摘要：在電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合制動(dòng)過(guò)渡工況中，針對(duì)液壓制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力配合不好造成的沖擊度問(wèn)題，提出了雙閉環(huán)反饋和電機(jī)力修正的協(xié)調(diào)策略.其中雙閉環(huán)反饋策略依靠電機(jī)力來(lái)補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的液壓力跟蹤誤差，電機(jī)力修正策略的作用是讓電機(jī)在過(guò)渡工況下始終具有補(bǔ)償能力.結(jié)合集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(I-EHB)進(jìn)行仿真及硬件在環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的策略能大幅減小制動(dòng)力切換時(shí)的沖擊度，提高車(chē)輛制動(dòng)舒適性。

前言

研究表明，一輛常年在城市行駛的車(chē)輛大約有30%～50%的能量在制動(dòng)過(guò)程中以熱的形式耗散掉.而電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛依靠其配備的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)可以大幅回收這部分能量，改善車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性.復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)一般包括電機(jī)制動(dòng)子系統(tǒng)和液壓制動(dòng)子系統(tǒng)，車(chē)輛的制動(dòng)需求優(yōu)先由電機(jī)再生制動(dòng)提供，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力不足時(shí)，液壓制動(dòng)介入.然而，受到電機(jī)高速時(shí)制動(dòng)力有限以及低速時(shí)不能提供再生制動(dòng)力的限制，復(fù)合制動(dòng)會(huì)出現(xiàn)液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入制動(dòng)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)撤出制動(dòng)以及低速時(shí)再生制動(dòng)力撤出制動(dòng)的三種過(guò)渡工況.由于電機(jī)的響應(yīng)速度快，液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度較電機(jī)慢，導(dǎo)致復(fù)合制動(dòng)在過(guò)渡工況下，會(huì)產(chǎn)生較大的制動(dòng)沖擊度(即制動(dòng)減速度的導(dǎo)數(shù))，制動(dòng)的平順性與舒適性有所惡化.

文獻(xiàn)[6]基于制動(dòng)減速度和沖擊度提出了“不舒適度指數(shù)”來(lái)描述制動(dòng)平順性和舒適性.其中不舒適度指數(shù)為1，表示所有的乘客都感到舒適；不舒適度指數(shù)為5，表示所有的乘客都感到不舒適；不舒適度指數(shù)為3，表示一般的乘客都感到舒適.圖1給出了部分制動(dòng)減速度和沖擊度范圍下的不舒適度指數(shù).

目前，對(duì)復(fù)合制動(dòng)領(lǐng)域的研究主要集中在提出制動(dòng)力分配策略，在保證制動(dòng)穩(wěn)定性前提下盡可能多地回收制動(dòng)能量，而對(duì)制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛減速度、沖擊度等狀態(tài)的研究不多，致使眾多的能量回收策略無(wú)法體現(xiàn)實(shí)際效果.因此，對(duì)于復(fù)合制動(dòng)過(guò)渡工況控制的研究有較高的實(shí)際應(yīng)用需求和價(jià)值.

對(duì)制動(dòng)力切換的過(guò)渡工況問(wèn)題，Numasato等對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)的響應(yīng)特性進(jìn)行校正，解決兩者響應(yīng)特性上的差異，但同時(shí)導(dǎo)致了系統(tǒng)整體的響應(yīng)滯后.TERUO通過(guò)搭建濾波器，讓電機(jī)額外響應(yīng)制動(dòng)力需求的高頻信號(hào)，但由于高頻信號(hào)所占原信號(hào)的比例不大，導(dǎo)致該策略控制效果不理想.朱智婷等提出了一種包含制動(dòng)力分配修正和電機(jī)力補(bǔ)償模塊的協(xié)調(diào)控制策略，制動(dòng)減速度跟蹤誤差明顯減小，但該策略僅停留在仿真階段.清華大學(xué)呂辰基于所開(kāi)發(fā)的具有協(xié)調(diào)式能量回饋功能的制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(energy-regeneration anti-lock brake system，EABS)，提出了回饋制動(dòng)耦合非線性主動(dòng)補(bǔ)償控制算法，令驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)軸系彈性及齒側(cè)間隙耦合等非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償，仿真結(jié)果表明制動(dòng)過(guò)程中沖擊度減小了67%，但沒(méi)有做進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證.

