长城汽车股份有限公司 河北保定 071000
摘要：以前轮驱动的纯电动汽车为研究对象，以制动过程的稳定性和制动效能为前提，制动能量回收效率和良好制动踏板感觉为最终目的，对不同制动模式下的机电复合制动力矩分配控制策略分别进行研究设计。搭建了联合仿真实验平台，验证了所设计的控制策略的有效性。
关键词：电动汽车；机电复合；制动系统；协调控制
1电动汽车制动系统简介
常见的电动汽车制动系统有常规液压制动系统、再生制动系统和电子机械式制动系统。（1）常规液压制动系统。常规电动汽车液压制动系统结构比较常见，其制动系统有三种布置型式，交叉布置形式最为常见，当一条管路发生故障时，另一条管路仍可以产生制动力，并保持制动力平衡，防止车辆跑偏。在制动过程中，制动踏板被踩下时，在真空助力器作用下，推动制动主缸活塞，通过制动液使轮缸活塞运动，从而制动钳夹紧制动盘，对车轮实施制动。松开制动踏板时，则解除对车轮制动。往复操作实现车辆制动。（2）电机再生制动系统。再生制动系统为电动汽车所特有，常见结构由控制器、制动操纵机构、制动电机和能量存储装置等组成。在在制动过程中，制动指令由驾驶员发送到整车控制器，车辆启动再生制动系统，驱动电机将以发电机的形式工作，将生成的电量储存到储能装置中，增加车辆的续航里程。并且在车轮上产生一定的制动力矩，对车辆实施一定的制动。如果储能装置处于饱和状态，则再生制动系统暂时无法工作，车辆所需的制动力矩可由其他制动系统来提供。这种与其他制动系统结合制动机构一般分为串联制动和并联制动两种模式。（3）电子机械式制动系统。电子机械制动系统简称EMB。在结构组成上，与传统的液压制动系统不同，EMB体积小、质量轻，采用电控线路来作为信号和能量的传导方式，用电机作为制动的驱动机构。EMB电子机械制动系统主要由动力源、驱动电机、减速增扭机构、运动转换装置、ECU等组成。EMB在每个车轮上都有独立的制动线路，每个线路都有自己的动力源和控制装置。中央控制器独立工作，信号双向通讯，形成反馈回路。制动过程中，踏板压力传感器将信号传递给ECU，ECU计算后驱动电机输出力矩，行星轮系减速增矩，动力传输到滚珠丝杠，螺母带动活塞轴向位移，制动盘被夹紧，车轮上的制动力矩增加，达到预期值时，使制动钳位置锁止；松开制动踏板时ECU接到指令，对电动机反向供电，使电动机反转提供反向转矩，经过相同的传输路线，达到解除制动。该系统质量更轻，传递更迅速，省去了制动液，以电能作为制动能源，清洁环保。
2纯电动汽车机电复合制动协调控制策略仿真分析
通过Matlab/Simulink软件仿真的方式。对不同运行工况进行仿真分析，以此来验证所提出的机电复合制动控制策略的控制效果。在仿真过程中，选用纯电动汽车路面辨识估计的路面附着系数，紧急制动时的滑移率，动力电池SOC数值，前、后轴液压制动力矩与再生制动力矩以及制动距离这五项作为机电复合制动协调控制策略的评价指标。通过路面附着系数的估计值与实际值对比，验证本文所设计路面辨识方法的准确性；动力电池SOC的数值直观的分析复合制动力矩分配时的制动能量回收效果；滑移率，前、后轴液压制动力矩与再生制动力矩以及制动距离，用这三者来衡量汽车的制动效能与紧急制动过程的稳定性。评价指标选取后，需要考虑仿真工况的选择。选择仿真工况时应考虑到实际的路面情况以及汽车行驶车速的变化，并且必须适用于本文所设计的机电复合制动控制策略。结合上述分析，本文选择以下两种制动工况来进行分析。将动力电池SOC的初始值统一都设置为0.6，紧急制动工况下按路面附着系数的不同分别设为：路面附着系数0.25的低附着路面工况、路面附着系数0.7的高附着路面工况，选取的初始制动车速分别为80km/h和56km/h。仿真所需整车参数除上一章常规制动仿真时给出的整车数据外，设定汽车车轮的转动惯量J为0.78kgm2。
2.1低附着路面工况下的仿真分析
