CN105292092B - 商用车集成制动系统分工况制动力分配优化方法 - Google Patents

Abstract

一种商用车集成制动系统分工况制动力分配优化方法，针对配有气压电控制动系统和电涡流缓速器的商用车，提出前轴摩擦制动器、后轴摩擦制动器和电涡流缓速器的制动力分配优化方法，考虑紧急制动、下长坡制动和其他普通制动工况对制动响应速度、制动距离、制动器温度和摩擦衬片磨损一致性的要求的不同，对不同的制动工况采用不同的控制目标和制动力分配策略。该方法提高制动系统的制动响应速度、减少下坡工况制动器的温度升高、提高摩擦衬片使用寿命，避免事故发生，提高了各制动工况下的安全性，并延长了摩擦制动器和电涡流缓速器的使用寿命，减少维修次数，提升了经济性能。

Description

商用车集成制动系统分工况制动力分配优化方法

技术领域

本发明属于制动力分配领域，特别涉及一种商用车气压电控制动与电涡流缓速器集成制动系统的分工况制动力分配优化方法。

背景技术

商用车质量大，所需制动力矩大，为防止下长坡等需要长时间制动的工况中出现热衰退现象，必须配备辅助制动装置。因此，几乎所有的高一级以上的大中型客车都配有电涡流缓速器。目前应用于车辆上的缓速器和气压制动系统之间的制动力分配策略较为简单，或是通过缓速器手柄进行档位控制或恒速控制，或是通过制动踏板联动，制动力较小时采用缓速器制动，踏板达到一定开度后采用气压制动与缓速器一起进行制动。在研究方面，对缓速器与主制动系统之间的协调控制也大都基于定比例分配或分段定比例分配的传统气压制动系统。

随着技术发展和对商用车要求的提高，已经有某些电涡流缓速器可以实现制动力矩连续可调，更有利于制动力矩的控制。同时，随着对商用车制动性能的提高，商用车气压电控制动系统的装车率越来越高，气压电控制动系统可以实现前、后轴制动力任意分配，各轮制动力独立控制。有少数研究考虑了电控制动系统与电涡流缓速器之间制动力分配的问题，如《基于制动器温度和磨损控制的制动集成算法》一文提出了一种气压电控制动系统、发动机和电涡流缓速器三者集成的控制算法，对于电控摩擦制动系统与电涡流缓速器之间的制动力分配，以尽量多地采用电涡流缓速器为原则，而前、后轴摩擦制动器之间的制动力分配则以尽量均衡二者摩擦衬片磨损程度为原则。但该研究没有充分考虑不同行驶工况对制动力分配要求的不同。

实际上，由于制动衬片磨损、制动器温度升高、理想制动力分配曲线之间即是相互联系，又是相互制约的，不同制动工况对这些性能要求的强弱也不同：紧急制动时，应该首先考虑制动力的响应速度和各轴的制动效率，尽量减少制动距离并保证制动稳定性；下长坡制动时，在满足制动减速度需求、制动稳定性等安全性能要求的基础上，应尽量减少前、后轴摩擦制动器的温度升高，确保足够的温升储备，防止发生热衰退，保证突发状况时摩擦制动器的制动性能；对于平地或短坡长、小坡度的常规制动、城市工况的低速频繁制动等普通制动工况，对温度储备的要求没有那么高，制动器的温度也难以达到那么高，因此在满足制动需求、保证法规要求、制动安全性和稳定性的前提下，应该从经济性的角度考虑，尽量减少并均匀前、后轴各摩擦衬片的磨损程度，以减少衬片更换频率、提高商用车的使用经济性和效益。目前尚没有研究和应用针对不同工况采用不同的控制目标，对前、后轴摩擦制动器和电涡流缓速器之间的制动力进行分配。

