考虑再生制动的线控电制动系统防滑控制策略研究.pdf

2023 年 30 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application考虑再生制动的线控电制动系统防滑控制策略研究张利芬（芜湖职业技术学院 汽车与航空学院，安徽 芜湖 241006）汽车行业技术变革日新月异，呈现出“电动化、智能化、网联化、共享化”的新发展格局。目前市场上的纯电汽车，采用传统的电子液压制动系统，技术成熟，应用广泛，但液压传动存在响应慢、重力大、易泄露等明显缺陷1，并不能满足智能化和网联化的发展要求。在新能源汽车中，线控电制动防滑控制系统可以实现更加精确的制动控制，并且可以利用电能实现制动能量的回收和再利用，从而提高车辆的续航能力。此外，该系统还可以与车辆稳定性控制系统、自动驾驶技术等相结合，提高车辆的操控性能和安全性。在此背景下，本文提出线控电制动系统，取消传统液压传动结构，车轮制动器的制动力由独立电机提供，该独立电机提供摩擦制动力，可与驻车电机分时共用，下文统一称摩擦制动电机。摩擦制动与驱动电机产生的再生制动构成行车制动的全部制动力。另外，引入线控技术控制制动电机工作，一方面借助先进的电机控制技术2，可以实现对制动力的高精度、高稳定性和高灵敏性控制，提高汽车制动防滑控制效率，从而提高车身稳定性控制；另一方面，通过线控技术对再生制动和摩擦制动比例协调控制更加灵活，有利于提高制动能量回收率3。1制动力分配控制线控电制动防滑控制系统的工作原理是利用电信号控制制动器，以实现车辆的制动。当驾驶员踩下制动踏板时，制动指令会通过电线传输到制动器，制动器会立即进行制动。这种制动方式可以有效避免车辆制动过程中的滑动和打滑现象，从而提高制动效率和安全性。在制动过程中，由于汽车四轮轮重不一定均等，所以每个车轮最大附着力也不相等，一般情况汽车左右重力比较对称，本文主要研究前后制动力分配比例。对于整车而言，每一种前后制动力分配比值，都对应一种同步附着系数，汽车在该附着系数的路面上紧急制动时，能实现前后轮同时抱死的理想状态，在这种状态下，前后轮的附着条件的利用率最高。这样就可以使每个车轮在抱死前都能发挥出最大制动潜力，从而提高整车附着利用率，缩短制动距离，提高行车安全。基金项目：安徽省优秀青年骨干教师国内访学研修项目（gxgnfx2021189）；芜湖职业技术学院校级自然重点科学研究项目（wzyzrzd202207）；校级教育教学改革研究项目（2022jyyb13）作者简介：张利芬（1989-），女，硕士，讲师。研究方向为汽车电控。摘要：为顺应汽车电动化、智能化的发展需求，该文提出线控电制动系统，为提高车辆整体制动性能，围绕着整车“利用附着系数最大化”和“能量回收率最大化”的双重目标展开，探究再生制动和摩擦制动混合作用下线控电制动系统的防滑控制策略，主要研究内容为基于四轮制动力分配的动态防滑控制和再生制动能量回收控制。关键词：线控；电制动；防滑控制；制动系统；智能化中图分类号院U469.72文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤30-0026-04Abstract:In order to meet the development needs of electrification and intelligence in automobiles,this article proposes a wirecontrolled electric braking system.In order to improve the overall braking performance of the vehicle,the dual goals of maximizingthe utilization of adhesion coefficient and maximizing energy recovery rate are explored,and the anti slip control strategy of thewire controlled electric braking system under the combined effect of regenerative braking and friction braking is explored,The mainresearch content includes two parts:dynamic anti-skid control based on four-wheel braking force distribution and regenerativebraking energy recovery control.Keywords:wire control;electric braking;anti-skid control;automobile electrification;intelligentizeDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.30.00726-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 30 期根据 ECE 制动法规规定：当制动强度 z 为 0.2耀0.8时，要求4-5，（1）式中：渍f，渍r分别为前、后轴利用附着系数，z 为制动强度。