李 坤

（江蘇省徐州市張集中等專業(yè)學(xué)校，徐州 221114）

近年來，以新能源為動(dòng)力的汽車成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，市場銷售量大幅上升。數(shù)據(jù)顯示，新能源動(dòng)力汽車已經(jīng)達(dá)到200多萬輛。某公司生產(chǎn)的電混動(dòng)車基于原來的油電混動(dòng)設(shè)置了車用交流電插板，增加了電容量。該公司生產(chǎn)的聯(lián)動(dòng)制動(dòng)汽車不同于傳統(tǒng)的燃油汽車，維修人員如果不了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，會(huì)增加維修困難，影響工作效率。因此，針對該公司新款聯(lián)合制動(dòng)車的制動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)模式等進(jìn)行介紹，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該種聯(lián)合制動(dòng)方式的優(yōu)越性。

1 混動(dòng)汽車總體構(gòu)造

研究的汽車類型為插電雙電機(jī)混動(dòng)汽車，總體構(gòu)造如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)、前后軸電機(jī)、前后軸減速設(shè)備、變速設(shè)備以及離合器等構(gòu)成混動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)[1]。驅(qū)動(dòng)工作中，利用離合器Ⅰ、離合器Ⅱ進(jìn)行電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的切換。具有連續(xù)調(diào)節(jié)功能的變速設(shè)備的速比有助于電機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)保持持續(xù)高效工作狀態(tài)，提高了汽車的工作性能和經(jīng)濟(jì)性能。實(shí)施制動(dòng)中，離合器Ⅱ發(fā)生脫離，分離動(dòng)力總成和發(fā)動(dòng)機(jī)，利用前后軸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收與再生，有效增加了混動(dòng)汽車行駛里程。

2 混動(dòng)汽車機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)

混動(dòng)汽車機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)輪、制動(dòng)回饋及制動(dòng)控制等，主要進(jìn)行參數(shù)的測量、計(jì)算和運(yùn)行方式的判斷及應(yīng)用。首先測量車輛行駛狀態(tài)下的參數(shù)，計(jì)算附加行駛的參數(shù)，其次判斷制定方式，最后通過模糊邏輯控制行駛參數(shù)[2]。此外，它會(huì)對汽車行駛參數(shù)和控制需求所產(chǎn)生的混合制動(dòng)信號給予響應(yīng)，促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作，進(jìn)而完成機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)。

2.1 制動(dòng)受力模式

圖1為水平路面汽車行駛受力狀況，其中空氣阻力、汽車滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的偶矩以及慣性產(chǎn)生的力偶矩等忽略不計(jì)[3]。圖1中，a為車輛質(zhì)心至前軸距離，b為車輛質(zhì)心至后軸距離，L為軸距，hg為質(zhì)心高度。

2.2 驅(qū)動(dòng)模式

汽車在電量充足的情況下低速行駛，便可使前電機(jī)滿足驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，離合器Ⅱ發(fā)生分離。如果電量不足，離合器Ⅱ閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)處于低能耗運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)前電機(jī)可將部分能量輸入電池內(nèi)完成電池蓄電。

中等負(fù)荷運(yùn)行中的汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)低能耗運(yùn)轉(zhuǎn)，僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力提供便可提高油料消耗的經(jīng)濟(jì)性。該過程中，離合器Ⅰ和離合器Ⅱ閉合，結(jié)合電池狀態(tài)選擇由前軸電機(jī)發(fā)揮發(fā)電機(jī)的作用，為電池蓄電或者由前軸電機(jī)供應(yīng)驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)汽車運(yùn)行中需要較大牽引力時(shí)，可聯(lián)合混合動(dòng)力汽車用起動(dòng)發(fā)電一體化（Integrated Starter and Generator，ISG）電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同提供驅(qū)動(dòng)力，由后電機(jī)提供后軸啟動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)[4]?？偠灾?，結(jié)合混動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）和驅(qū)動(dòng)負(fù)荷開啟相應(yīng)的工作模式。

2.3 制動(dòng)模式

實(shí)施汽車制動(dòng)的模式分為液壓、電機(jī)以及混合式制動(dòng)模式。以上3種模式相互轉(zhuǎn)換，制動(dòng)力由液壓制動(dòng)和前后電機(jī)共同或者單獨(dú)提供。制動(dòng)強(qiáng)度、行駛速度、道路附著的系數(shù)以及電池SOC等決定汽車的制動(dòng)模式。當(dāng)電池SOC大于充電門的限制標(biāo)準(zhǔn)，電池不在充電高效區(qū)內(nèi)。為保障電池使用壽命和安全性，制動(dòng)環(huán)節(jié)電機(jī)不參與。道路附著系數(shù)較小、制動(dòng)強(qiáng)度超過0.8且高速行駛時(shí)，緊急制動(dòng)開啟。為了確保運(yùn)行的安全性，全部的制動(dòng)力均由液壓系統(tǒng)供給。電池SOC高效充電區(qū)域內(nèi)時(shí)，電機(jī)盡量參與制動(dòng)過程能量的回收。通過調(diào)節(jié)變速比實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)的改變，確保電池位于高效工作區(qū)內(nèi)[5]。

