新能源汽车液压制动力的优化分配与控制.pdf

液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.004新能源汽车液压制动力的优化分配与控制董艳艳（烟台汽车工程职业学院，山东烟台2 6 550 0）摘要：为进一步改善新能源汽车液压制动系统的安全性与节能性，提出一种多通道的分布式制动力控制方案，对不同工况下的并行和分时控制响应效果进行仿真分析和试验研究。在液压制动系统内增加能量回收单元，基于台架测试得出不同控制方式下的活塞位移和液压缸的输出特性。通过CarSim软件建立整车及制动系统模型，得出直线和转弯制动下的减速特性、轮缸压力和车身横摆响应。结果表明，并行控制下的弯道制动和分时控制下的直行制动具有良好的应用效果，利于车辆本身的节能降耗和液压缸响应速率的提升。关键词：新能源汽车；液压系统；制动；能量回收；数值仿真中图分类号：TH137Abstract:In order to further improve the safety and energy-saving characteristics of the hydraulic braking system of new energy vehicles,amulti-channel distributed braking force control scheme is proposed.Simulation analysis and experimental research are carried out on theresponse effects of parallel and time-sharing control under different working conditions.The energy recovery unit is added in the hydraulicbraking system,and the piston displacement and the output characteristics of the hydraulic cylinder under different control modes are obtainedbased on the bench test.The vehicle and braking system model are established by Car Sim Software,and the deceleration characteristics,wheel cylinder pressure and vehicle body yaw response under straight-line and turning braking are obtained.The results show that the bendingbraking under parallel control and the straight braking under time-sharing control have good application effects,which are conducive to theenergy saving and consumption reduction of the vehicle itself and the improvement of the response rate of the hydraulic cylinder.Key words:new energy vehicles;hydraulic system;braking;energy recovery;numerical simulation0引言在工业技术飞速发展和应用的背景下，新能源汽车在智能驾驶 和安全驾驶2 等方面均取得显著成效。随着汽车行业及领域对安全性、智能化和绿色可持续发展需求的提升，节能3、环保成为当前新能源汽车最重要的创新与发展方向。液压制动系统作为新能源汽车最重要的组成部件之一，在制动过程将消耗大量的机械能，这些损失的能量将大部分以热量的形式散失到空气中。液压制动力的合理控制，不但能够有效降低能耗,而且利于行车安全。