圖1 不舒適度指數(shù)

Fig.1 Discomfort index

電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(electro-hydraulic brake system, EHB)是汽車(chē)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，具有響應(yīng)快速、制動(dòng)力精確控制、易于實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)等突出優(yōu)點(diǎn).本文基于文獻(xiàn)[12]提出的集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(integrated-electro-hydraulic brake system，I-EHB)，并采用液壓力控制算法對(duì)復(fù)合制動(dòng)過(guò)渡工況沖擊度進(jìn)行研究.第1節(jié)介紹I-EHB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理.第2節(jié)介紹復(fù)合制動(dòng)總體策略.第3節(jié)提出了雙閉環(huán)反饋和電機(jī)力修正的協(xié)調(diào)策略.第4節(jié)對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入制動(dòng)和再生制動(dòng)力撤出制動(dòng)兩種過(guò)渡工況進(jìn)行了仿真和臺(tái)架試驗(yàn)，證明了控制策略的有效性.

01集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)

I-EHB由制動(dòng)踏板單元、液壓驅(qū)動(dòng)單元、制動(dòng)執(zhí)行單元和控制系統(tǒng)4部分組成，如圖2所示，圖中，ECU為電控單元，DC/AC為逆變器，ESC為電子穩(wěn)定性控制單元,MC1、MC2為主缸的兩個(gè)腔.其中制動(dòng)踏板單元提供駕駛員的制動(dòng)踏板感覺(jué)，包括制動(dòng)踏板、次級(jí)主缸、踏板模擬器、踏板模擬器電磁閥(電磁閥3)、次級(jí)主缸電磁閥(電磁閥1)；液壓驅(qū)動(dòng)單元為系統(tǒng)提供動(dòng)力源，包括電機(jī)和減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等；制動(dòng)執(zhí)行單元與傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持一致，包括主缸、液壓管路等.解耦缸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解耦，即實(shí)現(xiàn)正常制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板與制動(dòng)主缸不直接相連.正常模式下，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，次級(jí)主缸的制動(dòng)液注入到踏板模擬器，產(chǎn)生踏板感覺(jué)，同時(shí)制動(dòng)踏板推桿推動(dòng)解耦缸活塞壓縮解耦缸液壓腔，此時(shí)電磁閥2處于打開(kāi)狀態(tài)，使得解耦缸內(nèi)制動(dòng)液流入儲(chǔ)液罐，如此實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)踏板不再直接與制動(dòng)主缸相連.工作時(shí)，電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)上層制動(dòng)力分配策略計(jì)算出的目標(biāo)液壓力以及壓力傳感器反饋的實(shí)際液壓力構(gòu)成壓力閉環(huán)，時(shí)刻控制著電機(jī)應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩大小，并經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)作用在制動(dòng)主缸上[14]，控制框圖如圖3所示.

圖2 集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(I-EHB)

Fig.2 Integrated-electro-hydraulic brake system (I-EHB)

圖3 I-EHB液壓力控制框圖

Fig.3 Hydraulic pressure control block diagram of I-EHB

02復(fù)合制動(dòng)總體策略

復(fù)合制動(dòng)總體策略如圖4所示，制動(dòng)力分配策略通過(guò)車(chē)輛信息和電池信息計(jì)算出使能量回收最大化的目標(biāo)電機(jī)力和目標(biāo)液壓力并分別作用到制動(dòng)電機(jī)和電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力共同作用使車(chē)輛減速，同時(shí)電機(jī)通過(guò)再生制動(dòng)將產(chǎn)生的電能存入電池，實(shí)現(xiàn)能量回收.

圖4 復(fù)合制動(dòng)總體策略

Fig.4 General strategy of hybrid braking

03雙閉環(huán)反饋和電機(jī)力修正策略

3.1 雙閉環(huán)反饋控制策略

液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略，旨在由電機(jī)再生制動(dòng)力直接對(duì)目標(biāo)液壓力與實(shí)際制動(dòng)液壓力之間的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，以期使總制動(dòng)力在過(guò)渡工況下更接近總需求制動(dòng)力，從而改善液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度慢與超調(diào)帶來(lái)的制動(dòng)沖擊.從控制角度，由于I-EHB系統(tǒng)自身實(shí)行的是液壓力閉環(huán)控制，在此基礎(chǔ)上再將目標(biāo)液壓力與實(shí)際制動(dòng)液壓力求差后成為電機(jī)需求制動(dòng)力的一部分，由此形成了對(duì)液壓力的雙閉環(huán)反饋.制動(dòng)液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略的具體框圖如圖5所示.