结合低附着路面仿真结果图可以看出，在开始的0.15s内，估计的道路附着系数存在一定的波动，这是因为在紧急制动开始时，滑移率是很小，不同道路上的曲线之间几乎没有差异，此时的估计精度偏差，出现波动。随后，估计值慢慢变大，并在其数值到达0.25左右时，变得稳定并跟踪实际值。当路面附着系数是0.25，最佳滑移率由0开始逐渐增加，直到其大小在到达0.21左右时保持稳定，即当路面附着系数数值是0.25时，最佳滑移率数值为0.21。对于最佳滑移率的跟踪，在后轮滑移率和前轮滑移率中都很好的予以完成，所以两车轮对应滑移率差别不大。制动过程中动力电池SOC的变化图中，设定SOC的初始值为0.5左右，在增至0.518时不在发生变化，制动能量回收效果较为明显。图中可以看出，前轮再生制动力矩在前0.083s快速增加到最大值331Nm，随后又快速降低并稳定在到198Nm，很明显可以看出再生制动力矩比液压制动系统具有更快的响应速度。后轮制动力矩在前0.22s内快速增加到362Nm，随后经过小的波动略有下降，最终达到302Nm并保持稳定。在最大制动能回收效率分配策略中，再生制动系统会最大程度的参与到汽车制动中本次仿真中，前轮总的制动力矩完全可以由再生制动系统提供，所以后轮液压制动力矩始终为零。关于制动距离，由曲线可以得出结论：在MPC控制下纯电动汽车的制动距离约为31m，制动效能良好，整个制动过程历时4.78s结束。
2.2高附着路面工况下的仿真分析
为了验证本文所设计控制策略在高附着路面上的控制效果如何，我们将设定路面附着系数为0.78，初始制动车速为80km/h这种工况为高附着路面的仿真工况。由于附着系数的增大，行车安全得到了一定的保障，故初始车速可以设定的高一点，那么制动时需求的前后轮制动力矩就会相应的增大，制动时间变短，至2.83s制动完全结束。在开始的0.22s内，与低路面附着系数的估计结果类似同样存在一定的波动，且波动较之略大，而且波动多持续了0.07s。随着制动时间的延长，其数值慢慢变大，直到路面附着系数的大小稳固在0.78，与实际路面的系数大小一样，跟踪效果极佳。基于预测模型的滑移率变化情况图可知，与地附着相同初始值为零并逐渐增加，区别在于此时因电机的再生制动力矩充分利用，电制动响应速度快的优势得以体现，前轮的滑移率很明显在0.58s提前达到了最佳滑移率并保持稳定，有波动是因为MPC算法的计算量过大以及约束问题的干扰，最佳滑移率为0.19。SOC的大小从0.5开始增加至制动结束时，一共增加了0.022，是在缓慢的增加，进行制动能量的回收，但因紧急制动时间非常短暂SOC的数值并未大幅增加。后轮的制动力矩完全由液压制动系统供给，再生制动系统与液压制动系统一起为前轮产生复合制动力矩。后轮制动力矩上升的非常快，在短短0.32s内就增至1075Nm，之后略有下降并最终稳定在1020Nm左右。汽车前轮的再生制动力矩比后轮液压制动力矩增长的更快，在0.12s就达到了345Nm后趋于一稳定值，随制动强度的变大前轮需要液压制动力矩来补充，但其数值很小，最大值也不过100Nm，在0.5s液压系统提供的制动力矩稳定在17Nm上下，仍然是一个较小的力矩，说明此时制动能量回收效果明显。制动从开始到结束的制动距离，在模型预测控制下纯电动汽车的制动距离约为27m，较地附着路面缩短了4米，说明本文控制策略高附着路面应用效果更好，制动过程历时2.81s结束。
3结束语
本文所设计的控制策略当前仅仅通过仿真软件进行了验证。其在纯电动汽车制动控制器上的实际效果还未可知。因此，需要进行硬件在环实验以及实车实验，收集实验数据对控制策略进行调校优化以完善控制策略。
参考文献
[1]章健宇.分布式驱动电动汽车再生制动及稳定性控制策略研究[D].武汉科技大学,2019.
[2]章俨,杨义勇,李亮,等.双电机混联构型混动车辆的制动能量回收策略[J].中国机械工程,2019,30(13):1631-1637.
[3]龚道清.四轮独立驱动轮毂电机电动汽车复合制动控制系统研究[D].湖南大学,2018.