基于轮毂电机和液压复合的电动汽车重载制动

杨慧荣

（河南工业贸易职业学院汽车工程学院， 河南 郑州 451191）

1 研究背景

随着新能源汽车的推广， 车辆制动技术也获得了不断升级， 现阶段通常是综合运用液压制动与再生制动的方式来构建复合制动系统， 由此实现对电动汽车进行高效制动的效果[1-4]。 余卓平等[5]从电机的发电效率层面进行分析， 以总电机效率最高作为控制目标确定了电机力的最佳分配系数， 构建得到了复合制动经济性的最优方案， 经仿真测试发现对续驶里程的贡献率从14.1%增大到了15.5%。 邬松等[6]构建了由高速开关电磁阀构成的电控制动阀，之后利用Simulink 完成实际控制性能的仿真分析。可明显发现， 设置复合制动回路后， 车辆在制动阶段形成了更短时间的压力响应， 有效满足了差动制动要求[7-8]。 根据液压制动系统运行原理设计了更优的控制结构， 对各部分相互作用方式进行了深入分析。 之后为液压系统与再生制动系统构建了仿真模型， 设计了可满足复合制动需求的协调控制方案。

2 轮毂电机电动汽车制动系统

1） 轮毂电机电动汽车制动系统结构。 图1 为电动汽车轮毂电机和液压复合制动系统结构。 由图1 可知， 复合制动系统包括液压制动与再生制动系统以及相应的控制器。 具体制动过程如下:在汽车开始进入制动状态时， 踏板传感器检测到驾驶员的制动意图后， 再利用电子控制单元计算得到目标制动力矩。 再生制动系统通过计算目标制动力矩跟液压制动力矩分配比差异性， 再为各个嵌入轮毂电机设置再生制动力矩。 之后控制液压制动系统根据轮缸压力参数与轮缸实测压力对比的结果， 得到需补偿的液压制动力矩， 再利用液压调节部件进行液压阀开度调节， 从而完成对制动主缸压力的调节过程，为制动轮缸提供补偿作用， 以此达到对各轮缸进行液压制动实时调节的目标。

图1 电动汽车轮毂电机和液压复合制动系统结构

2） 液压制动模型。 针对系统动力学控制过程构建仿真模型时， 需对液压制动系统进行简化处理， 构建得到液压制动系统模型表达式为

式中： Pm为主缸压力； Pw为轮缸的压力； Pr为低压蓄能器等效液压； Ce为等效液容。

为等效阀口设置了特定控制信号， 使其处于通断状态， 由此实现液压系统的控制功能。

3 重载制动工况分析

在制动强度z≤0.1 的情况下， 属于轻度制动状态。 上述工况的制动减速度较小， 因此只产生很小的制动力矩。 在最大再生制动力矩达到或超过目标制动力矩的时候， 液压制动系统不再发挥制动效果， 此时达到了与目标值相同的实际再生制动力矩。 如果最大再生制动力矩比目标制动力矩更小时， 则再生与液压制动系统共同发挥制动作用， 此时再生制动力矩达到最大再生制动力矩状态， 液压制动力矩则根据目标值和再生制动力矩之间的差值进行调整。 表1 为车辆模型的各部件控制参数。

表1 车辆模型的各部件控制参数

进行轻度制动时， 车辆初速度为40 km/h， 此时制动强度为0.1， 路面可以提供所需附着系数。 图2为重载下车速随时间的变化曲线。 图3 为重载下制动减速度随时间的变化曲线。 图2 与图3 给出了重载条件下不同时间对应的车速以及制动减速度变化。

图2 重载下车速随时间的变化曲线

图3 重载下制动减速度随时间的变化曲线

根据图2 可知， 车速最初为11.1 m/s， 在相对稳定的制动作用下， 减速度保持基本恒定状态， 因此车速按照接近线性方式降低， 到10.18 s 时达到0。 对图3 进行分析可以发现， 制动减速度由最初的1.17 m/s2发生缓慢降低直至达到1.06 m/s2。 对单轮进行动力学分析可知， 制动阶段车速发生逐渐减小， 因此滚动过程受到的摩擦与空气阻力也发生降低， 引起制动减速度也发生略微下降。

根据以上研究结果可知， 处于轻度制动状态下， 采用协调控制方案时， 处于前期再生制动过程中系统可以为车辆制动过程提供所需的目标制动力矩， 能够满足制动性能要求， 此时再生制动系统可以保持单独制动状态。 进入轻度制动的后续阶段时， 当轮毂电机转子转速减小后， 轮毂电机可以达到的最大再生制动力矩也发生了降低， 在目标力矩超过最大再生制动力矩的情况下， 液压制动系统也开始发挥制动效果。 在确保制动安全性满足要求的条件下， 应尽量使协调控制策略能够利用再生制动系统进行制动， 从而获得更高的能量利用率。

4 结束语

一方面， 处于轻度制动状态下， 采用协调控制方案时， 处于前期再生制动过程中系统可以为车辆制动过程提供所需的目标制动力矩。 另一方面， 进入轻度制动的后续阶段时， 当轮毂电机转子转速减小后， 轮毂电机可达到的最大再生制动力矩也发生了降低， 液压制动系统开始发挥制动效果， 应尽量使协调控制策略能够利用再生制动系统进行制动。