梁光成

電動(dòng)汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的AMESim仿真研究

梁光成

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710000）

電動(dòng)汽車的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)。電機(jī)制動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，技術(shù)較完備；傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可調(diào)，故需要開發(fā)電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)。因此，文章基于實(shí)驗(yàn)室電機(jī)臺(tái)架的參數(shù)，搭建了液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的AMESim仿真模型；且設(shè)計(jì)了PID控制器。仿真結(jié)果表明，所搭建的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)AMESim仿真模型對(duì)期望壓力的跟隨性較好，所設(shè)計(jì)的PID控制器能有效地改善液壓壓力的控制過(guò)程。整個(gè)模型具有較好的控制效果，為電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究提供了參考。

電動(dòng)汽車；電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)；AMESim仿真；電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)；PID控制器

引言

我國(guó)的汽車工業(yè)得到了飛速發(fā)展，越來(lái)越多的汽車走進(jìn)了普通人們的生活，方便了人們的生活，但是，同時(shí)也帶來(lái)了能源、環(huán)境等問(wèn)題。當(dāng)前我國(guó)全社會(huì)的石油消耗量巨大，其中汽車的占比最大；且我國(guó)為貧油國(guó)家，石油主要依靠大量進(jìn)口，這嚴(yán)重威脅了我國(guó)的能源安全[1]。所以，為了人們的身體健康和緩解我國(guó)的能源安全問(wèn)題，國(guó)家發(fā)布了“三縱、三橫”開發(fā)布局，大力發(fā)展新能源汽車[2]。該開發(fā)布局取得了巨大成功，新能源汽車（尤其是電動(dòng)汽車）在我國(guó)得到了快速發(fā)展[3]。

安全性是汽車的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，汽車的制動(dòng)性能直接影響行駛安全性[4]。電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)組成，稱為電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)（electro-hydraulic hybrid braking system, EHHB）。電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)，具有較多的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。電機(jī)制動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，技術(shù)比較完備；而要求液壓制動(dòng)可以隨電機(jī)制動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整，傳統(tǒng)液壓制動(dòng)無(wú)法滿足，故需要開發(fā)電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)，組成電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。

清華大學(xué)羅禹貢等[5]設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崟r(shí)模擬路面制動(dòng)力動(dòng)態(tài)變化的電動(dòng)汽車電液復(fù)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，主要包括電機(jī)制動(dòng)子系統(tǒng)、液壓制動(dòng)子系統(tǒng)、車輪模擬子系統(tǒng)等。吉林大學(xué)劉海貞[6]依托國(guó)家“863計(jì)劃”，采用高性能電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)傳統(tǒng)制動(dòng)主缸，并采用兩個(gè)豐田普銳斯ECB系統(tǒng)的 HCU作為壓力調(diào)節(jié)的主要部件，搭建了電液復(fù)合制動(dòng)臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)力的精確調(diào)節(jié)。Rosenberger M等[7]研究ABS功能介入時(shí)的電動(dòng)汽車再生制動(dòng)策略，制動(dòng)時(shí)由電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)總制動(dòng)力矩，而液壓制動(dòng)力保持不變。Robert J Campbel等[8]以中度混合動(dòng)力汽車為對(duì)象，提出了三種制動(dòng)力分配策略，并以城市循環(huán)工況為試驗(yàn)條件進(jìn)行仿真。長(zhǎng)安大學(xué)董昊軒等[9]以四輪轂獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于I曲線和ECE R13法規(guī)，提出了一種適用于前后軸采用不同性能輪轂電機(jī)的再生控制策略。該策略根據(jù)前后軸電機(jī)最大可用制動(dòng)力比值、按I曲線分配的前后軸制動(dòng)力比值、ECE R13法規(guī)限定的前后軸制動(dòng)力比值，劃分不同的制動(dòng)力最優(yōu)分配區(qū)域。

為了研究電動(dòng)汽車的制動(dòng)工程，本文基于實(shí)驗(yàn)室電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的參數(shù)（如表1所示），設(shè)計(jì)了電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，并基于該結(jié)構(gòu)在AMESim搭建了仿真模型，驗(yàn)證該方案的可行性，并基于PID算法設(shè)計(jì)了控制器，研究液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的工作過(guò)程。

表1 實(shí)驗(yàn)室電機(jī)的額定參數(shù)表

電壓/V電流/A功率/W轉(zhuǎn)速/r?min?1轉(zhuǎn)矩/N?m 48155003 0001.6

1 液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案

電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)制動(dòng)子系統(tǒng)、液壓制動(dòng)子系統(tǒng)和控制器等。其中，本文設(shè)計(jì)的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)主要包括液壓供給單元、液壓調(diào)節(jié)單元、液壓回流單元和控制單元等。

1.1 液壓供給單元

液壓供給單元用于給液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓，主要包括蓄能器、液壓泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)（在本文中合稱電機(jī)泵組合）、單向閥、截止閥和濾清器等。

