林小軍，李萬敏，張亞萍，王 彥，李彥晶

(蘭州工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

純電動汽車電機(jī)具有再生制動能量回饋以及制動轉(zhuǎn)矩精確可調(diào)的特點(diǎn)[1]，基于此特點(diǎn)開發(fā)的電動汽車復(fù)合制動系統(tǒng)可在保證汽車制動強(qiáng)度的前提下，利用再生制動增加電動汽車?yán)m(xù)航里程[2].影響再生系統(tǒng)工作的關(guān)鍵因素是精確估計(jì)車輛當(dāng)前的制動強(qiáng)度需求.因此在復(fù)雜道路尤其是多坡道的山區(qū)道路條件下，如何精確估計(jì)制動需求強(qiáng)度是當(dāng)前復(fù)合制動控制方法的重要研究方向之一.現(xiàn)階段的研究主要集中在2個方面：一是基于復(fù)合制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的協(xié)調(diào)控制方法研究，該方法是以車速和車輛減速度判斷制動強(qiáng)度，然后采用邏輯門限值的方法選擇分配系數(shù)來分配摩擦制動力和電機(jī)制動力[3]；二是基于駕駛意圖識別的再生制動控制方法研究，該方法主要以駕駛員踩踏制動踏板的強(qiáng)度分析為主，再結(jié)合車速、車輛減速度判斷車輛的制動需求強(qiáng)度[4].山區(qū)道路具有坡道繁多、坡度角多變、道路線性變化多端，駕駛員視覺忙碌、心理活動復(fù)雜等特征[5]，車輛的制動效果也隨之而頻繁多變.因此基于車速和車輛減速度的制動強(qiáng)度判斷方法，因制動頻繁多變而影響其準(zhǔn)確性.另外，基于駕駛意圖識別的判斷方法準(zhǔn)確性依賴于駕駛員的駕駛技術(shù)成熟度和個人心理素質(zhì)，在復(fù)雜多變的山區(qū)道路對心理的影響下，其判斷依據(jù)適應(yīng)性也大打折扣.

針對電動汽車在山區(qū)道路行駛制動時的安全性及再生制動能量反饋?zhàn)畲蠡瘑栴}，本文提出了一種基于道路歷史數(shù)據(jù)融合的復(fù)合制動控制方法.該方法在車輛首次通過一段山區(qū)道路時，利用GPS及三軸陀螺儀采集車輛該段道路的經(jīng)緯度位置信息、坡道長度信息和坡度信息，通過分析計(jì)算后存儲于數(shù)據(jù)存儲及分析比對模塊中.當(dāng)車輛再次駛?cè)胍汛嫘畔⒌牡缆窌r，通過傳感器采集的現(xiàn)數(shù)據(jù)與已存道路信息數(shù)據(jù)比對.比對成功后，整車控制器即可準(zhǔn)確獲知該段道路的完整信息.在已知道路信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合對應(yīng)車輛狀態(tài)信息，將制動工況分類，在每種制動工況下提出對應(yīng)的控制方法，從而在保證車輛制動強(qiáng)度的前提下，最大程度發(fā)揮再生制動系統(tǒng)效能，提高山區(qū)道路下電動汽車制動性能[6].

1 復(fù)合制動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

復(fù)合制動系統(tǒng)在電動汽車上屬于通用性設(shè)計(jì)，本文所研究的控制方法應(yīng)用在1輛單電機(jī)純電動汽車，其制動系統(tǒng)包括摩擦制動子系統(tǒng)和電機(jī)制動子系統(tǒng)2部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示. 其中：電機(jī)制動子系統(tǒng)主要由電機(jī)(PM)、動力電池以及電機(jī)控制器組成；摩擦制動子系統(tǒng)包括機(jī)械制動器、真空助力器和液壓助力器.各個系統(tǒng)之間獨(dú)立工作，其狀態(tài)信息通過CAN總線形成交互，并匯總至整車控制器(VCU).整車控制器根據(jù)車輛狀態(tài)，以及每個制動子系統(tǒng)的狀態(tài)，對復(fù)合制動系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)輸出的制動力進(jìn)行動態(tài)協(xié)調(diào)[7].