圖5 制動(dòng)液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略框圖

Fig.5 Block diagram of the hydraulic pressure double closed-loop feedback strategy

在引入制動(dòng)液壓力雙閉環(huán)反饋協(xié)調(diào)策略后，電機(jī)實(shí)時(shí)響應(yīng)上層制動(dòng)力分配策略計(jì)算出的目標(biāo)電機(jī)力以及I-EHB的液壓力跟蹤誤差，使總實(shí)際制動(dòng)力在過(guò)渡工況下更接近總需求制動(dòng)力.

3.2 電機(jī)力修正策略

對(duì)于制動(dòng)初始階段，液壓力介入的過(guò)渡工況，根據(jù)制動(dòng)力分配策略，電機(jī)力已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，無(wú)法對(duì)液壓力進(jìn)行協(xié)調(diào)補(bǔ)償.為了提升電機(jī)在液壓力介入工況下的補(bǔ)償能力，添加電機(jī)力修正策略，如圖6所示.

圖6 電機(jī)力修正策略框圖

Fig.6 Block diagram of the motor force correction strategy

電機(jī)力修正策略作用如下：車(chē)輛檢測(cè)制動(dòng)需求狀態(tài)，若制動(dòng)需求在增加，并且量綱一制動(dòng)強(qiáng)度小于0.1時(shí)，此時(shí)液壓力即將介入，令制動(dòng)力分配策略的電機(jī)力上限值低于最大值，從而使得液壓力介入時(shí)由于滯后產(chǎn)生的不足制動(dòng)力可以由電機(jī)協(xié)調(diào)補(bǔ)償；當(dāng)制動(dòng)需求仍在增加，且制動(dòng)強(qiáng)度在0.1～0.15時(shí)，過(guò)渡過(guò)程從開(kāi)始到逐漸進(jìn)入尾聲，制動(dòng)力分配策略中的電機(jī)力上限值逐步恢復(fù)到最大值，以回收更多能量；若制動(dòng)需求維持在某一定值，則分配策略的電機(jī)力上限值始終為最大值，策略流程圖如圖7所示.此外，在再生制動(dòng)低速撤出工況下，電機(jī)力應(yīng)提前一段時(shí)間退出，以給電機(jī)響應(yīng)電機(jī)補(bǔ)償力提供力矩空間.這樣就保證了電機(jī)在各個(gè)過(guò)渡工況下始終具有補(bǔ)償能力.

圖7 電機(jī)力修正策略流程圖

Fig.7 Flow chart of the motor force correction strategy

04仿真與試驗(yàn)

由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入與液壓制動(dòng)系統(tǒng)撤出的過(guò)渡工況類(lèi)似，本文僅對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)介入與再生制動(dòng)力低速撤出兩種復(fù)合制動(dòng)過(guò)渡工況進(jìn)行仿真和硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證.

仿真和試驗(yàn)所選取的某電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表1，驅(qū)動(dòng)形式為雙輪轂電機(jī)前驅(qū)，電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2.I-EHB響應(yīng)時(shí)間為0.2 s，最大建壓能力為200 bar(1 bar=0.1 MPa).

表1 整車(chē)參數(shù)

Tab.1 Vehicle parameters

表2 電機(jī)參數(shù)

Tab.2 Motor parameters

仿真和試驗(yàn)工況為：初始車(chē)速為40 km·h-1，路面附著系數(shù)0.8，車(chē)輛制動(dòng)強(qiáng)度從0開(kāi)始逐步增長(zhǎng)到0.4并保持不變，直到車(chē)速減為0.

4.1 仿真結(jié)果及分析

基于Simulink/AMESim/CarSim三個(gè)軟件對(duì)上述工況進(jìn)行聯(lián)合仿真，圖8為無(wú)過(guò)渡過(guò)程協(xié)調(diào)策略的仿真結(jié)果.在液壓力建立的階段A，車(chē)輛的總制動(dòng)力落后于需求的總制動(dòng)力，實(shí)際制動(dòng)減速度也落后于目標(biāo)制動(dòng)減速度，從而產(chǎn)生了制動(dòng)沖擊度，在A段處其數(shù)值上為-34.77 m·s-3.而在B段，制動(dòng)強(qiáng)度維持在中等制動(dòng)強(qiáng)度后，當(dāng)車(chē)速降到極限值時(shí)，再生制動(dòng)力撤出.此時(shí)由于總的制動(dòng)強(qiáng)度需求不變，電機(jī)制動(dòng)力快速退出，液壓制動(dòng)力的需求快速上升，導(dǎo)致液壓制動(dòng)力的響應(yīng)產(chǎn)生了一定的超調(diào)量，使得B處的制動(dòng)沖擊度達(dá)到了78.31 m·s-3.