发明内容

本发明的目的是提供一种气压电控制动系统前、后轴制动器和电涡流缓速器的制动力分配方法，它能够根据不同的制动工况，提供不同控制目标的制动力分配策略，达到考虑不同制动工况对各中制动性能要求的不同，有侧重地提高各制动工况下车辆的稳定性、安全性和经济性的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：将制动工况分为紧急制动、下长坡制动和其他普通制动工况三种，根据采集和估计得到的驾驶员操作和道路状态，对制动工况进行在线辨识，同时计算驾驶员总需求制动力，然后根据工况辨识的结果和总需求制动力的大小，对每一种制动工况采用不同的控制目标和制动力分配策略，对电控制动系统的前轴摩擦制动力和后轴摩擦制动力、以及电涡流缓速器制动力进行分配。各工况的制动力控制目标分别为：紧急制动工况以保证制动稳定性和缩短制动距离为目标；下长坡制动工况以尽量减少前、后轴摩擦制动器温度升高为目标；其他普通制动工况以减少并均衡前、后轴摩擦衬片磨损为目标。

对制动工况进行在线辨识的方法是，首先根据紧急制动信号判断是否为紧急制动，若是紧急制动，则进入紧急制动工况制动力分配模式，分配制动力；若非紧急制动，先进入其他普通制动工况制动力分配模式，分配制动力；与此同时，读取道路的当前坡度和制动踏板踩下的持续时间，若当前坡度超过坡度阈值且制动踏板踩下持续时间超过制动时间阈值，则进入下长坡制动工况制动力分配模式，否则就继续按照其他普通制动工况制动力分配模式进行制动力的分配。

总需求制动力和目标减速度的计算方法是，如果采用恒速手柄控制模式，则根据据当前车速和目标车速采用PID控制方式计算车速控制所需制动力F_xbv，并根据当前坡度计算当前坡度导致的纵向力F_xbi，其和即恒速手柄控制模式所需的总需求制动力，F_xb＝F_xbv+F_xbi；如果采用制动踏板控制模式，则根据制动踏板查表得到需求减速度，并计算对应的制动力F_xba，并根据当前坡度计算当前坡度导致的纵向力F_xbi，其和即恒速手柄控制模式所需的总需求制动力，F_xb＝F_xba+F_xbi。

紧急制动工况的制动力分配策略是，根据需求总制动力和当前坡度，对前、后轴制动力采用理想制动力分配方式进行分配，并根据电涡流缓速器转子盘的转速计算电涡流缓速器可提供的最大制动力，将后轴制动力尽量多地分配给电涡流缓速器。

下长坡制动工况的制动力分配策略是，根据目标制动减速度、当前坡度和当前车速，查询离线优化得到的制动力分配系数MAP图，得到最优的制动力分配系数，对三个制动执行机构进行制动力分配，进行离线优化时，优化目标为尽可能多的使用电涡流缓速器进行制动、但不超过允许温度和电流的限制，同时使主制动器温度综合尽量小，优化变量为各制动执行器的制动力分配系数，离线优化的目标函数为：其中θ_air1、θ_air2、θ_eddy分别为前轴摩擦制动器、后轴摩擦制动器和电涡流缓速器在一定车速和制动力下的稳态温度，300是保证电涡流缓速器正常工作的温度限制，优化的数学目标是使f(X)最小，离线优化的约束条件包括地面附着、ECE法规对前后轴制动力的约束，以及转子盘转速对电涡流缓速器制动力的约束。

其他普通制动工况的制动力分配策略是，根据目标减速度、当前坡度和电涡流缓速器转子盘转速，在地面附着条件和ECE法规对前、后轴制动力的约束，以及电涡流缓速器转子盘对电涡流缓速器制动力的约束条件下，尽量多地使用缓速器进行制动，在此基础上，根据摩擦衬片的磨损情况，尽量使摩擦衬片磨损量少的制动器多承担制动力。