圖1 電動汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 制動過程分析與復(fù)合制動工況劃分

2.1 電動汽車坡道制動過程分析

電動汽車在車輛運(yùn)行過程中受到驅(qū)動力Ft、重力分力Fi、滾動阻力Ff、空氣阻力Fw以及加速阻力Fj的綜合作用[8].當(dāng)電動汽車在下坡行駛時，其縱向動力學(xué)方程為

Ft+Fi=Ff+Fw+Fj，

(1)

式中：T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；i為機(jī)械傳動比；ηT為機(jī)械傳動效率；r為車輪半徑；α為坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為車速；m為汽車質(zhì)量；σ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為車輛減速度.

當(dāng)采取制動措施時車輛受到重力分力、加速阻力、滾動阻力、空氣阻力、制動器制動力和電機(jī)制動力的作用，受力分析如圖2所示，其平衡關(guān)系為

圖2 車輛下坡時的受力分析

Fi=Ff+Fw+Fj+Fbreak+Fb，

(2)

式中：Fbreak為持續(xù)制動力；Fb為行車制動器制動力.

空氣阻力、滾動阻力和加速阻力跟車輛本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、道路環(huán)境因素有關(guān)，因此下坡制動力主要由復(fù)合制動系統(tǒng)提供.整理后得車輛制動減速度為

(3)

2.2 復(fù)合制動工況劃分

電動汽車在下坡制動過程中，復(fù)合制動系統(tǒng)制動力主要依靠電機(jī)控制器和液壓控制器分別控制輸出電機(jī)制動力和摩擦制動力.電機(jī)制動力來源于車輪的慣性倒拖電機(jī)轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)換動能發(fā)電的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生阻礙力矩形成制動力[8].根據(jù)制動時的車速和制動減速度，再結(jié)合駕駛員踩踏制動踏板的力和踏板開度，電動汽車的制動可以分為緊急制動、中等減速制動、輕度滑行制動3種模式.

緊急制動是駕駛員遇到突發(fā)危險情況而采取的一種制動強(qiáng)度大、制動減速度高的減速或減速至提車的緊急措施.在這一制動過程中，制動減速度一般大于3 m/s2.為了保證制動強(qiáng)度，此時以摩擦制動器產(chǎn)生制動力為主，該工況為緊急制動工況[9].

中等減速制動一般發(fā)生于長大下坡路段，駕駛員需要采取連續(xù)的制動措施以使車速穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，制動減速度1.6 ～3.0 m/s2.該制動過程中，為避免制動器連續(xù)摩擦升溫而導(dǎo)致制動器制動效能下降，優(yōu)先以電機(jī)再生制動為主，不足部分由摩擦制動補(bǔ)足.再生制動雖然可以回收制動能量用以補(bǔ)充電池電量，但電池荷電狀態(tài)SOC過大則又影響電池壽命.因此在中等減速模式下考慮電池充放電性能，當(dāng)SOC<60%，電機(jī)以最佳功率再生制動向電池充電，該制動工況劃分為再生制動工況；當(dāng)60%80%時，不宜再向電池充電，此時利用摩擦制動器制動，該工況劃分為減速工況.

輕度滑行制動模式一般發(fā)生于坡道較緩或車速較低的條件下，此時需求制動力小，制動減速度低于1.6 m/s2，此時若電機(jī)充電功率低，或者電池SOC較高，則采用摩擦制動，該工況也劃分為減速工況；若坡道較長，電機(jī)制動時雖然回饋電流小但充電時間長，且制動力完全可由電機(jī)制動提供，則采用電機(jī)制動，該工況劃分為減速滑行工況.

2.3 歷史數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理

當(dāng)車輛首次運(yùn)行于某段道路時，通過GPS持續(xù)接收當(dāng)前運(yùn)行路段的導(dǎo)航坐標(biāo)系定位數(shù)據(jù)經(jīng)度B、維度L及GPS正高程H.通過三軸陀螺儀輔助GPS獲取前后2個測量點(diǎn)的高程點(diǎn)定位值H1和H2，計(jì)算得到當(dāng)前道路的坡度θ，由此構(gòu)建改路段導(dǎo)航坐標(biāo)參數(shù)(B1、2……，L1、2……，H1、2……，θ1、2……)，并將該段道路的導(dǎo)航坐標(biāo)參數(shù)儲存作為歷史數(shù)據(jù).