工作時(shí)，由蓄能器提供高壓制動(dòng)液。當(dāng)蓄能器壓力過(guò)低時(shí)，由電機(jī)泵組合給蓄能器補(bǔ)充制動(dòng)液；當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到期望值時(shí)，電機(jī)泵組合停止工作，保持蓄能器壓力穩(wěn)定。

1.2 液壓調(diào)節(jié)單元

液壓調(diào)節(jié)單元接收來(lái)自液壓供給單元的高壓制動(dòng)液，并通過(guò)增壓電磁閥和減壓電磁閥調(diào)節(jié)液壓力的大小，然后制動(dòng)液推動(dòng)制動(dòng)輪缸的活塞，最后以摩擦力的形式作用于制動(dòng)盤上，產(chǎn)生液壓制動(dòng)力矩。

1.3 液壓回流單元

液壓回流單元的作用是將制動(dòng)液回流至儲(chǔ)液罐。當(dāng)蓄能器的壓力過(guò)高時(shí)，溢流閥開啟，制動(dòng)液通過(guò)溢流閥泄壓，并流至儲(chǔ)液罐，以備下次制動(dòng)時(shí)使用。主要零部件包括溢流閥等。

1.4 控制單元

控制單元接收制動(dòng)強(qiáng)度信號(hào)，然后輸出信號(hào)控制相應(yīng)的零部件工作，完成制動(dòng)。主要包括主控制器、各關(guān)鍵零部件的驅(qū)動(dòng)模塊和所需的傳感器等。

駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，控制單元接收到此時(shí)的制動(dòng)踏板信號(hào)，開啟增壓閥、關(guān)閉減壓閥，高壓制動(dòng)液通過(guò)增壓閥流至制動(dòng)輪缸，為增壓過(guò)程；駕駛員松開制動(dòng)踏板時(shí)，開啟減壓閥、關(guān)閉增壓閥，輪缸的高壓液壓通過(guò)減壓閥流出，最后回流至儲(chǔ)液罐，輪缸壓力下降，為減壓過(guò)程；當(dāng)制動(dòng)踏板保持不動(dòng)時(shí)，增壓閥和減壓閥同時(shí)關(guān)閉，輪缸壓力保持不變，為保壓過(guò)程。

2 PID控制算法

本文選擇PID控制器作為液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的相關(guān)控制器。本文通過(guò)控制增壓閥和減壓閥來(lái)控制系統(tǒng)的壓力，采用PWM控制電磁閥的工作過(guò)程。理想狀態(tài)下，當(dāng)PWM為高電平時(shí)，電磁閥開啟，液壓壓力變化；當(dāng)PWM為低電平時(shí)，電磁閥關(guān)閉，液壓壓力不變。PWM占空比影響閥口的平均開度，閥口的平均開度決定液壓的壓力增長(zhǎng)速率，所以可通過(guò)控制PWM信號(hào)來(lái)控制輪缸的壓力。

對(duì)于本文的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，期望壓力作為系統(tǒng)的輸入量，輪缸壓力作為其最終輸出量。但是PWM占空比與輪缸壓力之間并沒(méi)有明確的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此以輪缸壓力和期望壓力之間的偏差作為PID控制器的輸入變量，調(diào)整偏差量和PWM占空比之間的關(guān)系。本文的PID控制過(guò)程通過(guò)不斷調(diào)節(jié)控制器中的PID相關(guān)參數(shù)值而進(jìn)行。其中，PID 控制器參數(shù)中的比例系數(shù)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，積分系數(shù)影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分系數(shù)影響系統(tǒng)誤差的變化率[10]。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的EHB方案的可行性和PID控制器的控制效果，本文在AMESim中搭建相應(yīng)的模型進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖1所示。

圖1 基于AMESim的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)仿真模型

3.1 階躍響應(yīng)試驗(yàn)

當(dāng)電磁閥開啟時(shí)，液壓壓力產(chǎn)生變化（增壓或減壓）；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，液壓壓力不變。

基于圖1所示的AMESim仿真模型，進(jìn)行階躍響應(yīng)試驗(yàn)，以觀察該模型的壓力響應(yīng)速率。且本文液壓制動(dòng)子系統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)室的小型電機(jī)臺(tái)架，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩較小，僅為1.6N?m，所以需求的液壓制動(dòng)力較小。故本文設(shè)置壓力變化過(guò)程的范圍為0～4 bar，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 階躍響應(yīng)曲線

由圖2可知，本文的壓力響應(yīng)過(guò)程比較緩慢，大概需要1 s，且保壓過(guò)程中壓力存在波動(dòng)，但波動(dòng)不大，總體上對(duì)期望壓力的跟隨效果較好。且考慮到本文試驗(yàn)臺(tái)架的需求液壓制動(dòng)力很小，所以液壓制動(dòng)子系統(tǒng)可以滿足制動(dòng)需求。