本发明的有益效果是：充分利用气压电控制动系统各轴制动力可任意分配、可产生制动力较大且较稳定的优点，和电涡流缓速器响应快、连续可调的优点，在不同工况下采用不同的控制目标对前、后轴摩擦制动器和电涡流缓速器进行制动力分配，充分保证不同制动工况对制动性能的不同需求，紧急制动时保证制动稳定性和快速的制动响应，下长坡制动时保证前、后轴摩擦制动器的温度都能比较低，防止发生热衰退，保证突发状况时摩擦制动器的制动性能，其他普通制动工况时尽量减少并均衡前、后轴摩擦衬片的磨损量，提高经济性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为集成制动系统基于工况的制动力分配流程图。

图2为制动工况在线辨识流程图。

图3为总需求制动力和目标减速度计算框图。

图4为紧急制动工况的制动力分配流程图。

图5为下长坡制动工况的制动力分配流程图。

图6为下长坡工况气压制动力占总制动力比值MAP图。

图7为下长坡工况前轴摩擦制动力占气压制动力比值MAP图。

图8为其他普通制动工况的制动力分配流程图。

附图标记说明：1-制动工况辨识模块，2-总制动需求计算模块，3-分工况制动力优化分配模块，31-紧急制动工况制动力分配模块，32-下长坡制动工况制动力分配模块，33-其他普通制动工况制动力分配模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的商用车集成制动系统制动力分配优化方法，适用于装配有气压电控制动系统与电涡流缓速器的商用车，其基本思想是：首先将制动工况分为紧急制动、下长坡制动和其他普通制动三类，通过制动踏板信号、路面坡度以及紧急制动信号对制动工况进行在线辨识，根据辨识的结果，针对不同制动工况采用不同的控制目标，对气压电控制动系统的前轴摩擦制动力、后轴摩擦制动力和电涡流缓速器制动力三个制动执行器的制动力进行动态分配和优化。紧急制动工况以制动稳定性和缩短制动距离为目标，下长坡制动以尽量减少前、后轴摩擦制动器温度升高为目标，其他普通制动工况以减少并均衡前、后轴摩擦衬片磨损为目标。

如图1所示，为采用本发明所述方法进行集成制动系统基于工况的制动力分配的流程图。制动工况辨识模块1根据紧急制动信号、制动踏板踩下时间长度和当前道路坡度，对当前制动工况进行在线辨识，辨识结果即工况类型，以参数的形式发送给分工况制动力优化分配模块；总制动需求计算模块2根据当前车速、目标车速、当前坡度和制动踏板开度，计算当前操作和驾驶条件下的总需求制动力和目标减速度，并将总需求制动力和目标减速度发送给分工况制动力优化分配模块；分工况制动力优化分配模块3接收制动工况辨识模块的工况类型参数，确定采用紧急制动工况31、下长坡制动工况32还是其他普通制动工况33的制动力分配方式进行制动力分配，并根据总需求制动力、目标减速度、目标车速、电涡流缓速器转子盘当前转速和前、后轴摩擦衬片磨损情况，确定前轴摩擦制动器、后轴摩擦制动器和电涡流缓速器这三个制动执行器所分配的制动力。

如图2所示，为制动工况在线辨识的具体流程(即图1中的制动工况辨识模块1)：首先读取紧急制动信号ba，(ba＝0表示非紧急制动，ba＝1表示紧急制动，ba可使用现有技术获得，参见文献：《商用半挂车制动意图辨识与制动力分配控制策略开发及验证》第4.4节，76页)，判断是否为紧急制动工况，即判断ba＞0是否成立，若成立，则为紧急制动，制动模式mode＝1；若ba＞0不成立，则继续读取当前坡度i和制动踏板踩下时间tk，然后判断当前坡度i和制动踏板踩下时间tk是否超过各自设定的阈值i0和tk0，若i＞i0和tk＞tk0同时成立，则判定为下长坡制动模式，制动模式mode＝2，若不同时成立，则认为属于其他普通制动工况，制动模式mode＝3.