當(dāng)車輛調(diào)用歷史數(shù)據(jù)用于計(jì)算當(dāng)前車輛需求制動力時，首先利用高斯投影正算轉(zhuǎn)換公式[10]將導(dǎo)航坐標(biāo)系投影到高斯平面上，得到轉(zhuǎn)換坐標(biāo)(X′，Y′，Z′，θ′)，然后通過固定公共點(diǎn)求出轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用轉(zhuǎn)化參數(shù)將轉(zhuǎn)換坐標(biāo)(X′，Y′，Z′，θ′)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前車輛本體坐標(biāo)(x′，y′，z′，θ′)[11]，得到當(dāng)前車輛運(yùn)行道路計(jì)算參數(shù).

通過獲知當(dāng)前道路坡度角θ，當(dāng)前車輛質(zhì)量m，當(dāng)前整車功率初始值Pf，分別采用自適應(yīng)濾波算法進(jìn)行濾波處理，其傳遞函數(shù)及濾波時間常數(shù)的表達(dá)式[12]為

G(s)=1/(τs+1)，

(4)

式中：s為拉普拉斯算子；τ為濾波時間常數(shù)；R為測量噪聲方差；Q為過程激勵噪聲方差.

計(jì)算制動目標(biāo)功率修正因子為

λ=(kθ+1)((1-λ0)(m-m0)/Δmmax+λ0)，

(5)

式中：k為標(biāo)定參數(shù)；m0為整車空載質(zhì)量；Δmmax為整車最大負(fù)載質(zhì)量；λ0為車輛空載時修正系數(shù),0<λ0<1.

因此計(jì)算車輛的制動目標(biāo)轉(zhuǎn)矩為

Tbq=λTbq0(α，u),

(6)

式中：Tbq0為道路坡度角為0、車輛滿載條件下的制動目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；α為制動踏板開度；u為車速.

3 復(fù)合制動控制方法

3.1 總體方案

通過制動工況的劃分，可以發(fā)現(xiàn)道路信息、需求制動力、制動踏板上加載的動作強(qiáng)度以及電池荷電狀態(tài)SOC是復(fù)合制動系統(tǒng)工作的關(guān)鍵因素[13].因此，本文在綜合再生制動系統(tǒng)和摩擦制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理的基礎(chǔ)上，以全局規(guī)劃的思路，增加GPS及三軸陀螺儀等傳感器采集道路信息并存儲比對，制定了基于道路歷史數(shù)據(jù)融合的復(fù)合制動控制方法，其總體結(jié)構(gòu)方案如圖3所示.

圖3 復(fù)合制動控制方法總體結(jié)構(gòu)

總體方案包括信息采集單元、整車控制器和電機(jī)控制器3個部分.其中信息采集單元主要采集9部分的數(shù)據(jù)信息，通過GPS和三軸陀螺儀采集車輛所處段道路的經(jīng)度、維度、長度、坡度以及車速信息，以便對車輛所處的地理位置和地理環(huán)境有準(zhǔn)確的判斷；通過車速傳感器采集當(dāng)前車速信息并結(jié)合車載電腦所記錄的整車參數(shù)信息，對車輛當(dāng)前質(zhì)量和整車動能進(jìn)行評估；動力電池輸出電流電壓傳感器主要采集動力電池當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)，對電池儲能程度進(jìn)行估計(jì)；電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信息采集對電機(jī)功率及反饋能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行估計(jì)；制動踏板力及開度傳感器采集駕駛員加載在制動踏板上的動作程度信息，以判斷當(dāng)前駕駛員對制動的強(qiáng)度需求.

