摘要：電動(dòng)汽車能夠有效利用可再生能源，具有清潔無污染特點(diǎn)，但受制于動(dòng)力電池技術(shù)影響，存在續(xù)駛里程有限等缺陷。為保證純電動(dòng)汽車制動(dòng)安全，提高制動(dòng)能量回收利用率，對(duì)純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)組成及控制原理、模糊控制電機(jī)制動(dòng)力分配、前后軸制動(dòng)力分配的動(dòng)力分配方式等方面進(jìn)行討論，并提出純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)能量回收控制措施。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)踏板；純電動(dòng)汽車；模糊控制；能量回收；機(jī)電復(fù)合制動(dòng)

中圖分類號(hào)：U469.72 收稿日期：2023-07-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.003

1 純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)組成

純電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中，其內(nèi)部電機(jī)可提供制動(dòng)力矩，在制動(dòng)力矩的作用下，純電動(dòng)汽車可產(chǎn)生制動(dòng)效果。同時(shí)，電機(jī)在純電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中處在發(fā)電工作狀態(tài)，能夠依托能量管理系統(tǒng)，將部分純電動(dòng)汽車動(dòng)能進(jìn)行回收，將其存儲(chǔ)到純電動(dòng)汽車電池當(dāng)中［1］。即純電動(dòng)汽車在制動(dòng)期間，能夠同時(shí)完成生成制動(dòng)力矩、回收消耗動(dòng)能的工作，有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車行駛里程。此外，由于電動(dòng)汽車制動(dòng)環(huán)節(jié)所需要的轉(zhuǎn)矩要大于電動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，所以通常情況下，純電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)組成應(yīng)包括機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)系統(tǒng)，即本文所要研究的復(fù)合制動(dòng)控制系統(tǒng)。但如何有效分配電機(jī)制動(dòng)力矩與機(jī)械制動(dòng)力矩，成為當(dāng)前最迫切的問題。

1.2 機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制原理

分析機(jī)電復(fù)合自動(dòng)控制原理，需要從機(jī)械制動(dòng)以及電機(jī)制動(dòng)這三個(gè)方面進(jìn)行討論。a.機(jī)械制動(dòng)。此種制動(dòng)方式需要借助液缸或氣缸與制動(dòng)盤的摩擦，促使純電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)車輛減速。b.電機(jī)制動(dòng)。此種制動(dòng)方式需要在特定制動(dòng)需求的影響下，利用輪胎與地面的摩擦，依托傳動(dòng)系統(tǒng)促使電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)行為，從而保證電機(jī)的發(fā)電工作狀態(tài)。并且，由電機(jī)電樞產(chǎn)生的制動(dòng)電流在整個(gè)過程中，會(huì)通過AC/DC變換器轉(zhuǎn)換作用，以電能形式存儲(chǔ)到電儲(chǔ)存裝置中。需要注意的是，電機(jī)制動(dòng)方式能夠提升純電動(dòng)汽車能量利用率，可以有效延長(zhǎng)車輛行駛里程。c.基于前驅(qū)的純電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。通常情況下，前軸制動(dòng)力矩組成包括機(jī)械制動(dòng)力矩與電機(jī)制動(dòng)力矩，后軸制動(dòng)力矩則依靠機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。具體來說，可按照如下公式系統(tǒng)性理解機(jī)械復(fù)合制動(dòng)控制原理：

Fc=Ff+Fr （1）

Ff=Fe+Fmf  （2）

Fr=Fmr （3）

式中，F(xiàn)c為總制動(dòng)力；Fe為電機(jī)制動(dòng)力；Ff、Fr分別為前輪制動(dòng)力和后輪制動(dòng)力；Fmf、Fmr分別為前輪機(jī)械制動(dòng)力與后輪機(jī)械制動(dòng)力。

2 純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)動(dòng)力分配

2.1 純電動(dòng)汽車模糊控制電機(jī)制動(dòng)力分配

對(duì)于復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)來說，電機(jī)是重要的組成部分，直接影響純電動(dòng)汽車能量再生利用、制動(dòng)安全［2］。因此，為最大限度保證車輛制動(dòng)環(huán)節(jié)安全性，需要從兩個(gè)方面進(jìn)行控制：a.在綜合性考慮電機(jī)工作特性曲線后，需要進(jìn)一步明確電機(jī)功率以及制動(dòng)力矩受電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響特征；b.在電機(jī)制動(dòng)回饋環(huán)節(jié)，為避免發(fā)生嚴(yán)重的電池?fù)p害問題，提高緊急情況出現(xiàn)時(shí)電機(jī)制動(dòng)作用的測(cè)出效率，還需重點(diǎn)考慮純電動(dòng)汽車總制動(dòng)力、電池SOC等影響因素。而上述兩方面涉及模糊控制器，因此需要基于模糊控制，并借助專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)而來的模糊規(guī)則，有效控制復(fù)雜對(duì)象［3］。

