(dòng)效能.

文中針對(duì)某8×8混合動(dòng)力輪式車輛即采用了這種制動(dòng)踏板解耦型制動(dòng)系統(tǒng)，如圖1.制動(dòng)踏板為電子踏板，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，電子踏板將踏板角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，計(jì)算出踏板轉(zhuǎn)動(dòng)的速率，將采集的信號(hào)同時(shí)輸入到電控單元及液壓閥的驅(qū)動(dòng)器，識(shí)別駕駛員的制動(dòng)意圖，即所需的制動(dòng)力大小，電控單元從驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器得到可輸出的再生制動(dòng)力，根據(jù)總制動(dòng)力需求與再生制動(dòng)力之差，可知此次制動(dòng)中液壓制動(dòng)所需的制動(dòng)力，然后將信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電磁閥根據(jù)電流調(diào)整輸出到制動(dòng)器的液壓力，配合驅(qū)動(dòng)電機(jī)的再生制動(dòng)力進(jìn)行復(fù)合制動(dòng).

圖1 解耦型8×8制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

1 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制策略的制定

機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的基本原理是合理分配電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力，有效利用地面附著率系數(shù)，使各軸制動(dòng)力分配接近理想制動(dòng)力，以保證車輛制動(dòng)的穩(wěn)定性和動(dòng)力性，并且在此基礎(chǔ)上，盡可能多的回收制動(dòng)能量.機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于該系統(tǒng)的制動(dòng)控制策略.

從機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的原理來看，存在以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：

1)制動(dòng)的穩(wěn)定性.針對(duì)電制動(dòng)力矩(即電機(jī)回饋制動(dòng)力矩)隨車速變化大的特點(diǎn)，如何協(xié)調(diào)電機(jī)回饋制動(dòng)力矩和摩擦制動(dòng)力矩之間的分配進(jìn)行制動(dòng)的穩(wěn)定性控制是首先要解決的問題.

2)制動(dòng)能回收效率.即在保證車輛制動(dòng)穩(wěn)定性前提下，盡可能多的回收制動(dòng)能.

3)制動(dòng)過程的平順性.車輛制動(dòng)時(shí)，電機(jī)回饋制動(dòng)力矩作為輔助制動(dòng)力矩將影響駕駛平順性，機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制策略需要保證混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)與常規(guī)汽車制動(dòng)系的制動(dòng)感覺一樣，即“駕駛員感覺一致性”.

根據(jù)4軸8輪電驅(qū)動(dòng)車輛解耦型制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以保證駕駛員制動(dòng)感覺的一致性、制動(dòng)安全為基礎(chǔ)，最大限度地回收制動(dòng)能量為目的，對(duì)電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立控制.具體來說，低制動(dòng)強(qiáng)度下，制動(dòng)力完全由電機(jī)提供；中等制動(dòng)強(qiáng)度下，由電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)共同完成制動(dòng)；高制動(dòng)強(qiáng)度下，為保證安全，完全由液壓制動(dòng).

由此，制定機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制策略,如圖2所示.

圖2 復(fù)合制動(dòng)控制策略

2 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的仿真建模

2.1 駕駛員需求模塊

駕駛員需求模塊包括駕駛員行為模擬和踏板擬合兩部分.在循環(huán)工況下，駕駛員需要根據(jù)循環(huán)工況或給定工況要求及車輛當(dāng)前狀態(tài)，模擬駕駛員對(duì)加速踏板和制動(dòng)踏板的動(dòng)作，確定驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)工況的跟蹤.此方案建立的駕駛員模型本質(zhì)上是一個(gè)PI控制器，如下所示：

ve=vref-vf,

(1)

(2)

(3)

式中：vref為期望車速；vf為實(shí)際反饋車速；ve為期望車速與實(shí)際反饋車速的偏差；k為加速或制動(dòng)踏板深度，k∈[-1,1].其中，當(dāng)k≥0時(shí)，表示為汽車加速，加速踏板響應(yīng)；當(dāng)k<0時(shí)，汽車處于制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)踏板響應(yīng)；A為踏板滿量程值；kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；λi為積分抗飽和系數(shù).

根據(jù)駕駛員模塊得到踏板深度k，根據(jù)k對(duì)踏板進(jìn)行擬合，得到駕駛員對(duì)加速或減速要求.

2.2 軸上載荷及制動(dòng)力計(jì)算

基于駕駛員模型，為了分析制動(dòng)力的分配，需要對(duì)多軸車輛的軸上載荷進(jìn)行計(jì)算，如式(4)所示.

(4)

式中：Fz,i為i軸上載荷；ci為i軸懸掛和輪胎串聯(lián)剛性系數(shù)；δi為i軸彈載引起的懸掛和輪胎的變形和；li為i軸到一軸的水平距離；Α為車體傾角；Pa為慣性力矩；a為加速度(a≥0)或(a<0)；m0為整車彈載質(zhì)量；mi為各軸非彈載質(zhì)量；Hs為整車彈載質(zhì)量的重心高度；R為車輪半徑.