目前,诸多新能源汽收稿日期：2 0 2 2-0 8-12基金项目：山东省自然科学基金（ZR2021QE204）作者简介：董艳艳（198 1-），女，山东烟台人，讲师，硕士，研究方向为新能源汽车，液压制动等。20文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 2 0-0 4Optimal Distribution and Control of Hydraulic Braking Force forNew Energy VehiclesDONG Yan-yan(Yantai Automotive Engineering Career Academy,Yantai 265500,China)车的制动系统仍采用传统的驾驶员脚踏力与传动系统的机械耦合作用实现制动力的硬性调节，对于参数反馈和能量回收4-5 的控制存在一定的不足和缺陷，特别是在紧急制动过程中，容易造成较大的能量损失和故障率,不利于行车安全。为此,本研究针对某小型新能源汽车的液压制动系统特点，提出一种多通道的分布式控制方案，能够对当前的制动力进行合理的匹配与调控,不但能够改善制动平稳性,而且可以降低机械能的损失，改善新能源汽车的节能环保效果。1液压制动控制策略1.1液压系统结构改进新能源汽车中液压制动系统的输出响应特性一般通过电控与液压元件进行综合控制。为提升能量利用率,在初始液压控制系统内，增加能量回收单元,并匹Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023配和对应驱动机构7 ,不但能够拓展液压载荷的响应1.3并行控制方式能力,而且降低制动过程中元件失效的可能性。充分并行控制是指不同轮缸载人不同的压力，使得轮考虑液压制动系统容差不足的情况，改用线性比例电轴输出的制动压力显著不同。由于紧急制动往往连带磁阀作为制动缸油液压力输出的主控元件。同时，扩着转弯避让操作，因此车身在制动过程中位姿是动态展压力检测与控制通道，确保制动力的响应目标具有变化的,该工况对于并行控制具有良好的匹配效果，有较高的准确性和可靠性。液压制动系统的结构原理如利于保持车身的稳定性。在液压制动器的台架测试台图1所示，可以看出，多路电磁阀均为并联结构，蓄能中,设置左前轮编号为1,右前轮编号为2。根据并行器与控制器采用直连方式结合，从而进一步降低能量控制原理对电磁阀进行定义，并将检测数据进行滤损失。根据液压传递性可知，该液压结构对于紧急制波10 和线性化处理,最终得出活塞位移和液压缸的输动工况有着较高的响应效率,结合隔离电磁阀8 的功出特性,如图2 所示。从活塞位移控制曲线中可以看效，能够实现多种不同的控制形式，满足不同运载条件出：ti时刻开始制动,在t到ts时间段内,制动缸1的和工况对制动力矩的要求。活塞位移先递增后保持，制动缸2 的活塞位移始终处于保持状态;随后继续增大活塞1的位移,在t，时刻，活塞2 的位移也随之增大,直到t6时刻。该过程为实HM86102sHHM971.制动脚踏2.液压缸3.蓄能器4、5.双侧轮缸6、7.压力传递机构8、9.双侧电机10.终端检测控制器S/U.脚踏位移传感器P/U.制动压力传感器图1液压制动系统的结构原理1.2整体控制方案设计小型车辆一般选用液压盘式制动器，相比鼓式制动有着更好的散热性能，而且液压推杆能够使得制动力矩的响应更快。根据液压制动系统的改进方案可知,液力控制被设计为分布式结构，即每个轮毂均有单独的控制输入端，能够针对汽车行驶状态进行动态响应并分配不同的制动力矩。在盘式制动器中，该控制方案有着良好的线性效果,对于能耗的利用率较高,而且利于车身位姿状态的保持，进而降低惯性力的负面影响。对于新能源汽车，整个液压制动系统可设置为多种控制方案，根据路面的坡度和弯度实现制动力的自行调节。在电控与液压元件进行综合控制条件下，为提升制动安全性,应确保4个轮轴中有单个以上的轮缸压力不低于目标值,否则难以在短时间内获取较大的增压速率，从而实现较大的制动力输出。作为液压制动的两种常见工况，紧急制动和匀速制动对于轮轴制动力的要求有着显著的区别。因此,将分布式控制结构分为两种形式：并行控制和分时控制，分别应用在两种不同的制动条件。