添加策略后的仿真結(jié)果如圖9所示，從圖中可以明顯看出，制動(dòng)初始階段，實(shí)際減速度能夠很好地跟蹤需求減速度，制動(dòng)沖擊度降低至-25.66 m·s-3，減小了26.2%；再生制動(dòng)低速撤出階段的制動(dòng)減速度也基本沒(méi)有了突變.制動(dòng)沖擊度降低至-39.96 m·s-3，減小了49.0%.有無(wú)策略的仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3.

a 車(chē)速

b 制動(dòng)力

c 減速度

d 沖擊度

圖8 無(wú)策略仿真結(jié)果

Fig.8 Simulation result without control strategy

a 車(chē)速

b 制動(dòng)力

c 減速度

d 沖擊度

圖9 有策略仿真結(jié)果

Fig.9 Simulation result with control strategy

表3 過(guò)渡工況沖擊度仿真結(jié)果

Tab.3 Simulation results of the transitional conditions

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于圖10的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提出策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其中，CAN為控制器局域網(wǎng)，用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)；INCA軟件用于在線觀測(cè)和標(biāo)定.

圖10 硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

Fig.10 Diagram of the hardware-in-loop(HIL) test platform

圖11為無(wú)過(guò)渡過(guò)程協(xié)調(diào)策略的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，在液壓開(kāi)始介入時(shí)，由于液壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較慢，導(dǎo)致總的制動(dòng)力無(wú)法滿足制動(dòng)需求，產(chǎn)生制動(dòng)失效的感覺(jué)，可能對(duì)駕駛員造成一定的恐慌，最大沖擊度達(dá)28.26 m·s-3.之后隨著制動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)，車(chē)速下降到一定時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力退出，液壓制動(dòng)力介入，同樣由于系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題，液壓力沒(méi)能及時(shí)補(bǔ)充由于電機(jī)力退出產(chǎn)生的不足制動(dòng)力，導(dǎo)致制動(dòng)強(qiáng)度突然減小，沖擊度高達(dá)-60.94 m·s-3，這會(huì)使得駕駛員產(chǎn)生制動(dòng)失效的錯(cuò)覺(jué)，影響制動(dòng)感覺(jué).

添加策略后的試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增加，雖然實(shí)際制動(dòng)強(qiáng)度仍略小于目標(biāo)值，但兩者的增長(zhǎng)幅度相同，這樣避免了制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)較大的沖擊，同時(shí)不會(huì)讓駕駛員有制動(dòng)失效的錯(cuò)覺(jué)，能夠很好保證制動(dòng)感覺(jué)，此時(shí)沖擊度在16 m·s-3左右波動(dòng)，最大值為18.39 m·s-3，減小了34.9%，；再生制動(dòng)低速撤出階段，最大沖擊度減小至16.84 m·s-3，減小了72.3%.有無(wú)策略的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4.

a 車(chē)速

b 制動(dòng)力

c 減速度

d 沖擊度

圖11 無(wú)策略試驗(yàn)結(jié)果

Fig.11 HIL test result without control strategy

a 車(chē)速

b 制動(dòng)力

c 減速度

d 沖擊度

圖12 有策略試驗(yàn)結(jié)果

Fig.12 HIL test result with control strategy

表4 過(guò)渡工況沖擊度試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 HIL test results of the transitional conditions

05總結(jié)

基于集成式電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，針對(duì)復(fù)合制動(dòng)過(guò)渡工況沖擊度問(wèn)題，提出了雙閉環(huán)反饋和電機(jī)力修正的協(xié)調(diào)策略，通過(guò)仿真和硬件在環(huán)試驗(yàn)，證明了所提出的策略能有效減小復(fù)合制動(dòng)過(guò)渡工況沖擊度，使得液壓力介入時(shí)的沖擊度從最初的28.26 m·s-3降低到18.39 m·s-2，減小了34.9%；再生制動(dòng)低速撤出時(shí)的沖擊度從最初的-60.94 m·s-3降低到16.84 m·s-3，減小了72.3%，提高了車(chē)輛制動(dòng)舒適性，為該策略的實(shí)際應(yīng)用提供了參考依據(jù).