3.2 正弦跟隨試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文液壓制動(dòng)子系統(tǒng)模型對(duì)期望壓力的跟隨性，本文進(jìn)行正弦跟隨試驗(yàn)，得到的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 正弦跟隨仿真試驗(yàn)曲線

圖3中，0～0.6 s為壓力響應(yīng)階段，期間壓力增長(zhǎng)較快，快速達(dá)到期望壓力；之后的為對(duì)期望壓力的跟隨過(guò)程。由此可知，液壓制動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)期望壓力整體的跟隨性較好，有較好的控制性能，可以滿足系統(tǒng)對(duì)液壓壓力的需求。

3.3 加入PID控制器的階躍響應(yīng)過(guò)程

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的PID控制器的效果，在階躍響應(yīng)試驗(yàn)中加入PID控制器，觀察對(duì)試驗(yàn)的影響，并分析仿真試驗(yàn)結(jié)果。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 加入PID控制器的階躍響應(yīng)曲線

由圖4可知，加入PID控制器后的增壓過(guò)程為0.8 s，相比于無(wú)PID控制器的增壓過(guò)程，增壓速率有顯著的提高；且保壓過(guò)程中，加入PID控制器后的壓力波動(dòng)較小。

所以，綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的PID控制器可以較有效地改善液壓壓力的控制過(guò)程，有良好的控制效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

電動(dòng)汽車的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)制動(dòng)和液壓制動(dòng)組成，電機(jī)制動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，技術(shù)比較完備；對(duì)于液壓制動(dòng)，傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)已無(wú)法滿足對(duì)壓力調(diào)節(jié)的需求，需要開發(fā)線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)。故本文為了更好地研究復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，基于實(shí)驗(yàn)室電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)計(jì)了液壓制動(dòng)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，并基于該方案搭建了AMESim仿真模型；除此之外，還設(shè)計(jì)了PID控制器以改善系統(tǒng)的控制效果。仿真結(jié)果表明，所搭建的液壓制動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)期望壓力的跟隨性較好，所設(shè)計(jì)的PID控制器可以有效地改善液壓壓力的控制過(guò)程，整個(gè)AMESim模型具有較好的控制性能，驗(yàn)證了該液壓制動(dòng)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的可行性，為后續(xù)試驗(yàn)臺(tái)架的硬件搭建提供了思路，對(duì)電動(dòng)汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的研究有一定的參考價(jià)值。

[1] 消費(fèi)日?qǐng)?bào)網(wǎng).面對(duì)三個(gè)“70%”挑戰(zhàn),加速發(fā)展新能源汽車勢(shì)在必行[EB/OL]. (2020-09-10)[2021-06-01]http://www.xfrb.com.cn/arti- cle/cxxf-ny/10105395362449.html.

[2] 國(guó)務(wù)院辦公廳.國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）的通知[R/OL].(2020-11-02)[2021-06-01] http:// www.gov.cn/zhengce/content/2020-11/02/content_5556716.htm.

[3] 太陽(yáng)能電動(dòng)汽車網(wǎng).截止2020年底全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)492萬(wàn)輛[EB/OL]. (2021-01-09)[2021-06-01]https://m.tyncar.com/vev- aid-809645.html.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].第5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990:89-90.

[5] 羅禹貢,李深,周磊,等.電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)[J].汽車工程,2012, 34(04): 351-355.

[6] 劉海貞.新型電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)及其控制方法研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2018.

[7] Rosenberger M, Uhlig R A, Koch T, et al. Combining regenerative braking and anti-lock braking for enhanced braking performance and efficiency[R]. SAE Technical Paper, 2012: 118-122.

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[9] 董昊軒,郭金剛,閆寬寬.輪轂電機(jī)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2017(11):1778-1784.

[10] 李燦華.基于EMB 的汽車制動(dòng)控制研究[D].重慶:重慶大學(xué), 2015.

AMESim Simulation Research on Electro-hydraulic Hybrid Braking System of Electric Vehicle

LIANG Guangcheng

( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

The electro-hydraulic hybrid braking system of electric vehicles includes motor braking and hydraulic braking. The actuator of the motor braking system is the drive motor, and the technology is relatively complete. The traditional hydraulic braking system cannot achieve real-time adjustment, so it is necessary to develop EHB (electronic-hydraulic braking) system. Therefore, based on the parameters of the laboratory motor bench, this paper builds the AMESim simulation model of the hydraulic braking subsystem; and designs the PID controller. The simulation results show that the EHB subsystem AMESim simulation model follows the expected pressure well, the PID controller can effectively improve the hydraulic pressure control process. And the entire model has a good control effect. It provides a reference for the research of Electro-Hydraulic Hybrid Braking system.

Electric vehicle; Electro-hydraulic hybrid braking system; AMESim simulation; Electronic-hydraulic braking system; PID controller

U469.72

A

1671-7988(2021)20-41-04

U469.72

A

1671-7988(2021)20-41-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.011

梁光成（1995—），男，長(zhǎng)安大學(xué)車輛工程碩士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。