CN103287411A

CN103287411A - 无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法

Info

Publication number: CN103287411A
Application number: CN2013102308347A
Authority: CN
Inventors: 郑太雄; 李银国; 古宏鸣; 周花; 邬彪; 李倩敏
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103287411B

Abstract

本发明请求保护一种无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，涉及汽车电子控制领域。在各个控制阶段中涉及到车辆前后轴制动力分配以及轮毂电机的反接制动、再生制动、反接-再生协调制动和正向驱动。ABS控制采用了逻辑门限值控制方法，根据对滑移率（S）与设置的门限值进行对比，对电机的输入电压的大小和方向进行控制，以实现电机的正向驱动、反接制动和再生制动，从而防止车轮抱死，并将车轮的滑移率控制在理论值附近，最大限度利用地面附着系数，实现安全制动。

Description

无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法

技术领域

本发明涉及汽车电子控制领域，特别是一种电动汽车防抱死系统（ABS）控制方法。

背景技术

随着社会发展以及石油化石能源的减少和环境污染问题日益严重，以电机为驱动力的各种纯电动车相继问世，其中轮毂电机驱动的电动车是未来电动车发展的主要方向。相比传统汽车，四轮毂电机驱动电动汽车去掉了繁重的发动机与变速箱，整车质量轻，结构简单。在解决能源和环境问题的同时，车辆的制动安全也显得尤其重要。汽车防抱死制动系统（ABS）可防止车辆在制动过程中产生车轮抱死、甩尾、侧滑等现象，提高了汽车在制动过程中的安全性和可靠性。就电动车而言，通常采用机械制动与再生制动相结合或液压制动与再生制动相结合的混合制动方式，鉴于再生制动力矩有限，加之电池电荷状态（SOC）的限制，再生制动仅在缓速制动时起能量回收作用，紧急制动时还需依靠液压或机械制动。R.Robert，M.Semsch和C.Line等人提出利用电机驱动的楔形块进行制动，可在消耗较少电能的情况下，为车辆提供较大的制动力。但这种控制方法的缺点是机械冲击大，制动无缓冲。且还需额外增加一个控制电机。这样就会在纯电动车的基础上附加机械制动装置，加重车身质量，降低车辆柔性，与电动汽车设计的初衷有所违背。另外，机械制动对汽车制动机构的机械部分有较大的冲击和磨损（如刹车片等），导致在一定时间后汽车制动性能变差，使得汽车不能达到理想的制动效果，从而对汽车的安全行驶造成一定的危害。

关于电动车的制动，同济大学的张侯中提出了轮毂驱动电动车电液混合制动的控制算法（Zhang Houzhong,Chen Xinbo.Study on theElectronic-Hydraulic Compound anti-lock Braking System for Four In-Wheel-MotorDriving Vehicle[J]，2011International Conference on Electric Information andControl Engineering(ICEICE),6176–6183）。吉林大学王吉提出了逻辑门限值控制方法和以PID为主逻辑门限值为辅的控制方法（王吉.电动轮汽车制动集成控制策略与复合ABS控制研究[D].吉林大学,2011）。但以上研究均结合了原有制动系统，对制动力矩进行补偿，采用混合制动的方式对车辆进行制动。电机反接制动可提供较大的制动力矩，为单纯利用电机的电磁制动力进行防抱死控制创造了条件。

发明内容

针对上述所说的混合制动中存在的机械磨损、加重车身重量、车辆制动稳定性以及电机的有效利用等问题，本发明提出了一种无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统（ABS）控制方法，在汽车进入紧急制动后，对车辆前后轴制动力进行分配，并计算当前制动工况下的反接制动力和再生制动力，在保证车轮滑移率处于最佳滑移率范围内的目标下（即车辆在制动时车轮不处于抱死状态并最大限度利用路面附着系数进行制动），选取相应的控制策略，对轮毂电机进行反接制动、再生制动和正向驱动的控制，实现四轮毂电机驱动电动车的防抱死制动控制。

本发明的总体思想是：紧急制动时，根据车轮轮速的不同，在不同制动情况下对各轮毂电机采用不同的控制策略，进行独立控制。对电机所能提供的反接制动力、再生制动力和正向驱动力进行计算，与当前控制策略分配的前后轴制动力作对比，选定电机的制动策略，使制动时四车轮的纵向力最大化，最大限度的利用路面附着系数，使得ABS具有最佳制动效果，保证车辆在制动过程中的安全稳定。

