CN104108316B - 一种纯电动汽车的电液联合制动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种纯电动汽车的电液联合制动系统控制方法，属于电动汽车控制技术领域。本方法在电动汽车制动时，保证了车身的稳定性，且利用轮毂电机的可逆发电特性，在制动的同时回收部分制动能量，并根据产生电流的大小，优化充电策略，把制动时消耗的动能转化为电能进行存储，以到达增加续驶里程的目的。其通过将传感器测量的制动踏板、车速、轮速、制动缸压力、电池端电压、电池充电电流、电机的力矩等相关信号传递到控制系统，控制器实时监测车身的状态、车轮的状态以及电池的状态，电液联合系统通过调整电机电磁制动力矩与液压机械制动力矩大小，实现不同的制动需求、能量回收过程以及制动安全维护，使得电动汽车在能量的利用上有更高的效率。

Description

一种纯电动汽车的电液联合制动控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，尤其是涉及到装配轮毂电机的电液联合再生制动系统及控制方法。

背景技术

目前，发展电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了潮流。电动汽车以其噪声低、无直接污染、能源效率高、动力性能好的特点，成为未来汽车发展的主流研究方向。电动汽车一旦取得市场突破，必将对国际汽车产业格局产生巨大而深远的影响。因此，顺应国际汽车工业发展潮流，把握交通能源动力系统转型的战略机遇，坚持自主创新，动员各方面的力量，加快推动电动汽车产业发展，对抢占未来汽车产业竞争制高点、实现我国汽车工业由大变强和自主发展至关重要，也十分紧迫。

相关的技术资料统计，在汽车行驶的过程中，制动过程所消耗的能量占整个能量消耗的50％左右，这是一个相当可观的可以再次利用的能量流失源。电动汽车的再生制动，相比于传统的液压制动，把汽车动能转化为热能消散的过程，用动能转化为电能储存的过程来替代，提高了能源的利用率。这种电液联合制动的形式，既能实现传统制动的效果，还能更加高效的利用能源，对于受电池约束的电动汽车来说，能够在一定程度上增加其续驶里程。系统的机械结构在硬件上保证了能够实现所需的功能，好的控制策略则决定了系统的优越性能的好坏，如何利用好电机的特性，最大化的回收能量则是关键需要解决的问题。在车轮制动时，车轮抱死引发了侧滑、甩尾等严重威胁驾驶安全的问题，此时防抱死系统，提供了一个完美解决此问题的途径。传统的ABS防抱死系统，通过调节制动缸的压力来调节制动力矩，从而实现防抱死调节，但是调节响应速度慢，没有充分利用电机的制动优势来参与这个过程，同时最大化的回收制动能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纯电动汽车电液联合制动的控制策略与方法，其能够充分利用电机的性能，在保证制动时车身稳定性前提下，最大化的回收制动能量，从而实现能量的再利用，增加纯电动汽车的续驶里程。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

(1)制动踏板状态传感器采集制动踏板的状态信号，制动力矩分配器与制动模式判断模块对数据进行分析与处理，制动力矩分配器计算出当前需要的制动力矩，并进行力矩的分配，作用到电机力矩控制器与液压力矩控制器上，再作用到车轮；同时传感器检测相关车辆状态量，如：主缸压力、轮速、车速、电机力矩，反馈给制动力矩分配器与电机防抱死系统，进行实时调节；针对于制动模式判断模块的制动强度认定信号，当认定为紧急制动时，电机防抱死系统会介入，通过调节电机的力矩，对车轮速进行调节，实现防抱死功能；制动力矩分配器认定制动模式，从而选择能量回收的策略；充电控制器通过检测的电机电流信号与电池组容量以及电压信号，选择充电模式。

(2)制动力矩分配器分析制动踏板状态信号，计算制动强度：

z＝α/β(α为制动踏板的开度，β为制动踏板总行程转动角度)

制动功能由电机与液压两部分协调匹配实现。根据电机的可逆性原理，电机在制动中处于发电状态，可以回收部分的制动能量，此时，制动力矩由电机的电磁制动力矩与液压制动系统的摩擦制动力矩构成，为了最大程度的回收制动能量，根据最优的前后制动力分配原理：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\μ}1}+F_{\mathrm{\μ}2}=F_b\\ F_{\mathrm{\μ}2}=\frac{1}{2}\[\frac{G}{h_g}\sqrt{b^2+\frac{4h_{g}L}{G}{F}_{\mathrm{\μ}1}-\left(\frac{Gb}{h_g}+2F_{\mathrm{\μ}1}\right)}\]\end{array}\right.$