如图3所示，为总需求制动力和目标减速度计算的具体流程(即图1中的总制动需求计算模块2)：根据驾驶员的操作，如果采用恒速手柄控制，则进入恒速手柄模式，如果操纵制动踏板进行制动，则进入制动踏板模式，计算总制动力需求和目标减速度。恒速手柄模式：参考现有技术，根据当前车速v_t和目标车速v_opt(即手柄控制对应的车速)，采用PID控制方式计算车速控制制动力F_xbv，公式为：根据当前坡度i，计算当前坡度导致的纵向力F_xbi，公式为：坡度i正值为下坡，负值为上坡，G为总重力，从而计算得到的纵向力F_xbi正值为向前，负值为向后；该模式下的总制动力需求F_xb即为：F_xb＝F_xbv+F_xbi，目标减速度a_x为：m为总质量。制动踏板模式：根据制动踏板开度Δ，采用现有技术(参考文献《客车电子制动系统制动力分配控制算法》第3.2.1节，34页)，查表得到需求减速度a_x(若进入紧急制动辅助模式，则采用制动辅助模块求得的减速度，这里不做赘述)，并计算就减速度对应制动力F_xba，公式为：F_xba＝ma_x；根据当前坡度i，计算坡度导致的纵向力F_xbi，公式同上；该模式下的总制动力需求F_xb即为：F_xb＝F_xba+F_xbi。

图4所示为紧急制动工况31的制动力分配逻辑流程图。如图所示，计算前、后轴制动力F_xb1和F_xb2时，读取总制动力需求F_xb和当前坡度i，考虑紧急制动工况对制动距离和制动稳定性要求最高，因此采用理想制动力分配对前、后轴制动力F_xb1和F_xb2进行分配，具体分配公式如下：

其中，L为轴距，a为质心至前轴的距离，b为质心至后轴的距离，h_g为质心高度。

计算得到的F_xb1既是前轴制动力，也是分配给前轴摩擦制动器应承担制动力F_air1：

F_air1＝F_xb1

同时，读取当前转子盘转速信号w，计算该转子盘转速下电涡流缓速器可提供最大制动力F_eddymax，计算公式采用现有技术(参考文献《辅助制动和汽车主制动装置联合控制理论和方法的研究》第20页，2.3.1节)，具体公式为：

其中，i₀为主减速器速比，r₂为后轮半径，T_R为电涡流缓速器可提供的最大制动力矩，N_P为磁极对数，μ₀为空气磁导系数，ρ为转子盘电阻率，d为铁心直径，N为线圈匝数，I为可提供的最大励磁电流，w为转子盘转速，μ_r为转子盘相对磁导率，l_g为气隙，R_l为励磁线圈中心点半径，k_e为折算系数取1.5。

比较后轴制动力F_xb2和电涡流缓速器可提供最大制动力F_eddymax，可得到后轴摩擦制动器应承担制动力F_air2和电涡流缓速器应承担制动力F_eddy，具体如下：

若F_xb2＞F_eddymax，则有：F_eddy＝F_eddymax,F_air2＝F_xb2-F_eddy

若F_xb2≤F_eddymax，则有：F_eddy＝F_xb2,F_air2＝0

图5所示为下长坡制动工况32的制动力分配逻辑，如图所示，读取目标制动减速度a_x、当前坡度i和当前车速v_t，查找离线优化得到的制动力分配系数MAP图，获得能够表征电控制动系统与电涡流缓速器之间制动力分配关系的系数λ和能够表征前轴与后轴摩擦制动器制动力分配关系的系数η。总需求制动力F_xb、系数λ和η及各执行机构制动力的关系如下：