本发明的技术方案如下：

一种无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，该方法是由ABS控制器根据车辆制动意图对车辆制动时前后轴所需制动力进行分配，电机控制器计算电机制动力，包括反接制动力、再生制动力，由ABS控制器确定电机制动策略；然后进行由反接制动、再生制动和正向驱动三种工作状态构成的控制循环，直至制动完成。所述方法具体包括以下步骤：

（1）驾驶员踩下踏板后，ABS控制器根据制动踏板的偏移角和偏移加速度判定车辆制动意图，即车辆制动强度，结合路面附着系数情况对车辆前后轴所需制动力进行合理分配，保证车辆制动过程的可靠性和稳定性；

（2）电机控制器接收到制动力分配信号后，计算此时电机的制动力，包括反接制动力和再生制动力，根据所需的前后轴制动力，判定前后轴的制动策略；

（3）进入防抱死控制循环，控制循环由反接制动、再生制动和正向驱动组成。其中反接制动起到快速停车的作用，再生制动和正向驱动起到车辆制动稳定的作用，同时避免了制动过程中速度变化较大时的机械冲击。

进入控制循环后，首先采用反接制动，对轮毂电机M进行反接制动控制，电机两端控制电压反向，此时PWM占空比设定为最大值，反接制动提供的制动转矩最大，保证车辆制动过程中能够快速停车。

此时，若滑移率S大于滑移率门限值S₂，表明车轮有进入抱死状态的趋势，此时在电机两端加一较小正向控制电压，电机进入再生制动状态。

若滑移率S大于滑移率门限值S₃，轮毂电机从再生制动状态切换到正向驱动状态，给车轮一个正向驱动力，使车轮轮速有所回升，减小车轮滑移率，防止车轮抱死。

电机两端控制电压增大，电机工作状态为正向驱动状态，电机转速回升带动轮速回升，滑移率逐渐减小，在电机正向驱动过程中，若滑移率S小于滑移率门限值S₁，则完成一个完整的防抱死控制循环。

（4）此时根据路面附着系数对车辆前后轴制动力进行分配，ABS进入下一控制循环，计算电机的反接制动力和再生制动力大小，选定前后轴电机的制动状态。此时应根据制动力需求减小反接制动占空比，以保证车辆快速制动的同时车辆的制动稳定，通过改变PWM占空比来调节电机两端控制电压的大小。在制动过程中各工作循环始终采用相同制动策略，直至制动完成。

在整个制动过程中，要同时由ABS控制器不断对车轮制动滑移率进行计算，使滑移率S处于最佳滑移率范围内，以保证车辆制动过程中不出现突然抱死的情况，从而预防车辆在制动时产生侧滑、甩尾等不安全工况。

本控制方法在控制过程中采用的是滑移率逻辑门限值控制，其中设定了四个滑移率门限值S₁，S₂，S₃，Sa。其中最佳滑移率门限值Sa满足S₁≤S_a≤S₃,S₁＜S₂＜S₃。

所述滑移率S的获得是：由ABS控制器接收到轮毂电机转速n（轮毂电机转速n和车轮轮速相关，其中轮毂电机转速表示的是通过电机M直接得到的车轮每分钟的转速，以rmin为单位，车轮轮速表示的是车轮的线速度，以ms为单位），得到车轮轮速，根据峰-峰值连线法估算车速V作为参考车速，再通过所得到的轮毂电机转速n和估算得到的参考车速V计算车轮的滑移率S。最佳滑移率范围为S在20%—30%之间。

本发明在四轮毂电机驱动电动汽车ABS的制动过程中，在于车辆前后轴制动力的分配，通过对滑移率的控制保证制动稳定性。进入制动后，轮毂电机所提供的反接制动力以及正向驱动力是通过改变通入电机两端控制电压的大小实现。改变PWM的占空比，调节三相全桥驱动桥的通断时间，改变电机两端电压有效值，从而得到需求的反接制动力和正向驱动力，即改变电机制动力，实现制动过程。而在制动过程中合理运用再生制动，在制动的同时实现了能量回收的目的。

同时，本发明采用滑移率逻辑门限值控制方法对车轮滑移率进行控制，然后通过灵活控制电机的反接制动和驱动力矩的大小，使制动过程中车轮滑移率稳定在最佳滑移率范围内，保证车辆制动稳定，实现四轮毂电机驱动电动车的制动。