际的活塞行程曲线，活塞位移控制是液压缸内部压力的体现,与液压缸压力输出特性是对应的。从液压缸压力控制曲线中可以看出：当执行紧急制动操作时，电磁阀将在极短的时间内响应，使得制动缸和轮缸的压力均急剧增大，而且液压缸1的压力大于液压缸2；在蓄能器作用下，部分轮缸压力转换为中间能量进行存储，此时在PWM调节作用下，制动缸1仍能够保持良好的稳定状态；当紧急制动接近完成时，蓄能器将释放能量,轮缸1为减压状态，轮缸2 则为增压状态。整个过程控制精准，蓄能器在液压系统中的串联度良好,不会影响其他液压元件的响应效率。活塞位移1(a）活塞位移控制曲线压力！制动缸(b)液压缸压力输出曲线图2 并行控制输出特性在并行控制条件下,液压制动力所消耗的功相对较大，但是易于控制，可避免单个轮轴制动力矩不足的情况,在紧急制动工况中有着良好的应用效果。为进一步提升蓄能器对于能量的处理效率,可在正常行驶状态下预置液压缸为不同的压力源。在多通道线性电磁阀的协同作用下，制动力能够持续保持在较高的状态。21制动缸1制动缸2t41tsit4tstto时间制动缸2轮缸2轮缸1时间，液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期1.4分时控制方式对于新能源汽车而言，制动压力较小的匀速或减速制动是车辆运行过程中更为普遍的行驶条件。为更有效地实现该条件下的能量回收，提出采用分时控制方式。分时控制是指对工作缸实施分时段压力调节，因此需要改进油压控制管路。在并行控制基础上，分时段调整压力稳定性，可进一步提升车辆自身稳定效果。在电机辅助情况下,需要考虑电机调速特性11 对压力的响应效果。在系统中，采用软控方式设置不同液压缸同步进行压力的递增或递减，在弱化制动噪声方面也有明显的作用。在两前轮液压缸活塞行程一致的条件下，可测试得出压力控制曲线，如图3所示。可以看出：活塞往复运动的稳定性良好，控制精度非常高；轮缸与液压缸内的压力输出表现出明显的一致性，而且压力峰值相同；在t到t3阶段，为蓄能器充能阶段,轮缸压力低于液压缸;t4到ts阶段,为蓄能器放能阶段,轮缸压力大于液压缸。管路电磁阀在t时刻开始动作,到t时刻改变状态，保持关闭状态。分时控制的优势主要体现在t4时刻之后，此时活塞性能逐渐降低，在分时减压条件下，车辆能够充分节约能量的前提下完成下坡匀速制动或减速制动。活塞位移i2(a）活塞位移控制曲线压力制动缸1231(b）液压缸压力输出曲线图3分时控制输出特性2控制方案仿真与对比分析2.1直直线行驶工况为研究两种控制方案对于制动效果的差异性，通过CarSim仿真软件建立整车及制动系统模型，定义不同工况条件和液压缸输入参数，进而求解出车辆制动过程中的速度与液压缸内腔压力时域变化规律。设置车辆的初始速度为4 m/s,车轮与地面的动摩擦系数为0.45。在直行条件下，可得出并行控制与分时控制条件下的减速特性和轮缸压力输出特性，分别如图4和22图5所示。图4中可以看出：在相同的工况和制动参数条件下,分时制动将车辆减速至0 所需的时间更少；若采用低于2 s的点刹模式,两种控制策略达到的效果基本一致。图5中可以看出：分时控制条件下的轮缸压力在稳定状态下略低于并行控制，特别是长时间制动情况；当制动时间较短时,并行控制的输出压力更低，但两者对于压力稳态转变的时间响应是一致的。5一并行控制-分时控制43上2100图4直行制动下的减速特性4.0m一并行控制分时控制3.53.02.522.01.51.00.500图5直行制动下的轮缸压力输出特性制动缸t51轮缸41t5111t61时间t6i时间2t/s23t/s2.2转弯行驶工况车辆转弯过程中的横向摆动是由惯性力和离心力造成的，在加速度数值较大的减速制动条件下，横向摆动更为明显。在转弯条件下，可得出可得出并行控制与分时控制条件下的减速特性和轮缸压力输出特性，分别如图6 和图7 所示。图6 中可以看出：转弯条件下的制动需要更长的时间，而且分时制动所需的时间更短；转弯条件下,车辆横向偏远较为显著，因此制动的响应时间较长，此时，并行制动更利于减速，而且利于车辆自身的平稳保持。