李倩敏（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510000）

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電動(dòng)汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的研究

李倩敏
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510000）

摘要：以純電動(dòng)車為研究對(duì)象，建立了車輛模型。在考慮汽車行駛安全性的基礎(chǔ)上，以車輪滑移率為控制目標(biāo)，分別進(jìn)行了液壓ABS制動(dòng)和電機(jī)防抱死制動(dòng)的研究，設(shè)計(jì)了液壓ABS控制策略和電機(jī)防抱死控制策略，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的控制策略能有效提高電動(dòng)汽車的制動(dòng)安全性。

關(guān)鍵詞：ABS；控制策略；滑移率；安全性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-140-04

引言

由于能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題，世界各國(guó)目前對(duì)電動(dòng)汽車給予了前所未有的關(guān)注[1]。電動(dòng)汽車在減速或制動(dòng)時(shí)，控制電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生利用。與此同時(shí)，發(fā)電過程中產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩又可通過傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)力。在城市工況中，汽車需要較頻繁的啟動(dòng)與制動(dòng)，不管是采用哪種制動(dòng)方式，一旦車輪抱死，后果可想而知，因此對(duì)于汽車行駛安全性能的要求越來越高。汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）就是在這種要求下產(chǎn)生和發(fā)展的。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)防止車輪完全抱死，避免車輪側(cè)滑和前輪喪失轉(zhuǎn)向能力，提高汽車在制動(dòng)過程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力，縮短制動(dòng)距離[2]。本文以純電動(dòng)汽車為例，主要研究液壓ABS制動(dòng)和電機(jī)防抱死制動(dòng)兩種工況。

1、系統(tǒng)構(gòu)成

圖1　電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

以后輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)車為例，研究電動(dòng)汽車防抱死系統(tǒng)（見圖1）。電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓ABS、制動(dòng)踏板、電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)及其控制單元、電池及其控制單元和協(xié)調(diào)控制器等組成。

本文以踏板加速度來確定制動(dòng)強(qiáng)度的值，根據(jù)踏板行程來確定制動(dòng)的方式，能比較準(zhǔn)確的進(jìn)行再生制動(dòng)的控制。

2、液壓ABS制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)車身左右對(duì)稱，忽略空氣阻力，車輪滾動(dòng)阻力，并將簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量合為車輛整車質(zhì)量，四輪車輛模型如圖2所示。

圖2　四輪車輛模型

車輛在縱向的受力

車輛在橫向的受力

車輛繞Z軸的擺動(dòng)

四個(gè)車輪對(duì)地面的正壓力：

式中，m為整車質(zhì)量，vx為車輛縱向運(yùn)動(dòng)速度，vy為車輛橫向運(yùn)動(dòng)速度，φ為車輛橫擺角速度，l為車輛軸距，c為車輛輪距，a和b分別為前軸和后軸到車輛質(zhì)心的距離，Ni為車輪對(duì)地面的法向反力。

將主缸與輪缸中的液壓分別Pm、Pw記作增壓時(shí)，進(jìn)液閥打開，出液閥關(guān)閉，制動(dòng)液由高壓儲(chǔ)能器流向個(gè)輪缸；減壓時(shí)，進(jìn)液閥關(guān)閉，出液閥打開，制動(dòng)液經(jīng)過出液閥又輪缸流向儲(chǔ)液器。根據(jù)液壓缸內(nèi)壓力與壓力變化率的關(guān)系，可得輪缸增減壓系統(tǒng)模型如下：

式中C為由閥口形狀、液體流態(tài)、油液性質(zhì)等因素決定的流量系數(shù)，AT為閥口的流通截面積；φ為閥口形狀決定的節(jié)流閥指數(shù)，其值在0.5~1.0之間；、為常閉閥的相應(yīng)參數(shù)。

滑移率公式：

國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)[2,4]提到在汽車的制動(dòng)過程中把滑移率控制在15％～30％之間，此時(shí)具有較大的縱向和側(cè)向附著系數(shù)。

表1　仿真車輛參數(shù)

3、電機(jī)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

以汽車中某一個(gè)輪子為研究對(duì)象，忽略空氣阻力和車輪的滾動(dòng)阻力，建立單輪制動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示：

圖3　汽車單輪制動(dòng)力學(xué)模型

式中，I為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tb為再生制動(dòng)力矩，F(xiàn)s為車輪摩擦力，r為車輪滾動(dòng)半徑，ω為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，N為車輪對(duì)地面的法向反力，μ為車輪與地面間附著系數(shù)。

假設(shè)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)工作在三相全橋驅(qū)動(dòng)，兩兩導(dǎo)通的工作方式。電機(jī)定子繞組為Y連接，3個(gè)霍爾元件在空間相隔120°對(duì)稱放置。