2.4 電力模式

混動(dòng)汽車能量的制動(dòng)回饋系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)輪接收由電機(jī)輸出的負(fù)力矩，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)換，并儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化后的電能。現(xiàn)代化電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括控制設(shè)備、電力系統(tǒng)及控制計(jì)算方法等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2.5 輪胎模型

動(dòng)力學(xué)研究中，輪胎受力模型建造作用重大。一般而言，輪胎模型建模方法有半經(jīng)驗(yàn)式建模和理論解析兩種。本文半經(jīng)驗(yàn)建模所用的魔術(shù)公式為Pacejka。此外，附著系數(shù)和垂直荷載的乘積等于附著于路面上的力[6]。

3 機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)壓力協(xié)同控制分析

混動(dòng)汽車工作模式多樣。針對不同工況實(shí)施不同工作模式，十分有利于提高燃油的經(jīng)濟(jì)效益和降低排放量。它最大的缺陷是實(shí)施制動(dòng)中切換制動(dòng)模式導(dǎo)致液壓制動(dòng)與電機(jī)的動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，控制動(dòng)態(tài)過程會(huì)造成問題更加復(fù)雜。液壓制動(dòng)與電機(jī)響應(yīng)特性存在差異，導(dǎo)致汽車在運(yùn)行過程中的制動(dòng)工況會(huì)發(fā)生突變，難免會(huì)出現(xiàn)沖擊。所以，分析耦合工作的特性，研究制動(dòng)系統(tǒng)的壓力及電機(jī)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)控制的方法，盡可能減小沖擊程度。

管理層面通過駕駛?cè)藛T實(shí)際的踏板動(dòng)作了解制動(dòng)意圖，然后針對期望轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，按照協(xié)同層策略獲得分配制動(dòng)力的關(guān)系，按照執(zhí)行層發(fā)出的液壓系統(tǒng)壓力及電機(jī)力矩的信息對液壓系統(tǒng)及再生的制動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)和控制，確保能夠?qū)崿F(xiàn)快速、及時(shí)、平穩(wěn)地切換各部件。通過汽車控制設(shè)備向液壓控制系統(tǒng)和電機(jī)傳遞控制指令，執(zhí)行層按照指令控制聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)。由于二者不同的響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性，聯(lián)合制動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。目前，制動(dòng)與實(shí)際制動(dòng)存在差異，所以利用滯環(huán)反饋修正制動(dòng)信號。制動(dòng)的實(shí)際強(qiáng)度超出一定范圍時(shí)，根據(jù)目標(biāo)制動(dòng)與實(shí)際制動(dòng)之間存在的強(qiáng)度差異計(jì)算修正值，并在下一個(gè)階段補(bǔ)償制動(dòng)力矩，從而滿足駕駛?cè)藛T的需求。

在常規(guī)制動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，制動(dòng)模式也發(fā)生了變化，由聯(lián)合式向純電機(jī)式轉(zhuǎn)變或者由電機(jī)式向機(jī)電聯(lián)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變，或者由聯(lián)動(dòng)狀態(tài)向其他制動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因工作模式的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生瞬態(tài)變化，將直接影響汽車的平順性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了減小制動(dòng)力波動(dòng)，需控制制動(dòng)強(qiáng)度，從而有效協(xié)調(diào)動(dòng)力矩的變化。處理信號時(shí)獲得制動(dòng)強(qiáng)度的變化率，并將其反饋給汽車的控制設(shè)備，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)變形勢預(yù)判制動(dòng)意圖。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度由大變小時(shí)，主要為平順性，選擇較小絕對值的下限值。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度由小變大時(shí)，主要為制動(dòng)性，上限值較大，通過變化率及其限值的對比修正實(shí)際強(qiáng)度的變化率，確保無大幅波動(dòng)的發(fā)生，盡可能減少?zèng)_擊強(qiáng)度[7]。

4 制動(dòng)強(qiáng)度仿真

針對機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)的耦合性進(jìn)行研究，利用Simulink AMESim進(jìn)行聯(lián)合仿真，設(shè)置聯(lián)合仿真的連接口，設(shè)置仿真中的精度和步長，聯(lián)合仿真制動(dòng)控制系統(tǒng)，Simulink控制設(shè)備計(jì)算得出前后輪的目標(biāo)壓力信號向AMESim內(nèi)輸送，通過液壓制動(dòng)響應(yīng)仿真向仿真模塊輸入前后輪的制動(dòng)力，然后反饋控制。利用聯(lián)合仿真閉環(huán)控制機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)，保證由軸傳輸?shù)目刂齐娏M足駕駛?cè)藛T的需求。通過研究對切換制動(dòng)模式產(chǎn)生影響的制動(dòng)模式和因素，注重邊界條件及切換條件的安全性與經(jīng)濟(jì)性，確定制動(dòng)模式狀態(tài)和液壓及電機(jī)目標(biāo)制動(dòng)能力的大小[8]。