543S2100图6 转弯制动下的减速特性3-并行控制一分时控制12t/s443554Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023如图7 所示中可以看出：转弯条件下,并行控制对的制动工况,对两种制动控制策略进行研究和分析,基于车身稳定性的控制效果更好，车辆横向摆动频率也于液压加载实验台测试活塞位移以及液压缸压力输出明显更低；两种控制方案达到稳态时所需的时间基本响应,并通过Car Sim对减速特性、压力输出特性以及一致,对于稳定性的响应速度均较高。对于新能源汽车身横向摆动特性进行仿真，可得出以下结论：车,转弯制动的平顺性对于车辆舒适性的优化设计非（1）弯道路段的减速控制策略可优先采用并行控常重要。因此，在此制动工况下，应优先选用并行控制制方案，此时不同液压缸的压力能够独立控制，能够有方案。在智能系统的统筹下,液压制动系统能够根据效地降低车辆摆动趋势，防止刹车时出现侧翻等安全行驶状态快速切换控制模式，使得汽车保持最佳的工问题；常规直线路段的减速控制优先采用分时控制方作参数。案，但在刹操作条件下,两者的差别不大；14（2）在液压制动系统内引入能量回收功能有着良分时控制一并行控制12108:.(。)/0 064200图7 转弯减速行驶工况下横摆特性2.3仿真结果验证为验证仿真结果的有效性，基于液压测试台对液压缸未达到稳态时的压力进行检测，调整相位差后可得出测试值与仿真计算值的对比结果，如图8 所示。可以看出，该仿真方案具有较高的可靠性，与实验结果的偏差值较小，而且与轮缸压力的变化具有一致性。3.53.02.52.0151.00.5003结论对于新能源汽车，在不修改原有液压制动系统控制原理的前提下,改进制动策略能够有效地提升车辆行驶的平顺性、安全性和节能性。本研究针对车辆不同引用本文：董艳艳.新能源汽车液压制动力的优化分配与控制J.液压气动与密封，2 0 2 3,43（8）：2 0-2 3.DONG Yanyan.Optimal Distribution and Control of Hydraulic Braking Force for New Energy Vehicles J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2023,43(8):20-23.23好的应用效果,不但利于车辆本身的节能降耗,而且能够提升轮缸压力的响应效率；从长远来看,该控制策略能够在不增加设备成本的前提下，有效改善车辆的智能驾驶和安全驾驶性能，具有良好的经济效益和社会效益。12t/s一测试值-仿真计算值0.10.2t/s图8 仿真与实验结果对比34M0.30.45参考文献1 闵志刚.基于智能驾驶需求的汽车智能座舱设计发展现状及未来趋势探究J.时代汽车,2 0 2 2，（15）：12 7-12 9.2阳嘉佳,刘治国.基于计算机视觉下的安全驾驶系统J.数字技术与应用,2 0 2 2,40（6）：2 0 4-2 0 6.3张银彩,苑士华，胡纪滨城市公交车辆液压节能装置的研究J农业机械学报，2 0 0 7,38（6）：40-43.4 迟宝垫.电动挖掘机能量回收系统分析J.液压气动与密封,2 0 2 2,42(2):57-6 1,56.5 李晓海，曹书芯，罗淼，等.纯电动汽车起重机能量回收装置设计及控制策略J.工程机械,2 0 2 2,53（7）：10 4-108,13.6 刘锋，黄长征，罗昕，等.大惯量负载回转液压系统启制动平稳性的实验研究J.液压与气动,2 0 17,（1：8 9-9 3.7苏磊，葛友华，王斌.新型电子机械制动系统设计J.现代制造工程,2 0 16,(1):12 4-12 8.8白思春，褚全红,郑颖，等.带故障诊断的全隔离式电磁阀驱动电路设计J.仪表技术,2 0 19，（12）：16-18.9 刘海军，侯献军.进/排气边界对高原柴油机缸内制动的数值模拟J.内燃机学报，2 0 2 1,39（5）：40 9-416.10宋晓健,刘勇，薛文伯，等.基于自适应RBF神经网络的连续压力波信号滤波方法J.西安石油大学学报（自然科学版),2 0 2 1,3 6(4):8 3-9 0,9 7.11王蕾，谢炎，卢庆收.电动汽车用开关磁阻电机调速控制系统的设计与研究J.南方农机,2 0 2 2,53（5）：13-15.