可以得到前后轮的制动力计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\μ}1}=\frac{F_b^2{h}_g+F_b\·G\·b}{G\·L}\\ F_{\mathrm{\μ}2}=F_b-F_{\mathrm{\μ}1}\end{array}\right.$

式中，F_μ1,F_μ2,F_b分别代表前后轴的制动力与总制动力；G为车辆的重力；L为前后轴的距离；a，b为前后轴到质心的距离；h_g为质心高度。

计算总制动力矩：

T＝z·lookup·k

其中lookup为查表函数，k为增益系数。

根据制动强度的不同，将其分为三个区间，不同的区间用不同的控制策略：

z≤0.1，轻度制动；

0.1<z≤0.7，中度制动；

z>0.7，紧急制动；

A)当z≤0.1，电机制动提供整个制动力矩的需求，其表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{fl-e}=\frac{rG}{2L}(b+h_g\&CenterDot;z)\\ T_{fl-h}=0\end{array}\right.$

B)当0.1<z≤0.7，电机制动不能完全提供其制动力矩的需求，此时液压制动参与工作，提供剩余的制动力矩，表示如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{fl-e}=\frac{rG}{2L}(b+h_g\&CenterDot;z);T_{fl-h}=0& T_{re-fl}>T_{fl}\\ T_{fl-e}=T_{re-fl};T_{fl-h}=T_{fl}-T_{re-fl}& T_{re-fl}\&le;T_{fl}\end{array}\right.$

C)当z>0.7，此时ABS参与作用，力矩的分配需考虑到ABS的制约，其具体的分配策略如下:

$\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{T}_{fl-e}=T_{fl}-T_{fl-h-u};T_{fl-h}=T_{fl-h-u}\\ T_{re-fl}>(T_{fl}-T_{fl-h-u})\\ T_{fl-e}=T_{re-fl};T_{fl-h}=T_{fl-h-u}\\ T_{re-fl}\&le;(T_{fl}-T_{fl-h-u})\end{array}& T_{fl-h-u}\&le;T_{fl}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{T}_{fl-e}=T_{re-fl}\\ T_{fl-h}=\frac{rG}{2L}(b+h_g\&CenterDot;z)\end{array}& T_{fl-h-u}>T_{fl}\end{array}\right.$

式中r为轮胎的半径；T_fl-e为电机提供的制动力矩；T_fl-h为液压制动力矩；T_re-fl为电机所能提供的最大电机制动力矩；T_fl前轴最佳的制动力矩；T_fl-h-u为不会发生抱的液压制动力矩。

假设理想的滑移率为0.12，紧急制动时，控制规律通过滑模控制来使其保证在这个值左右。基于单轮模型的制动动力学、最佳滑移率与纵向附着系数的关系以及电机制动力矩的滑模控制规律，推导出电机ABS防抱死的力矩控制规律：

$T_{bi}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{rk}}_{\mathrm{\&mu;}it}{\mathrm{\&lambda;}}_i{F}_{zi}+\frac{J_{\mathrm{\&omega;}i}\mathrm{\&omega;}i}{\mathrm{\&omega;}v}\&Sigma;k_{\mathrm{\&mu;}it}{\mathrm{\&lambda;}}_i{F}_{zi}+{\mathrm{\&eta;}}_s\frac{J_{\mathrm{\&omega;}i}v}{r}sat\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{th}-{\mathrm{\&lambda;}}_i}{\mathrm{\&phi;}}\right)& {\mathrm{\&lambda;}}_{th}\&le;{\mathrm{\&lambda;}}_i\\ \begin{array}{c}r({\mathrm{\&mu;}}_{max}-k_{\mathrm{\&mu;}ih}({\mathrm{\&lambda;}}_{th}-{\mathrm{\&lambda;}}_i))F_{zi}+{\mathrm{\&eta;}}_s\frac{j_{\mathrm{\&omega;}i}v}{r}sat\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{th}-{\mathrm{\&lambda;}}_i}{\mathrm{\&phi;}}\right)+\\ \frac{J_{\mathrm{\&omega;}i}\mathrm{\&omega;}i}{mv}\&Sigma;({\mathrm{\&mu;}}_{\max }-k_{\mathrm{\&mu;}ih}({\mathrm{\&lambda;}}_{th}-{\mathrm{\&lambda;}}_i))F_{zi}\end{array}& {\mathrm{\&lambda;}}_{th}>{\mathrm{\&lambda;}}_i\end{array}\right.$