（1）忽略磁路飽和，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗；

（2）不計(jì)電樞反應(yīng)，氣隙磁場(chǎng)分布近似為平定寬度為120°電角度的梯形波；

（3）忽略齒槽效應(yīng)，三相繞組完全對(duì)稱，連續(xù)均勻分布于電樞表面；

永磁無刷直流電機(jī)的電壓平衡方程為[5]：

R為定子每相繞組相電阻（Ω）；

LS為定子繞組自感（H）；

為定子每相繞組相反電動(dòng)勢(shì)（V）；

P為微分算子（p=d / dt）；

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

ωm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速（rad/s）；機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩

ωm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；

電機(jī)的仿真參數(shù)：

額定功率為500W，額定轉(zhuǎn)矩為2.5Nm，額定轉(zhuǎn)速N為1000rpm，每相繞組電感L為8Mh，每相繞組相電阻R為2.8Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為，極對(duì)數(shù)p為2。

4、液壓ABS制動(dòng)

圖4　液壓ABS控制流程圖

當(dāng)電動(dòng)汽車遇突發(fā)事件需要進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，此時(shí)駕駛員猛的踩下制動(dòng)踏板，為了行車的安全，采用液壓ABS進(jìn)行制動(dòng)。在制動(dòng)的過程中為了防止車輪發(fā)生抱死產(chǎn)生滑移并發(fā)生側(cè)滑，控制車輛運(yùn)行在最佳狀態(tài)，控制過程中一般把滑移率控制在20％左右。

根據(jù)制動(dòng)壓力、車輪速度和地面附著力的關(guān)系，將每個(gè)ABS控制循環(huán)分為增、減、保3種狀態(tài)，并通過制動(dòng)輪缸分別作用在四個(gè)車輪上?？刂七壿嬋鐖D4所示。

表2　控制參數(shù)含義

經(jīng)過MATLAB/Simulink仿真，圖5展示了車輛處于高附著路面時(shí)四個(gè)車輪制動(dòng)時(shí)滑移率的變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯苿?dòng)初期車速較高時(shí)滑移率變化曲線在15％~30％左右，即控制在最佳滑移率控制點(diǎn)附近，符合控制的要求：

圖5　四個(gè)車輪滑移率曲線

5、電機(jī)防抱死制動(dòng)

本文選用永磁無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的繞組電流成正比，所以通過對(duì)電機(jī)的回饋電流進(jìn)行調(diào)控便可以改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。采用PWM（脈寬調(diào)制）對(duì)電流進(jìn)行調(diào)控，電機(jī)回饋電流的大小有PWM占空比α決定，因此利用電動(dòng)車控制器控制α的大小就可以實(shí)現(xiàn)“電制動(dòng)”的目的，將車輛制動(dòng)滑移率控制在30％以內(nèi)。

當(dāng)車輪將要抱死時(shí)，電動(dòng)車電機(jī)PWM占空比α開始減小，電機(jī)繞組反向電流增加，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。電動(dòng)車控制器通過對(duì)前輪和后輪轉(zhuǎn)速的比較得出制動(dòng)滑移率S，如果車輪的滑移率大于30％，說明車輪已經(jīng)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域，便進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小階段。這時(shí)α增大，使得S減小，當(dāng)S小于10％時(shí)進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)。控制邏輯如圖6所示，其中S2代表減壓的門限值，S1代表增壓的門限值：

圖6　電機(jī)防抱死控制流程圖

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/Simulink建模仿真，從圖7可以看出設(shè)計(jì)的控制策略可行，控制效果良好，滑移率基本控制在10％~30％左右，即控制在最佳滑移率控制點(diǎn)附近，車輪無抱死現(xiàn)象。

圖7　車輪滑移率曲線

6、結(jié)論

仿真結(jié)果表明，在高附著系數(shù)路面上，采用防抱死控制方法可以使車輛制動(dòng)滑移率控制在10％~30％之間，避免了車輪抱死，增加了車輛行駛的安全性，達(dá)到了預(yù)期的效果。另外對(duì)于電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中怎樣協(xié)調(diào)液壓ABS與電機(jī)防抱死制動(dòng)的問題，今后需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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Study on Anti-Lock Braking System of Electric Vehicles

LI Qianmin
( Patent examination cooperation center of the patent office, Sipo, Guangdong Gangzhou 510000 )

Abstract:Treating the Purely electric vehicles as research object, the vehicle model is established. Considering the driving safety of cars, the hydraulic ABS (Anti-lock Braking System) and motor ABS are both researched, which regard the slip ratio of wheels as the control target. Then a control strategy of hydraulic ABS and motor ABS are designed, with making a simulation experiment, the result shows that the proposed control strategy can effectively improve braking stability of the electric cars.

Keywords:ABS; control strategy; slip ratio; safety

中圖分類號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-140-04

作者簡(jiǎn)介：李倩敏，就職于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心。