整車控制器包含道路信息計(jì)算模塊、整車質(zhì)量計(jì)算模塊、道路數(shù)據(jù)存儲及歷史數(shù)據(jù)比對分析模塊、制動力需求計(jì)算模塊和制動力分配計(jì)算模塊.道路信息計(jì)算模塊主要計(jì)算當(dāng)前所行駛道路的經(jīng)緯度位置信息、道路坡長和坡度角信息，并轉(zhuǎn)換為控制器可用的定位參數(shù)；整車質(zhì)量計(jì)算模塊，通過當(dāng)前的載重量結(jié)合車速，計(jì)算車輛當(dāng)前制動動能的初始參數(shù)值；道路數(shù)據(jù)存儲及歷史數(shù)據(jù)比對分析模塊獲取位置參數(shù)后列表存儲并分析比對是否存在歷史數(shù)據(jù)，若有車輛行駛的歷史數(shù)據(jù)，則調(diào)用后得到該段道路的完整坡長坡道信息.整車需求制動力計(jì)算模塊則根據(jù)駕駛員加載在制動踏板上的力以及踏板開度計(jì)算駕駛員的制動強(qiáng)度意圖，結(jié)合當(dāng)前坡道勢能和車輛運(yùn)行動能，計(jì)算出整車需求制動力；計(jì)算出的整車需求制動力信息發(fā)送至制動力分配計(jì)算模塊，該模塊分析摩擦制動子系統(tǒng)和電機(jī)制動子系統(tǒng)所能提供制動力初始值和制動力范圍，并分配制動力至2個制動子系統(tǒng).

電機(jī)控制器主要包含有電機(jī)輸出計(jì)算模塊、動力電池SOC狀態(tài)參數(shù)預(yù)測模塊和電機(jī)輸出修正模塊.電機(jī)輸出計(jì)算模塊主要采集電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以此計(jì)算電機(jī)輸出功率.當(dāng)電機(jī)處于制動能量反饋工作時，可計(jì)算發(fā)電功率.動力電池SOC預(yù)測模塊根據(jù)電池輸出端的電壓和電流，通過計(jì)算來判斷當(dāng)前電池的荷電狀態(tài)SOC，以此作為電機(jī)發(fā)電的目標(biāo)判斷依據(jù).由于SOC的判斷受環(huán)境影響，SOC持續(xù)監(jiān)測、預(yù)測并進(jìn)行修正，因此設(shè)置有電機(jī)輸出修正模塊，根據(jù)SOC的監(jiān)測對電機(jī)的輸出目標(biāo)值進(jìn)行不斷修正.

3.2 控制方法

基于歷史數(shù)據(jù)融合復(fù)合制動控制方法主要解決電動汽車運(yùn)行，尤其是在山地道路行駛時保證制動強(qiáng)度與最大化能量回收的問題.當(dāng)電動汽車首次運(yùn)行于一段山地道路時，GPS/三軸陀螺儀會采集該路段所處的定位位置和長度，坡道的長度和坡度；信號采集單元同時記錄車輛坡頂?shù)某跛俣?，下坡時的車速變化、制動減速度，下坡后的末速度以及制動踏板力和開度；也采集電機(jī)在下坡過程中調(diào)整車速變化所需的功率(即電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩)，電池傳感器采集動力電池狀態(tài)參數(shù)變化量(以電壓和電流數(shù)據(jù)表征)，這3部分?jǐn)?shù)據(jù)在通信總線中完成信號傳輸并存儲.

當(dāng)電動汽車再次駛?cè)朐撀范螘r，GPS/三軸陀螺儀采集到的道路數(shù)據(jù)與已存儲的道路信息比對，如為已行駛過的道路，通過歷史數(shù)據(jù)即可知該下坡路段的長度坡度等完整信息，計(jì)算后即可得到該下坡路段的勢能，然后根據(jù)當(dāng)前的車輛載重量和車速，即可判斷車輛下坡的初始動能，最后再結(jié)合駕駛員踩踏制動踏板的強(qiáng)度，在需求制動力計(jì)算模塊內(nèi)計(jì)算出需求制動力值.

保證車輛制動安全性的前提為復(fù)合制動系統(tǒng)產(chǎn)生的制動力滿足需求.在此條件下，根據(jù)車輛參數(shù)首先計(jì)算出摩擦制動系統(tǒng)制動力輸出范圍、電機(jī)制動力輸出范圍，再基于駕駛員踩踏制動踏板的強(qiáng)度，以及電池荷電狀態(tài)SOC，將車輛制動工況劃分為緊急制動工況、再生制動工況、減速再生制動工況、減速工況和滑行再生制動工況.根據(jù)劃分的制動工況，復(fù)合制動系統(tǒng)各子系統(tǒng)輸出對應(yīng)制動力，合值為需求制動力.根據(jù)復(fù)合制動系統(tǒng)工作模式，設(shè)計(jì)復(fù)合制動控制方法控制流程，如圖4所示.