离线优化的优化变量为：两个分配系数，X＝(λ,η)。

离线优化的优化目标为：尽可能多的使用电涡流缓速器进行制动、但不超过允许温度和电流的限制，同时使主制动器温度综合尽量小。因此取优化目标函数为：

f(X)最小即为优化目标。

θ_eddy、θ_air1和θ_air2分别为电涡流缓速器、前轴摩擦制动器和后轴摩擦制动器的稳态温度，300是保证电涡流缓速器能正常工作的温度限制，稳态温度计算方法为现有技术，具体为：求解微分方程的稳态解。其中，车速输入v为当前车速v_t；F_j为相应制动执行机构在给定的当前优化变量λ,η时被分配的制动力；下脚标j＝eddy,air1,air2。

离线优化的约束条件包括两点，分别为：

1，地面附着力和ECE法规的约束：

当前坡度i和目标制动减速度a_x，计算目标制动力作用下前、后轴的最大地面制动力F_地1和F_地2，公式如下：

前轴：

后轴：

其中，总需求制动力

ECE法规规定，当制动强度z＜0.15时，各轴制动力分配不受限制，当制动强度0.15＜z＜0.3时，后轴利用附着系数应小于z+0.08，当制动强度0.3＜z＜0.8时，后轴利用附着系数应小于根据ECE法规约束，可得后轴最大制动力F_x2(ECE)为：

于是，前、后轴最大制动力F_xb1max和F_xb2max为：

F_xb1max＝min(F_地1,F_x1(ECE))

F_xb2max＝min(F_地2,F_x2(ECE))

即可得到约束条件为：

电涡流缓速器制动力F_eddy不超过电涡流缓速器可提供的最大制动力F_eddymax：

F_eddy≤F_eddymax，其中F_eddymax计算与紧急制动中的相关计算相同。

离线优化得到的分配系数的MAP图如图6～7所示，作为示例，仅给出坡度为3％和5％时目标减速度-当前车速-分配系数MAP图。图6为不同坡度情况下气压制动力占总制动力比值的MAP图，可以看出，随着坡度增大，气压占比增大；图7为不同坡度情况下前轴摩擦制动力占气压制动力比值的MAP图，可以看出，随着坡度增大，前轴摩擦制动力占比增大。

对于其他普通制动工况33，本发明考虑在满足地面附着条件和法规限制等约束条件下，尽量减少摩擦衬片的磨损，并尽量使前、后轴摩擦衬片磨损均匀，延长执行部件使用寿命、减少衬片更换次数，因此制动力分配的目标为：尽量多地使用缓速器进行制动，在此基础上，尽量使摩擦衬片磨损量少的制动器多承担制动力。

如图8所示，为其他普通制动工况的制动力分配流程图。首先，读取总目标制动力、坡度和目标减速度，计算前、后轴最大地面制动力和ECE法规对前、后轴制动力的约束；同时，根据传动轴的转速，计算电涡流缓速器能够提供的最大制动力矩。这两个约束条件分别与下长坡制动离线优化中的约束条件1和约束条件2一致，因此可以采用相同的方法获得。由此可以确定F_xb1max、F_xb2max和F_eddymax。前轴摩擦制动器最大制动力F_air1max即为前轴最大制动力F_xb1max：F_air1max＝F_xb1max；电涡流缓速器制动力F_eddy和此时后轴摩擦制动器可提供的最大制动力F_air2max则根据目标“尽量多地采用电涡流缓速器进行制动”，过比较电涡流缓速器可产生的最大制动力F_eddymax和后轴最大制动力F_xb2max来确定，公式如下：

F_eddy＝min(F_eddymax,F_xb2max) (7)

接下来，在前轴摩擦制动器最大制动力F_air1max和后轴摩擦制动器最大制动力F_air2max的约束下，根据剩余制动力需求(F_xb-F_eddy)和前、后轴摩擦衬片磨损情况，按照目标“尽量使摩擦衬片磨损量少的制动器多承担制动力”对摩擦制动力进行分配，具体分配方式如下：