综上所述，本发明采用了滑移率逻辑门限值方法，将滑移率（S）与设置的门限值进行对比，对电机的输入电压的大小和方向进行控制，以实现电机的正向驱动、反接制动和再生制动，从而防止车轮抱死，并将车轮的滑移率控制在理论值附近，最大限度利用地面附着系数，实现安全制动。

附图说明

图1：四轮毂电机ABS结构示意图；

图2：制动力分配曲线；

图3：ABS控制过程；

图4：系统结构图；

图5：电机控制结构图；

图6：制动力分配流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案、目的和优点更加明确，下面将结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明是一种无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统（ABS）控制方法，其结构如附图1所示。在确定车辆制动意图后对前后轴制动力进行分配，结合当前轮速和滑移率，通过ABS控制器和电机控制器实现电机控制。

结合图2、图3、图4、图5和图6，本控制方法主要包括以下几个方面的内容：制动力分配、制动意图判断、滑移率计算和控制逻辑。

（1）制动力分配系统，制动力分配包括前后轴制动力分配和驱动轮再生制动力分配两大部分。制动时前后轮同时抱死，能有效利用路面附着条件，并保证制动时汽车的方向稳定性，被定义为安全制动工况。此时的前轴车轮制动器制动力F_r和后轴车路制动器制动力F_f的关系曲线被称为理想的前后轮制动器制动力分配曲线（简称I曲线）。如附图2所示，与机械制动系统相比，本发明所述的制动力分配系统的前后轴制动力也是按固定比值进行分配。不同路面，附着系数不同，所需制动力也不同。制动时保证前轴制动力始终大于后轴制动力，保证后轮比前轮后抱死，避免制动过程中车轮发生侧滑、甩尾等不安全工况。

（2）制动时，对驾驶员制动意图作分级处理，以脚踏板制动角度和制动加速度作为门限值进行控制。制动分为轻度制动、中度制动和紧急制动三种情况（但本发明仅针对紧急制动时的控制策略）。制动踏板偏角设定三个门限值θ₁、θ₂、θ₃，踏板制动加速度设定两个门限值a₁、a₂。当制动踏板偏角θ∈(0,θ₁]，踏板制动加速度a∈(0,a₁]，则为轻度制动；当制动踏板偏角θ∈(θ₁,θ₂]，踏板制动加速度a∈(0,a₁]，则为中度制动；当制动踏板偏角θ∈(θ₂,θ₃]，踏板制动加速度a∈(a₁,a₂]，则为紧急制动。

（3）利用电机的转速（n）可计算出制动过程中车轮的轮速v，v＝(2*π*R*n/60)*3.6，根据所得轮速v进行车速估算。当前时刻轮速值为v_n，车速为V_n，由公式

即，计算参考滑移率。进入制动过程后，根据制动踏板的制动角度和制动加速度，判断驾驶员的制动意图，若为紧急制动则启用ABS。

（4）针对单轮的控制方法如附图3所示，整个制动过程包括反接制动、再生制动和正向驱动三种工作状态。其中反接制动的强度由电机两端的反相电压决定，调节反相电压占空比τ_c，可调节反接制动的制动强度，改变电机的反接制动力。同理，在电机处于正向驱动状态时，调节电机两端的驱动电压占空比τ_d，改变电机的驱动力，实现电机从低速到高速的调速过程。在反接制动和正向驱动过程中根据其占空比τ_c和τ_d的不同，可实现不同强度的制动和驱动。

进入制动后，结合制动力分配，根据当前车轮所需制动力，选取相应的反接制动强度和电机电压信号占空比τ_c。在滑移率达到门限值S₂时，制动进入再生制动状态。此时把电机看作发电机，由于电机随轮子一起转动，在电机绕组上将产生电压。若此时电池SOC处于不饱和状态，且再生制动产生的电压和电流达到电池的充电压和电流，则可对电池进行充电；若电池SOC饱和，则在上一反接制动的基础上调小PWM占空比τ_c，仍采用反接制动，直至滑移率达到门限值S₃，电机进入正向驱动状态（记此时电机转速为n₁，电机以转速n₁稳定运行是PWM占空比为τ₁）。电机正向驱动时其驱动电压PWM占空比为τ_d（τ_d＞τ₁），当滑移率达到门限值S₁时，完成这一工作循环，停止正向驱动，再一次进行制动力分配，选取电机的制动方式。