由式（1）可知，车轮利用附着系数与制动强度成正比，且后轮利用附着系数应小于前轮，即优先防止后轮抱死。本文主要研究内容为制动控制策略，在研究汽车线控电制动时不计空气阻力、车轮滚动阻力及横向惯性力对车轮垂向载荷的影响。简化后的车身模型如图 1 所示，其中 L 为轴距，G 为质心位置，La、Lb、hg分别为质心离前轴距离、质心离后轴距离和质心离地高度。图 1车身简化模型假设前、后轮轴重分别为 Ff和Fr，前、后轮的地面制动力分别为 Fbf和Fbr，根据利用附着系数定义及汽车受力平衡可得，（2）式中：茁 为前、后轮的制动力分配比例，将式（2）代入式（1）可得。（3）为得出前、后制动力分配比例的特性曲线，设定汽车质量及相关几何参数见表 1。表 1汽车参数设定将表 1 中的设定参数值代入式（3）中，得出在满足ECE 制动法规条件下，前、后制动力分配系数 茁 控制的3 条边界曲线，如图 2 所示。如图 2 所示，曲线 2 为能实现前后轮同时抱死的理想分配值曲线，曲线 1 和曲线 3 分别为前、后轴制动分配系数值的上、下极限值。另外，在介于曲线 1 和曲线 2 之间时，可保证始终是前轮先于后轮抱死，汽车失去转向控制，但依然处于稳定行驶工况。因此，在进行前、后制动力分配比例控制时，为保证制动安全，制动力分配比例值应始终位于曲线 1 和曲线 2 之间。同时，为保证足够的制动效能，制动力分配比例值应尽量靠近曲线 2。图 2制动力分配曲线2前后制动力分配控制方案的确定紧急制动时，最理想制动状态是前后轮同时达到抱死边缘。能实现这一状态的路面附着系数称为同步附着系数。对于一种分配比例只有一种对应的同步附着系数，也就意味着某一固定比例的制动系统只有在一种路面上能实现理想制动状态。这一固定的比例用茁0表示，对应的同步附着系数用 渍0表示，则式（4）中 L、Lb和 hg的含义与上文相同。项目项目 值值 整车质量m/kg 633 轴距L/mm 1 359 车身质心高度hg/mm 220 质心到前轴距离a/mm 623 质心到后轴距离b/mm 736 车轮半径r/mm 150 00bgLLhbj，（4）()(1)()bfffbgbrrragFzLFLzhFzLFLzhbjbj()0.070.85()0.0710.85()bgagbgLzhzzLLzhzzLLzhLbbb 0.070.850.070.85frrfzzjjjj LGLaLbhg10.90.80.70.60.5O.40.20.30.40.50.60.70.80.91曲线 3曲线 2曲线 1制动强度 z27-2023 年 30 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application前、后轮同时达到抱死边缘时，汽车能实现的制动强度为 z，根据汽车理论知识，此时的制动强度 z 与同步附着系数 渍 相等，为达到理想的制动效果，控制器便将该附着系数设置成目标值，动态调节前、后制动力比例值 茁，则根据式（4）得出 茁 的控制方程应为：当汽车制动强度需求为 z 时，用 FB表示所需的总制动力，则3基于四轮制动力分配的动态防滑控制方案根据汽车 ABS 控制原理，汽车制动防滑控制的主要内容为滑移率控制。车轮与路面的纵横向附着系数会随滑移率的动态变化而变化。用 uB和uS分别表示纵、横向附着系数。当纵向利用附着系数uB达到最大值时，对应的滑移率称为最佳滑移率，此时制动效能最高。此时制动距离的计算公式为式中：u初为汽车初始速度。而横向附着系数直接决定车辆的侧向抗干扰能力，兼顾制动效能和制动时车辆的操纵稳定性，防滑控制应能保证滑移率处于 15%20%。通过动态调节制动力大小使滑移率在最佳区间内波动，保证车轮不抱死的前提下发挥最大制动效能。根据以上分析，以单侧前轮为例，拟定控制流程如图 3 所示。图 3防滑制动控制流程图对于纯电驱动电动汽车，续航为评价电动车性能的核心指标之一。由于电机能量转化的可逆性，在制动过程中，提高制动能量的回收率不仅能提高整体续航，也能减少车轮制动器的产热量，提高制动器使用寿命，同时由于再生制动的可控性，可以提高制动力控制的灵活性，所以在制动防滑控制过程中为综合考虑制动性能和能量回收率，对于制动力 FZ的控制不仅涉及到摩擦制动电机，同时也涉及到再生制动电机，即驱动电机。再生制动也可以通过调整滑移率来影响制动防滑控制。在制动时，如果滑移率控制得当，可以减少轮胎的磨损，提高制动效率，同时避免出现侧滑等失控情况。一般来说，电动汽车再生制动的滑移率控制是通过电控刹车器实现的。电动汽车采用纯电、混动或轮毂电机驱动等不同的动力模式，其制动电机控制方案也有不同，后期可根据具体实例做进一步研究。4再生制动能量回收控制以满足防滑控制为前提，制定制动能量回收控制方案，再生电机在施加再生制动力时输出电功率用 Pe表示，则Pe=P1-Pmec-PFc-nI2R，（8）式中：P1为输入机械功率，Pmec-PFc-nI2R 为功率损耗。当输入功率不及电机损耗功率时，电机处于耗能状态。再生制动能量回收，与再生制动比例 籽 的关系，制动能量回收率计算如图 4 所示。