4.1 大強(qiáng)度制動(dòng)

大強(qiáng)度制動(dòng)的制動(dòng)強(qiáng)度不小于0.5，初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，Z=0.6。降低車速則速比增大，當(dāng)速比增長到最大限度后保持不變。液電聯(lián)合制動(dòng)初期，實(shí)際動(dòng)力與目標(biāo)動(dòng)力存在較大的強(qiáng)度差異，協(xié)調(diào)控制完成后，隨著時(shí)間的延長二者之間的差異逐漸變大。協(xié)調(diào)控制過程中，液壓與電機(jī)共同制動(dòng)過程中變化平穩(wěn)，制動(dòng)力無明顯波動(dòng)，減小液壓制動(dòng)及增大電機(jī)制動(dòng)過程響應(yīng)的速度較快。

4.2 中強(qiáng)度制動(dòng)

中強(qiáng)度制動(dòng)的制動(dòng)強(qiáng)度在0.2～0.5，初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，Z=0.3。初始行車速度高，軸電機(jī)的制動(dòng)最大扭矩小，提供的扭矩不能滿足制動(dòng)需要，應(yīng)聯(lián)合液壓制動(dòng)。逐漸降低車速時(shí)，軸電機(jī)所提供的最大制動(dòng)力可滿足制定需要，此時(shí)逐漸退出液壓制動(dòng)。在未采取協(xié)調(diào)制動(dòng)措施時(shí)，目標(biāo)制動(dòng)與實(shí)際制動(dòng)之間存在強(qiáng)度差異。該差異隨著時(shí)間的延長逐漸變大，在協(xié)調(diào)控制措施的實(shí)施下，差異明顯減小，且逐漸向目標(biāo)強(qiáng)度靠近。

4.3 小強(qiáng)度制動(dòng)

小強(qiáng)度制動(dòng)的制動(dòng)強(qiáng)度不大于0.2，初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，Z=0.1。這種情況下再生制動(dòng)回收能量由電機(jī)完成，液壓制動(dòng)無動(dòng)作。根據(jù)分配策略獲得強(qiáng)度較小的強(qiáng)度制動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力分配，如圖2所示。前后電機(jī)共同完成初期階段的再生制動(dòng)。制動(dòng)過程中，降低行車速度，速比發(fā)生變化。最大制動(dòng)力由前電機(jī)提供，后電機(jī)退出制動(dòng)程序。

4.4 漸變制動(dòng)

制動(dòng)強(qiáng)度的變化具有連續(xù)性時(shí)，制動(dòng)力兼顧汽車能量回收和行車安全。軸電機(jī)同時(shí)作用時(shí)，其峰值轉(zhuǎn)矩滿足不斷變化的強(qiáng)度制動(dòng)，控制措施則主要側(cè)重于安全性向經(jīng)濟(jì)性的轉(zhuǎn)變。強(qiáng)度制動(dòng)較大時(shí)，可適當(dāng)減小制動(dòng)回饋；強(qiáng)度制動(dòng)較小時(shí)，軸電機(jī)制動(dòng)最大力矩發(fā)揮作用，為盡可能回收更多的制動(dòng)能量提供保障。制動(dòng)實(shí)施中，及時(shí)反饋控制液電聯(lián)合制動(dòng)，進(jìn)行目標(biāo)強(qiáng)度修正和制動(dòng)力的變化控制，可有效減小車速誤差和沖擊度。

4.5 突變制動(dòng)

初始行車速度設(shè)定為60 km·h-1，制動(dòng)強(qiáng)度由0.6突降為0.3，導(dǎo)致制動(dòng)目標(biāo)值突然發(fā)生變化，尤其是大幅減小液壓動(dòng)力時(shí)。3.00 s時(shí)目標(biāo)強(qiáng)度突然變化，3.02 s時(shí)制動(dòng)力發(fā)生最大波動(dòng)，波動(dòng)速率為94.50 m·s-3。控制協(xié)調(diào)實(shí)施后，減小實(shí)際控制動(dòng)力的變化率，顯著降低沖擊度為17.63 m·s-3，制動(dòng)強(qiáng)度由0.3增至0.6。協(xié)調(diào)控制實(shí)施后，沖擊度獲得明顯改善。制動(dòng)力的變化如圖3所示。

5 結(jié)語

以插電雙電機(jī)混動(dòng)汽車為研究對象，通過液壓和電機(jī)制動(dòng)聯(lián)合仿真建模，分析機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)耦合特性，采取以安全為基礎(chǔ)的能量回收最大化的控制措施。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)電聯(lián)合制動(dòng)可使汽車運(yùn)行保持良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。有效實(shí)施制動(dòng)協(xié)調(diào)措施的情況下，制動(dòng)波動(dòng)明顯減小，能量回收效率提高，綜合制動(dòng)效果良好。