式中，F_xi,F_zi为轮子所受的纵向力与地面的垂向力；J_wi为转动惯量，m为质量；T_bi为作用在轮子上的制动力矩；r为滚动半径；v为车速；ω_i为轮速；μ_i纵向附着系数；λ_i为滑移率；φ为边界层的厚度，η_s为收敛因子；k_μit为前斜率；k_uih为后斜率；λ_th为滑移率；μ_max峰值附着系数。

(4)电池与超级电容的充电策略

电机的工作状态，受到制动强度的影响，其发电的电流会产生很大的波动，当电流很大时，此时大于电池的参考充电电流，则利用超级电容进行能量的回收，经过超级电容的过渡，以稳定的电流值在给电池充电；当电流较小时，则直接利用电池进行回收；当电池状态为充满时，则采用电流充电到超级电容模式，当电量消耗到一定程度或者需要大电流供电时，使用超级电容给DC/DC供电，进行电流转换，再给电池进行充电，或者采用超级电容直接给电机供电的模式，进行能量的回收利用。

本发明可以获得如下有益效果：

通过采用电液联合制动的控制算法，结合电机ABS系统，以及利用超级电容与DC/DC的特性，在纯电动汽车制动时，回收了部分的制动能量，保证了车身的稳定性，延长了纯电动汽车的续驶里程，并优化了电池的使用环境，使电池的寿命得到了一定的保障。

附图说明

图1再生制动系统执行流程图

具体实施方式

本发明的技术构思在于利用电机电磁力矩与液压机械摩擦力矩的共同作用，完成再生制动的过程。以下将参照附图结合具体实例来对本发明进行详细的说明。

本发明中，如图1所示，系统的结构包括：制动踏板及其传感器1、制动模式判断模块2、制动力矩分配器3、电机力矩控制器4、液压力矩控制器5、车辆动力学模型传感器6、轮毂电机7、充电控制器8、电机ABS控制器9、超级电容10、DC/DC11、电池组12，状态传感器13。纯电动汽车通过四个轮毂电机驱动电动车运动，制动力矩分配器接收制动踏板状态传感器的信号实施力矩的分配；制动模式判别模块通过制动踏板状态传感器的信号判别当前的制动模式，判别是否启动电机ABS防抱死系统；同时制动力矩分配器发出指令给电机制动力矩与液压力矩执行机构，合成的制动力矩作用到车轮，实现制动需求；充电控制器分析电机再生制动电流与电池的状态，确定充电路线；超级电容与DC/DC接收充电控制器指令转换开启与关闭状态。

本发明中，提供的电液联合制动控制方法如下：

制动踏板状态传感器1将采集的状态信息传递给制动力矩分配器3与制动模式判断模块2，制动力矩分配器2按照要求提供制动力矩，并根据相关的要求进行前后力矩分配：

$F_{\mathrm{\&mu;}1}=\frac{F_b^2{h}_g+F_b\&CenterDot;G\&CenterDot;b}{G\&CenterDot;L};F_{\mathrm{\&mu;}2}=F_b-F_{\mathrm{\&mu;}1}$

式中，F_μ1,F_μ2,F_b分别代表前后轴的制动力与总的制动力；G为车辆的重力；L为前后轴的距离；a，b为前后轴到质心的距离；hg为质心高度。假设制动踏板的可转动角度为0～50°。

(1)当制动踏板运动角度为0～5°以内

制动模式判断模块2判断制动强度z≤0.1，轻度制动，此时关闭电机ABS控制器9；

电机力矩控制器4分析，电机可以提供的制动力矩能够满足需求，此时只有电机制动起作用，制动力矩为：

T_b＝T_fl-e＝rG(b+h_g·z)/2L；

T_b为制动力矩；T_fl-e为电机提供的制动力矩；r为轮胎的半径；G为车辆的重力；L为前后轴的距离；a，b为前后轴到质心的距离；h_g为质心高度；z为制动强度。充电控制器8检测到电池组状态良好，采用“电流—电池”充电模式，完成再生制动的过程。

(2)当制动踏板运动角度为6～35°以内

制动模式判断模块2判断制动强度0.1＜z≤0.7，中度制动，此时关闭电机ABS控制器9；

电机力矩控制器4分析，电机提供的制动力矩不足以满足需求，采用电机制动与液压制动联合制动的模式，此时电机与液压制动均起作用，制动力矩为：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{fl-e}=\frac{rG}{2L}(b+h_g\&CenterDot;z);T_{fl-h}=0& T_{re-fl}>T_{fl}\\ T_{fl-e}=T_{re-fl};T_{fl-h}=T_{fl}-T_{re-fl}& T_{re-fl}\&le;T_{fl}\end{array}\right.$