對(duì)于模糊控制器來說，車速、總制動(dòng)力、電池SOC都是重要的輸入變量，而在結(jié)合純電動(dòng)汽車差異性工況所提出的制動(dòng)需求、行駛狀態(tài)要素進(jìn)行考慮后，可將純電動(dòng)汽車制動(dòng)需求總制動(dòng)力F按照由小到大的順序，排成論域區(qū)間，并在[0，2 500]之間對(duì)應(yīng)L、M、H、HB四個(gè)模糊集；可將純電動(dòng)汽車車速V排成論域區(qū)間為[0，100]之間的L、M、H三個(gè)模糊集；可將純電動(dòng)汽車電池SOC按照論域區(qū)間[0，1]，排成由小到大的VL、L、M、H、HB五個(gè)模糊集。此外，模糊控制器輸出比值k應(yīng)選取電機(jī)制動(dòng)力與總制動(dòng)力比值，并且該比值可分為分別代表0，0.1，0.2，…，1的f0，f1，f2，…，f10這11個(gè)模糊集。

一般情況下，除要運(yùn)用較為平滑的gauss2mf型函數(shù)外，在選用輸入數(shù)值時(shí)，盡可能選取三個(gè)具有較小系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的數(shù)值。同時(shí)，為有效提高模糊控制器輸出分辨率，其輸出量K隸屬函數(shù)應(yīng)選擇trimf型這種比較陡峭的函數(shù)。此外，整個(gè)模糊控制推理過程需要應(yīng)用Mandani法模糊邏輯，并采取重心法（centroid）解模糊。

除此之外，如果電動(dòng)汽車需要行駛在較為擁堵的城市路段，并且整個(gè)行駛過程速度偏低、電池SOC較低，則電機(jī)是提供該純電動(dòng)汽車制動(dòng)力的主要依靠；但如果此時(shí)電池SOC相對(duì)較高，則機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)可提供一部分制動(dòng)力矩。當(dāng)純電動(dòng)汽車所行駛路段為高速公路下長(zhǎng)坡路況時(shí)，如果此時(shí)電池SOC相對(duì)較低，則該車輛總制動(dòng)力需要由電機(jī)制動(dòng)力承擔(dān)；如果此時(shí)SOC比較高，則電機(jī)制動(dòng)可以不參與或少參與車輛制動(dòng)過程。

2.2 純電動(dòng)汽車前后軸制動(dòng)力分配

在分析純電動(dòng)機(jī)汽車前后軸制動(dòng)力的分配時(shí)，需要按照理想制動(dòng)力分配、基于ECE法規(guī)則的制動(dòng)力分配、電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)先的前后軸制動(dòng)力分配的順序進(jìn)行。

a.理想制動(dòng)力分配。當(dāng)純電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中，為保證整體制動(dòng)過程的安全性，要求車輛前后軸按照I曲線完成制動(dòng)力分配，并且在充分利用地面附著系數(shù)的時(shí)候，可有效避免發(fā)生后輪側(cè)滑、前輪失去轉(zhuǎn)向能力的問題。但在能量回收角度考慮此種分配方式，會(huì)發(fā)現(xiàn)這種分配方式對(duì)于前軸來說，所分配制動(dòng)力相對(duì)較少，由此會(huì)降低電機(jī)制動(dòng)提供的制動(dòng)力矩，難以保證純電動(dòng)汽車制動(dòng)過程產(chǎn)生的相關(guān)動(dòng)能。

b.基于ECE法規(guī)則的制動(dòng)力分配。根據(jù)聯(lián)合國(guó)歐盟經(jīng)濟(jì)委員會(huì)所制定的ECE法規(guī)，可知當(dāng)前對(duì)于雙軸汽車提出了關(guān)于前后制動(dòng)器制動(dòng)力的新要求。具體而言，對(duì)比ECE法規(guī)的制動(dòng)力分配與影響制動(dòng)力分配曲線，可明確在同等制動(dòng)強(qiáng)度下，前者可為純電動(dòng)汽車前軸提供更為豐富的制動(dòng)力，但由于此種分配方式遠(yuǎn)離I曲線，所以即便具有高效化回收制動(dòng)能量的優(yōu)勢(shì)，也無法保證純電動(dòng)汽車電機(jī)在制動(dòng)過程中的安全性。