本发明需要灵活运用三种制动方式，反接制动和再生制动由当前制动力需求所决定，而正向驱动则在制动过程中出现抱死情况或是趋于抱死时采用，如图6的流程是在制动阶段时的选择，只包括了反接制动和再生制动。

Claims

1.一种无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，所述方法是由ABS控制器根据车辆制动意图对车辆制动时前后轴所需制动力进行分配，电机控制器计算电机制动力，包括反接制动力、再生制动力，由ABS控制器确定电机制动策略；然后进行由反接制动、再生制动和正向驱动三种工作状态构成的控制循环，直至制动完成；所述方法具体包括以下步骤：

（1）驾驶员踩下踏板后，ABS控制器根据制动踏板的偏移角和偏移加速度判定车辆制动意图，即车辆制动强度，结合路面附着系数情况对车辆前后轴所需制动力进行分配；

（3）进入防抱死控制循环，控制循环由反接制动、再生制动和正向驱动组成；

首先对轮毂电机M进行反接制动控制，电机两端控制电压反向,此时PWM占空比设定为最大值，反接制动提供的制动转矩最大，保证车辆制动过程中能够快速停车；

此时，若滑移率S大于滑移率门限值S₂，表明车轮有进入抱死状态的趋势，此时在电机两端加一较小正向控制电压，电机进入再生制动状态，在避免车轮出现抱死的同时还可实现能量回收；

若滑移率S大于滑移率门限值S₃，轮毂电机从再生制动状态切换到正向驱动状态，给车轮一个正向驱动力，使车轮轮速有所回升，减小车轮滑移率，防止车轮抱死；

在电机正向驱动过程中，若滑移率S小于滑移率门限值S₁，则完成一个完整的防抱死控制循环；

（4）再一次根据路面附着系数对车辆前后轴制动力进行分配，ABS进入下一控制循环，在制动过程中各工作循环始终采用相同制动策略，直至制动完成；

在整个制动过程中，要同时由ABS控制器不断对车轮制动滑移率进行计算，使滑移率S处于最佳滑移率范围内，可最大限度的利用路面附着系数进行制动，并保证车辆制动过程中不出现突然抱死的情况。

2.根据权利要求1所述的无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，其特征在于：所述滑移率S的获得是：由ABS控制器接收到轮毂电机转速n，得到车轮轮速，根据峰-峰值连线法估算车速V作为参考车速，再通过所得到的轮毂电机转速n和估算得到的参考车速V计算车轮的滑移率S。

3.根据权利要求1所述的无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，其特征在于：所述最佳滑移率范围为S在20%—30%之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，其特征在于：所述控制过程中采用的是滑移率门限值控制，其中设定了四个滑移率门限值S₁，S₂，S₃，Sa。其中最佳滑移率门限值Sa满足S₁≤S_a≤S₃,S₁＜S₂＜S₃。

5.根据权利要求1、2或3所述的无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，其特征在于：所述再生制动均在电池电荷状态SOC不饱和状态下进行，若SOC处于饱和状态，则仍采用反接制动，此时反接制动的强度与刚进入制动状态时的制动强度相比而言较小。

6.根据权利要求1、2或3所述的无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，其特征在于：进入制动后，轮毂电机所提供的反接制动力以及正向驱动力是通过改变电机两端控制电压大小实现，改变PWM的占空比，调节三相全桥驱动桥的通断时间，改变电机两端控制电压有效值，从而得到需求的反接制动力和正向驱动力。

7.根据权利要求1、2或3所述的无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，其特征在于：在步骤（1）中，要对驾驶员制动意图作分级处理，以脚踏板制动角度和制动加速度作为门限值进行控制，制动分为轻度制动、中度制动和紧急制动三种情况，制动踏板偏角设定三个门限值θ₁、θ₂、θ₃，踏板制动加速度设定两个门限值a₁、a₂；当制动踏板偏角θ∈(0,θ₁]，踏板制动加速度a∈(0,a₁]，则为轻度制动；当制动踏板偏角θ∈(θ₁,θ₂]，踏板制动加速度a∈(0,a₁]，则为中度制动；当制动踏板偏角θ∈(θ₂,θ₃]，踏板制动加速度a∈(a₁,a₂]，则为紧急制动。

8.根据权利要求1、2或3所述的无液压制动的四轮毂电机驱动电动汽车防抱死系统控制方法，其特征在于：所述电机为直流无刷电机，电动车驱动方式为四轮毂电机驱动，即车轮转速与电机的转速同步。