式中，r为轮胎的半径；G为车辆的重力；L为前后轴的距离；b为后轴到质心的距离；h_g为质心高度；z为制动强度；T_fl-e为电机提供的制动力矩；T_fl-h为液压制动力矩；T_re-fl为电机所能提供的最大电机制动力矩；T_fl前轴最佳的制动力矩。

充电控制器检8测到电池组状态良好，如果电流传感器采集到电流很大或者波动很大，则采用“电流—超级电容—DC/DC—电池”的路线进行充电，否则采用“电流—电池”则充电模式，完成再生制动的过程。

(3)当制动踏板运动角度为36～50°以内

制动模式判断模块2判断制动强度z＞0.7，高强度制动，此时开启电机ABS控制器9；

电机力矩控制器4分析，电机提供的制动力矩不足以满足需求，采用电机制动与液压制动联合制动的模式，此时电机与液压制动均起作用；

车速传感器与轮速传感器将采集到的数据传递到ABS控制器9，通过计算分析车轮的滑移率，集成滑模控制的算法，对加载的车轮制动力矩进行重新分配，给定车轮未抱死时的液压力矩指令给液压制动力矩控制器5，此时通过调节电机的制动力矩来实现力矩需求与防抱死功能。电机制动力矩与液压制动力矩分配如下，其中电机制动力矩用来产生再生能量：

$\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{T}_{fl-e}=T_{fl}-T_{fl-h-u};T_{fl-h}=T_{fl-h-u}\\ T_{re-fl}>(T_{fl}-T_{fl-h-u})\\ T_{fl-e}=T_{re-fl};T_{fl-h}=T_{fl-h-u}\\ T_{re-fl}\&le;(T_{fl}-T_{fl-h-u})\end{array}& T_{fl-h-u}\&le;T_{fl}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{T}_{fl-e}=T_{re-fl}\\ T_{fl-h}=\frac{rG}{2L}(b+h_g\&CenterDot;z)\end{array}& T_{fl-h-u}>T_{fl}\end{array}\right.$

式中，r为轮胎的半径；G为车辆的重力；L为前后轴的距离；b为后轴到质心的距离；h_g为质心高度；z为制动强度；T_fl-e为电机提供的制动力矩；T_fl-h为液压制动力矩；T_re-fl为电机所能提供的最大电机制动力矩；T_fl前轴最佳的制动力矩；T_fl-h-u为不会发生抱死的液压制动力矩。

当充电控制器8检测到电池容量低于90％，轮毂电机发电电流小于10A时，采用“电机—充电控制器—电池组”充电模式；当充电控制器检测到电池容量高于90％，轮毂电机发电电流大于10A时，开启“电机—充电控制器—超级电容”充电模式；当电量消耗到一定程度或者需要大电流供电时，使用“超级电容—DC/DC—电池”或者“超级电容—电机”模式，完成再生制动过程。

Claims (2)

1.一种纯电动汽车的电液联合制动控制方法，其特征在于，所述制动控制方法基于的控制系统包括：制动踏板、制动踏板状态传感器、制动力矩分配器、制动模式判断模块、电机力矩控制器、液压力矩控制器、制动主缸、主缸压力传感器、车速传感器、轮速传感器、轮毂电机、电机力矩传感器、电机防抱死系统、充电控制器、超级电容、DC/DC、电池组和电池组状态传感器；制动踏板状态传感器与制动力矩分配器和制动模式判断模块连接；制动模式判断模块与制动力矩分配器相连接；制动力矩分配器连接电机力矩控制器和液压力矩控制器；液压力矩控制器与制动主缸相连接；电机力矩控制器和轮毂电机相连接；主缸压力传感器设置在制动主缸内，用于检测制动主缸压力并传递信号给制动力矩分配器；轮速传感器与电机力矩传感器装在轮毂电机上采集轮速与轮毂电机的力矩，车速传感器与轮速传感器采集信号传递给电机防抱死系统，电机防抱死系统与制动力矩分配器连接；充电控制器一端与轮毂电机连接，另一端有两端口，一个与电池组连接，一个与超级电容连接；超级电容连接DC/DC，再与电池组连接，电池组状态传感器接在电池组上；制动力矩分配器与制动踏板状态传感器进行通讯，获取当前力矩需求，并发送指令给电机力矩控制器与液压力矩控制器以提供需求的制动力矩，作用到车轮上；制动模式判断模块判别当前制动模式，与电机防抱死系统通讯；充电控制器接收轮毂电机的发电电流信号与电池组的状态信息，选择充电方式；同时电机防抱死系统接收车速传感器与轮速传感器信号，判断当前制动模式下是否启动电机防抱死系统；