基于式(4)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力的計(jì)算，首先定義附著率如下：

(5)

在理想制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)條件下，附著率和制動(dòng)或加速?gòu)?qiáng)度相等，即φ=z，且φ≤ψ，ψ為附著系數(shù).故軸上驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)力為

Fx=z×Fz.

(6)

2.3 液壓制動(dòng)輸出計(jì)算

液壓輸出力矩M由液壓P、活塞直徑d、活塞數(shù)n、摩擦單量半徑Rdis、摩擦系數(shù)μ確定，如式(7)所示.

(7)

考慮制動(dòng)器工作特性，液壓制動(dòng)器輸出力矩如式(8)所示.

(8)

式中：ωn為制動(dòng)器自然振蕩角速度；s為傳函因子；ξ為制動(dòng)器阻力系數(shù)，二者與制動(dòng)器等效剛度、黏滯系數(shù)、制動(dòng)器的移動(dòng)質(zhì)量有關(guān).

實(shí)際操作時(shí)，比例電磁閥的動(dòng)作時(shí)間較短，可視為一階延遲環(huán)節(jié)如式(9)所示.

(9)

式中：tc為電磁閥的延遲時(shí)間常數(shù).

聯(lián)合式(8)、(9)可得，從液壓電磁閥給定命令到制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩輸出為

(10)

由于電磁閥的延遲相對(duì)于液壓制動(dòng)中的壓力變化周期(幾十毫秒)較短，因此，可以將液壓制動(dòng)系統(tǒng)視為一個(gè)較大的一階慣性環(huán)節(jié)如式(11)所示.

(11)

式中：th為整個(gè)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的等效延遲時(shí)間，取100 ms.

2.4 電機(jī)制動(dòng)力輸出

電機(jī)制動(dòng)力的輸出，主要是根據(jù)其在一、四象限的外特性和動(dòng)力電池的SOP進(jìn)行計(jì)算輸出.計(jì)算過程如下：

1)根據(jù)電機(jī)外特性曲線，插值計(jì)算當(dāng)前車速下電機(jī)可以提供的最大轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)可以提供的最大制動(dòng)力，同時(shí)插值計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)可提供的最大功率；

2)由鋰離子電池充放電的過程，應(yīng)用Rint模型計(jì)算當(dāng)前電池可提供的最大功率，即SOP；

3)取兩個(gè)最大功率的最小值；

4)由該最小值，計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)制動(dòng)力矩.

(12)

式中：Tm、ωm、Pm及ηm分別表示制動(dòng)力矩、角速度、功率及效率.

2.5 整車縱向動(dòng)力學(xué)建模

由式(13)建立整車的縱向驅(qū)動(dòng)方程，并計(jì)算水平加速度、速度、位移和功率消耗.

(13)

3 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)仿真分析

針對(duì)某8×8混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)踏板解耦型機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，采用機(jī)電復(fù)合制動(dòng)策略在各軸上優(yōu)先采用電機(jī)制動(dòng)，電機(jī)制動(dòng)力不夠時(shí)，液壓制動(dòng)補(bǔ)充.

以30 km/h初速度，在附著系數(shù)分別為0.2、0.5和0.8的條件下實(shí)施機(jī)電復(fù)合制動(dòng)，得到的制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度如圖3、圖4所示.

圖3 不同附著系數(shù)下機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的制動(dòng)距離

圖4 不同附著系數(shù)下機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的制動(dòng)減速度

以30 km/h初速度，在附著系數(shù)分別為0.2、0.5和0.8的條件下實(shí)施液壓制動(dòng)，得到的制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度如圖5、圖6所示.

圖5 不同附著系數(shù)下液壓制動(dòng)的制動(dòng)距離

圖6 不同附著系數(shù)下液壓制動(dòng)的制動(dòng)減速度

以30 km/h初速度，當(dāng)液壓制動(dòng)失效時(shí)，僅采用電機(jī)制動(dòng)，在附著系數(shù)分別為0.2、0.5和0.8的條件下，仿真得出的制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度如圖7、圖8所示.

圖7 不同附著系數(shù)下電機(jī)制動(dòng)的制動(dòng)距離

圖8 不同附著系數(shù)下電機(jī)制動(dòng)的制動(dòng)減速度

由以上分析得出機(jī)電復(fù)合制動(dòng)、液壓制動(dòng)、電機(jī)制動(dòng)3種模式下的制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間以及減速度如表2所示，其中，液壓制動(dòng)為原始車輛的試驗(yàn)數(shù)據(jù).3種制動(dòng)方式中，機(jī)電復(fù)合制動(dòng)時(shí)間最短，為1.75 s.相應(yīng)的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)制動(dòng)距離最短，平均減速度最大.

表2 路面附著系數(shù)0.8、初速度為30 km/h時(shí)不同制動(dòng)方式的制動(dòng)效能

4 結(jié) 論

根據(jù)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)和雙回路液壓控制，采用了復(fù)合制動(dòng)策略，研究結(jié)果表明8×8混合動(dòng)力車輛機(jī)電復(fù)合制動(dòng)相比液壓制動(dòng)，減小制動(dòng)時(shí)間2%，縮短制動(dòng)距離2.8%.

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