c.電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)先的前后軸制動(dòng)力分配。如圖1所示，可以明確在既定的制動(dòng)強(qiáng)度（確定的一根z線）下，如果所選擇分配點(diǎn)靠近OC曲線，這種分配方式可以最大限度地利用路面附著系數(shù)，具有明顯提高制動(dòng)過程安全性的作用；如果所選擇分配點(diǎn)靠近OA、AB、BC曲線，則此種分配方式可以向純電動(dòng)汽車前軸提供更多的制動(dòng)力，有助于推進(jìn)電機(jī)參與純電動(dòng)汽車制動(dòng)過程，并實(shí)現(xiàn)回收多項(xiàng)能量的目標(biāo)。

需要注意的是，電機(jī)發(fā)動(dòng)功率除了受以上相關(guān)因素影響外，還會(huì)受到自身特性約束，所以即便是向電機(jī)分配制動(dòng)力，也未必保證機(jī)電復(fù)合控制系統(tǒng)會(huì)回收所有能量。再加上電動(dòng)汽車制動(dòng)能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，為減少發(fā)生電池?fù)p傷，需要針對(duì)性考慮電池狀態(tài)。因此，在具體分配制動(dòng)力前，應(yīng)多維度考察各項(xiàng)自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)階段的工作狀態(tài)[4]。

對(duì)此，本文認(rèn)為有必要重點(diǎn)考慮電動(dòng)汽車前軸電機(jī)制動(dòng)力，即優(yōu)先由電機(jī)提供制動(dòng)力，然后通過對(duì)前后軸機(jī)械摩擦制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整，確保各項(xiàng)制動(dòng)力分配點(diǎn)能夠靠近I曲線。如果結(jié)合圖1中L1虛線進(jìn)行分析，即代表著電機(jī)所提供制動(dòng)力Fe在一定制動(dòng)強(qiáng)度下，會(huì)小于D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Fu1。此時(shí)，應(yīng)按照D點(diǎn)分配前后軸制動(dòng)力，并且前軸制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力的和相等。分析圖1中的L2虛線，則可明確如果電機(jī)所提供制動(dòng)力Fe與Fu1相等時(shí)，則應(yīng)該按照DE線段中的Fe=Fu1點(diǎn)進(jìn)行分配。此時(shí)，前軸制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力相等。分析圖1中的L3虛線，則可認(rèn)為在Fe比Fu1大時(shí)，應(yīng)按照E點(diǎn)完成車輛前后軸制動(dòng)力分配工作，且此時(shí)前軸制動(dòng)力應(yīng)與電機(jī)制動(dòng)力相等。假使在該過程中，純電動(dòng)汽車需要較大的制動(dòng)強(qiáng)度，則應(yīng)保證I曲線與Z線交叉點(diǎn)位于C的右側(cè)。同時(shí)，為確保純電動(dòng)汽車制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和安全性，建議所有在I曲線上的前后軸制動(dòng)力分配點(diǎn)都應(yīng)該由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。

3 純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)能量回收控制措施

電機(jī)制動(dòng)力在能量回收過程中會(huì)受到控制策略、行駛速度以及電池SOC相關(guān)因素的影響，所以一般情況下，在制定能量回收策略期間，需要針對(duì)性考慮純電動(dòng)汽車運(yùn)行條件，并充分結(jié)合駕駛員制動(dòng)需求，提出最適宜的控制策略。其中，運(yùn)行條件主要是指汽車速度大于10 km/h、SOC的值小于90%。

經(jīng)過測(cè)量及標(biāo)定純電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)，可確定車輛制動(dòng)踏板開度、制動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系。其中，當(dāng)制動(dòng)踏板開度為0%～19%范圍，則可認(rèn)為該狀態(tài)下的車輛處在機(jī)械制動(dòng)踏板空行程，整個(gè)行駛過程可以避免出現(xiàn)制動(dòng)誤觸和拖滯。然后，當(dāng)制動(dòng)踏板開度達(dá)到10%狀態(tài)，為提升自動(dòng)響應(yīng)速度，可通過增加電機(jī)制動(dòng)力的方式，將制動(dòng)踏板空行程增加到10%。