圖4 復(fù)合制動控制方法流程

4 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證對道路識別的準(zhǔn)確度以及復(fù)合制動系統(tǒng)控制方法的可靠性，首先利用搭載了GPS和三軸陀螺儀的實(shí)車，采集了4段坡度不大于10%，坡長在2 km以內(nèi)的道路定位數(shù)據(jù)和坡道數(shù)據(jù)，構(gòu)建多個下坡道路工況，并在Matlab/Advisor軟件中存儲為下坡循環(huán)工況試驗(yàn)環(huán)境.表1為建立的下坡制動工況.

表1 下坡道路制動工況

選用Advisor軟件中一款純電動汽車為仿真試驗(yàn)對象，并將構(gòu)建的下坡道路工況以及建立的復(fù)合制動控制方法存儲于該車的控制策略模塊中，路面附著系數(shù)為0.75.純電動基本參數(shù)為整車整備質(zhì)量1 584 kg，車輪半徑282 mm，傳動系數(shù)0.4，電機(jī)額定功率75 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，峰值轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，制動器制動效能因數(shù)0.9，摩擦因數(shù)0.02，制動盤有效半徑93.5 mm，前后輪制動力分配系數(shù)0.7.

在4段下坡道路中，通過歷史數(shù)據(jù)比對，對道路的經(jīng)緯度識別誤差在2 m以內(nèi)，對總坡長的識別誤差在5 m以內(nèi)，對坡度的識別誤差在5%以內(nèi)，說明車輛對歷史道路數(shù)據(jù)的識別精度較高.

選取下坡坡道工況3為典型道路模型，在初速度v0=50 km/h、電池初始SOC為40%的情況下，分別對車輛采取緊急制動、中等減速制動和輕度滑行制動等制動強(qiáng)度下進(jìn)行仿真，車輛仿真結(jié)果如圖5所示.

(a) 緊急制動

(b) 中等減速制動

(c) 輕度滑行制動圖5 不同制動強(qiáng)度下制動效果

純電動汽車采用道路歷史數(shù)據(jù)融合控制方法的復(fù)合制動系統(tǒng)制動效果，符合GB 12676《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能和實(shí)驗(yàn)方法》的要求，與原車制動系統(tǒng)仿真制動效果對比結(jié)果如表2所示.

表2 制動效果對比

通過對比試驗(yàn)可知，采用歷史數(shù)據(jù)融合的復(fù)合制動控制系統(tǒng)完成了復(fù)合制動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，滿制動效能滿足制動需求，并在確保制動安全性的基礎(chǔ)上，制動能量回饋效率在中等和輕度制動時有所增加，提高了整車經(jīng)濟(jì)性.

5 結(jié)語

本文針對純電動汽車在山區(qū)道路行駛過程中的制動效能問題，建立了一種通過多傳感器采集道路信息的復(fù)合制動系統(tǒng)，并根據(jù)計(jì)算得出的制動需求強(qiáng)度提出了制動工況劃分方法.根據(jù)復(fù)合制動系統(tǒng)在不同制動工況工作時的影響因素，制定了對應(yīng)的制動力分配策略，使復(fù)合制動系統(tǒng)在融合道路信息、車輛狀態(tài)及制動強(qiáng)度需求等信息的基礎(chǔ)上匹配相應(yīng)制動力，滿足車輛的制動要求.

本文控制方法僅采用了全局規(guī)劃的思路，并且實(shí)際車輛運(yùn)行過程中未計(jì)算道路路面附著系數(shù)變化帶來的制動影響.在后續(xù)的研究中，將結(jié)合全局規(guī)劃與動態(tài)規(guī)劃的控制策略，并將路面附著系數(shù)作為變量帶入，以進(jìn)一步提高車輛制動轉(zhuǎn)矩的控制精度，提升制動效能.