图 4能量回收计算方案根据式（8）可知，影响制动能量回收率的主要因素有：1）电机特性。本文所选用的永磁同步电机，无励磁22BuSu g初制动距离（），（7）gz hbLb。（5）()BgmLbgFmzghb。（6）云B越皂扎早；茁越扎 澡g垣遭L；云扎越12茁皂扎早输出 Sz开始信号采集装置：制动强度 扎，汽车初速度 增c。整车制 动器计算 目标制动 力及 制 动 力 分 配制动距离 杂z越v2c2zg信号采集装置：制动强度扎，汽车初速度增c。生制动力分配比例籽轮毂电机充电功率:Pe=8.882姨K npjn60 渍f is能量回收率着=2乙Pedtm（v2c-v2）=2Pe tm（v2c-v2）输出 着，输出 Sz开始28-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 30 期损耗，电机工作时相比于交流异步电机而言，同等条件下，能量回收率较高。2）储能装置。电池的荷电状态 SOC（System onchip）、电池的充电性能等会影响电机再生能量的提取和储存。电池的充电特性参数需与电机的输出特性参数匹配。另外，一般情况下，只有当蓄电池 SOC 处于特定范围时才具备比较良好的充电性能。3）制动工况。车速与制动强度会直接影响制动能量回收的效果，不同车速的制动工况，能量消耗区别很大，比如在城市行驶环境中，由于制动频率高、制动强度适中，能量回收效果比较好；在车流量较小的国道低速行驶，因为车速较低，制动强度较小，可选择较大的再生制动比例，具备最佳的制动能量回收效果；在高速公路行驶环境中，制动频率低、制动强度大，此时由于再生制动具有延迟性，为满足制动安全的首要条件，再生制动比例较小，从而导致能量回收效果较差。此外，路况、天气、温度等自然环境条件对汽车制动回能的回收也都有影响，不过相对较小。当然，影响能量回收效率的最关键因素还是制动力控制和能量管理控制的问题，能否同时实现“利用附着系数最大化”和“能量回收率最大化”的双重目标关键在于制定合理的再生制动比例控制方案。5结束语能否同时取得高制动效能和制动安全的关键是制定合理的防滑控制方案，为把握此关键，本文在制动打滑的理论分析基础上，得出车辆制动防滑控制目标，进而拟定制动力分配比例控制和车轮防滑控制方案，并在此基础上优化再生制动比例，以满足制动防滑控制要求为前提，制定再生制动能量回收控制方案。为后续仿真模型的建立做理论基础。参考文献院1 刘海贞.新型电子液压制动系统及其控制方法研究D.长春：吉林大学，2018.2 刘梦琪.异步电机低速电制动控制J.电机与控制应用，2022，49（1）：34-38.3 张利芬.轮毂驱动电动汽车线控电制动控制策略研究D.芜湖：安徽工程大学，2018.4 余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社，2011：59-76.5 SHIN M.Motion control of micro-scale electric vehicle byDYC considering lane marker information C/The 8th IEEEInternational Workshop on Advanced Motion Control，2004：47-52.1 060 K，在设计限值范围内，满足设计准则。方案进一步计算了 3 种热管单点失效情况，燃料最高温度分别为 1 110、1 160 和 1 130 K，均满足燃料最高温度限值1 170 K，满足热管冷却反应堆的系统固有安全性要求。3结束语本文提出了一套基于低浓铀铀钼合金燃料采用热管冷却快堆、自由活塞式斯特林发电机热电转换、功率40 kWe、适用于月球基地的核电源堆芯方案，并重点针对反应堆模块，展开了方案选型、物理特性参数分析、特殊临界安全分析和热工计算分析等工作。计算分析的结果表明，本方案中设计的反应堆堆芯可以满足各项设计指标和准则，具有安全可靠、技术成熟度高等特点。参考文献院1 于志坚，李海涛.月球与行星探测测控系统建设与发展J.深空探测学报（中英文），2021，8（6）：543-554.2 苏著亭，杨继材，柯国土.空间核动力M.上海：上海交通大学出版社，2016.3 伍浩松，赵宏.全球在减少高浓铀使用领域获得丰硕成果J.国外核新闻，2020（4）：1-2.4 Memorandum on the National Strategy for Space NuclearPower and Propulsion（Space Policy Directive-6）R.TheWrite House，2020.5 侯可可，林俊，严超，等.一种铀钼铌合金燃料芯块及其制备方法以及应用：CN114350997AP.2022.6 余红星，马誉高，张卓华，等.热管冷却反应堆的兴起和发展J.核动力工程，2019，40（4）：1-8.7 庄乃亮，宋永念，汤晓斌，等.一种堆芯结构及空间核反应堆：CN114628050AP.2022.8 Fission Surface Power Team.Fission surface power systeminitial concept definitionR.NASA/TM-2010-216772，2010.渊上接 25 页冤29-