總體來說，以液壓制動(dòng)為基礎(chǔ)，通過增加電機(jī)制動(dòng)的方式，伴隨踩下制動(dòng)踏板的行為，可以實(shí)現(xiàn)回收制動(dòng)能量的目標(biāo)[5]。但在此期間，為同步保證回收制動(dòng)能量與制動(dòng)安全，需要依托不同制動(dòng)強(qiáng)度選擇有針對(duì)性的制動(dòng)策略。例如，在0<Z≤0.1時(shí)，通常只伴隨電機(jī)制動(dòng)。但如果繼續(xù)踩下踏板，在Z處于0.1～0.8區(qū)間范圍時(shí)，則會(huì)同時(shí)產(chǎn)生機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)，此時(shí)車輛應(yīng)做減速處理。如果Z持續(xù)增加，上升到0.8以上，則僅由機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行作用。

此外，結(jié)合前后輪利用附著系數(shù)、ECE制動(dòng)曲線，可進(jìn)一步確定制動(dòng)力分配系數(shù)范圍，即系數(shù)β在0.68～0.86區(qū)間范圍內(nèi)，此時(shí)前軸制動(dòng)力與后軸制動(dòng)力如圖2所示。

如果制動(dòng)強(qiáng)度Z在0.2～0.8范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)制動(dòng)力分配范圍主要在DEFGH區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)通過合理分配前后軸制動(dòng)力，可以達(dá)到電機(jī)制動(dòng)力最大化，并確保將電機(jī)制動(dòng)力分配給前軸，即如OABCD曲線所示。

a.純電機(jī)制動(dòng)。

OA段為純電機(jī)制動(dòng)區(qū)間，此時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度范圍在0～0.1之間，制動(dòng)踏板開度在0～19%?？傮w來說，此種狀態(tài)屬于輕度制動(dòng)，即車輛制動(dòng)需求依靠電機(jī)制動(dòng)即可滿足，對(duì)于制動(dòng)法規(guī)以及制動(dòng)強(qiáng)度要求不高。

b.中低復(fù)合制動(dòng)。

AB段為中低復(fù)合制動(dòng)區(qū)間，此時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度范圍在0.1～0.2之間，通過逐步引入機(jī)械制動(dòng)力，可有效疊加恒定電機(jī)制動(dòng)力，并將制動(dòng)強(qiáng)度提高到0.1。

c.中等復(fù)合制動(dòng)。

BC段為中等復(fù)合制動(dòng)區(qū)間，此時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度范圍在0.2～0.6之間，需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)力最大化，即應(yīng)盡可能選用最大的前后軸制動(dòng)力分配系數(shù)β，提高前后軸制動(dòng)力，借此有序增加附加電機(jī)制動(dòng)力。

d.中高復(fù)合制動(dòng)。

CD段為中高復(fù)合制動(dòng)區(qū)間，此時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度范圍在0.6～0.8之間，為進(jìn)一步保證制動(dòng)穩(wěn)定性，需要逐漸減小電機(jī)制動(dòng)占比，避免出現(xiàn)制動(dòng)車輪抱死、駕駛異常等情況。通常，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度Z=0.8時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力為0。

e.純機(jī)械制動(dòng)。

在D點(diǎn)以后的區(qū)間為純機(jī)械制動(dòng)范圍，該區(qū)間制動(dòng)強(qiáng)度大于0.8，屬于緊急制動(dòng)區(qū)間。一般情況下，考慮到安全性因素，在車輛發(fā)生緊急危險(xiǎn)狀況時(shí)，需要關(guān)閉再生制動(dòng)系統(tǒng)，即完全依靠機(jī)械制動(dòng)方式進(jìn)行制動(dòng)。

4 結(jié)語

本文基于保護(hù)純電動(dòng)汽車行駛安全，提出了充分回收運(yùn)行動(dòng)能以及制動(dòng)力矩的思路，并討論了不同的動(dòng)力分配方式以及能量回收策略，進(jìn)一步優(yōu)化了車輛運(yùn)行動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率，以便能從多個(gè)維度入手提升純電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)控制與分配效果。

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作者簡(jiǎn)介：

李恒熙，男，1974年生，高級(jí)工程師，數(shù)控技師，研究方向?yàn)橹新毥逃獧C(jī)電類教育。