所述的制动力矩分配器，通过制动踏板状态传感器的数据，计算出此时的制动强度z＝α/β，其中α为制动踏板的开度，β为制动踏板总行程转动角度，从而给出所需求的制动力矩，并规划制动的区间，同时与轮毂电机所能提供的最大制动力矩进行比较，对电机力矩与液压力矩进行规划分配；当z≤0.1时，为轻度制动，制动力矩完全由轮毂电机提供；当0.1＜z≤0.7时，为中度制动，由轮毂电机提供其能提供的最大制动力矩，不足的部分由液压力矩提供；当z＞0.7时，为紧急制动，液压力矩提供未抱死的制动力矩，轮毂电机提供剩余力矩，来实现防抱死功能；

所述的充电控制器，一端连接轮毂电机的三相电输入端；另一端设计两个端口，一个端口与电池组直接相连，一个端口与超级电容连接；同时，充电控制器设计信号接入端口，用于连接电池组状态传感器与充电电流传感器，通过电池组状态传感器检测当前电池组的状态，所述电池组的状态包括剩余容量、当前电压，通过充电电流传感器检测充电电流大小，结合当前电池组状态与充电电流，规划充电路径如下：当充电控制器检测到电池组容量低于90％，轮毂电机发电电流小于10A时，采用端口Ⅰ工作，连接电池组的线路开通，开启轮毂电机—充电控制器—电池组充电模式；当充电控制器检测到电池组容量高于90％，轮毂电机发电电流大于10A，采用端口Ⅱ工作，连接超级电容的线路开通，开启轮毂电机—充电控制器—超级电容充电模式。

2.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车的电液联合制动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.由制动踏板状态传感器分析制动踏板状态信号，计算制动强度：z＝α/β，其中α为制动踏板的开度，β为制动踏板总行程转动角度，进入到步骤b；

b.根据制动强度的不同，参照理想的前后轴制动力分配，结合ECE制动法规的要求，制动力矩分配器通过查找标定的表格数据进行前后力矩分配，进入到步骤c；

c.利用制动模式判断模块，判断当前制动模式，当制动强度小于等于0.1时，属于轻度制动，进入步骤d1；当制动强度大于0.1，小于等于0.7时，属于中度制动，进入步骤d2；当制动强度大于0.7时，属于紧急制动，进入步骤e；

d1.充分利用轮毂电机的制动力矩进行制动，轮毂电机所能提供的最大制动力矩成为制约制动力矩的主要因素，轻度制动模式以最大化的回收制动能量，进入步骤g；

d2.采用电液联合制动的方式完成制动的过程，轮毂电机提供其所能提供的最大制动力矩，剩余的制动力矩则由液压制动提供,进入步骤g；

e.通过轮速传感器与车速传感器计算当前的滑移率，通过ABS控制器的逻辑判断是否存在车轮抱死现象，相应的采取启动与关闭防抱死控制，当判断为关闭防抱死控制时，进入步骤d2；当判断为启动防抱死控制时，进入步骤f；

f.利用计算的每个轮子的滑移率，经过计算与分析，对每个轮子的制动力矩进行重新分配，制动力矩分配器计算出未抱死液压制动力矩，即将抱死的液压制动力矩，再通过电机力矩控制器调节轮毂电机的制动力矩，实现防抱死的功能,并进入步骤g；

g.轮毂电机制动反馈电流通过充电电流传感器检测，采集数据到充电控制器，从而选择充电模式控制，当检测到电流值大于电池组的安全充电电流时，进入到h1步骤；当电流值小于电池组的安全电流值时，进入到步骤h2；当检测到电池组处于充满状态时，进入步骤j；

h1.电路与超级电容连通，将能量回收到超级电容当中，进入到步骤i；

h2.电路与电池组联通，将能量回收到电池组之中，进入步骤k；

i.超级电容将回收能量通过DC/DC转换充电电流为0～10A以内，充电给电池组，进入步骤k；

j.采用“轮毂电机－充电控制器—超级电容”模式，当电量消耗到一定程度或者需要大电流供电时，即当电池组电量剩余到电池组容量的50％时，或者全力加速及供给外部用电时，使用“超级电容—DC/DC—电池组”或者“超级电容—轮毂电机”模式，进入步骤k；

k.完成再生制动的过程，储存的电能用于电动汽车的驱动及其他用电设备的工作。