1，前轴磨损比后轴严重：

F_xb-F_eddy＞F_air2max:F_air2＝F_air2max,F_air1＝F_xb-F_eddy-F_air2max

F_xb-F_eddy≤F_air2max:F_air2＝F_xb-F_eddy,F_air1＝0 (9)

2，后轴磨损比前轴严重：

F_xb-F_eddy＞F_air1max:F_air1＝F_air1max,F_air2＝F_xb-F_eddy-F_air1max

F_xb-F_eddy≤F_air1max:F_air1＝F_xb-F_eddy,F_air2＝0 (10)

3，若前、后轴磨损程度一致：

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种商用车集成制动系统分工况制动力分配优化方法，其特征在于：该方法将制动工况分为紧急制动、下长坡制动和其他普通制动三种，根据采集和估计得到的驾驶员操作和道路状态，对制动工况进行在线辨识，同时计算驾驶员总需求制动力，然后根据工况辨识的结果和总需求制动力的大小，对每一种制动工况采用不同的控制目标和制动力分配策略，对电控制动系统的前轴摩擦制动力和后轴摩擦制动力、以及电涡流缓速器制动力进行分配；

各工况的制动力控制目标分别为：紧急制动工况以保证制动稳定性和缩短制动距离为目标，下长坡制动工况以尽量减少前、后轴摩擦制动器温度升高为目标，其他普通制动工况以减少并均衡前、后轴摩擦衬片磨损为目标；

对制动工况进行在线辨识的方法是，首先根据紧急制动信号判断是否为紧急制动，若是紧急制动，则进入紧急制动工况制动力分配模式，分配制动力；若非紧急制动，先进入其他普通制动工况制动力分配模式，分配制动力；与此同时，读取道路的当前坡度和制动踏板踩下的持续时间，若当前坡度超过坡度阈值且制动踏板踩下持续时间超过制动时间阈值，则进入下长坡制动工况制动力分配模式，否则就继续按照其他普通制动工况制动力分配模式进行制动力的分配。

2.根据权利要求1所述的一种商用车集成制动系统分工况制动力分配优化方法，其特征在于：紧急制动工况的制动力分配策略是，根据需求总制动力和当前坡度，对前、后轴制动力采用理想制动力分配方式进行分配，并根据电涡流缓速器转子盘的转速计算电涡流缓速器可提供的最大制动力，将后轴制动力尽量多地分配给电涡流缓速器。

3.根据权利要求1所述的一种商用车集成制动系统分工况制动力分配优化方法，其特征在于：下长坡制动工况的制动力分配策略是，根据目标制动减速度、当前坡度和当前车速，查询离线优化得到的制动力分配系数MAP图，得到最优的制动力分配系数，对三个制动执行机构进行制动力分配，进行离线优化时，优化目标为尽可能多地使用电涡流缓速器进行制动、但不超过允许温度和电流的限制，同时使主制动器温度综合尽量小，优化变量为各制动执行器的制动力分配系数，离线优化的目标函数为：其中θ_air1、θ_air2、θ_eddy分别为前轴摩擦制动器、后轴摩擦制动器和电涡流缓速器在一定车速和制动力下的稳态温度，300是保证电涡流缓速器正常工作的温度限制，优化的数学目标是使f(X)最小，离线优化的约束条件包括地面附着力约束、ECE法规对前后轴制动力的约束，以及转子盘转速对电涡流缓速器制动力的约束。

4.根据权利要求1所述的一种商用车集成制动系统分工况制动力分配优化方法，其特征在于：其他普通制动工况的制动力分配策略是，根据目标减速度、当前坡度和电涡流缓速器转子盘转速，在地面附着条件和ECE法规对前、后轴制动力的约束，以及电涡流缓速器转子盘对电涡流缓速器制动力的约束条件下，尽量多地使用缓速器进行制动，在此基础上，根据摩擦衬片的磨损情况，尽量使摩擦衬片磨损量少的制动器多承担制动力。