（车辆工程专业论文）电液复合制动系统制动力分配方法研究.pdf

摘要 电动汽车上，再生制动系统与液压制动系统共同作用构成了电液复合制 动系统。复合制动系统的制动力分配方法直接影响电动汽车回收制动能的性 能和制动时的效率，是复合制动系统研究的基础。因此，本文基于不同的制 动意图，研究了以实现不同功能为目标的制动力分配方法，并通过各种制动 工况下的离线仿真，考察了该方法对制动性能的改善。 本文首先介绍和分析了国内外对复合制动系统及其制动力分配方法的 研究现状，明确了根据不同的制动意图采取不同的制动力分配方法的研究思 路。然后根据对实车实验的结果的分析，选取了踏板角位移和平均角速度作 为关键参数，对驾驶员的制动意图进行识别。接下来详细分析了复合制动系 统在不同制动意图下的性能要求，提出了三种不同的复合制动力分配方法。 接着建立了复合制动系统及车辆系统的仿真模型。最后通过分析不同制动工 况下的仿真结果，对整个复合制动系统制动力分配方法进行了评价。 论文结果证明，该制动力分配方法在充分回收制动能的同时，还能有效 提高多数制动工况下的制动效率；在采用合理的电机制动力控制方法时，还 能改进制动时的舒适性。 关键词：复合制动系统，制动意图，制动力分配，制动系统建模 o ne l e c t r i cv e l a i c l c s , 职雪即魄蜘i n k i n gl l y l l t l 矗l la n dt l a ch y a r a u l i eb i 面血喀 町，s l 皿t o g e t h e rf o r mae l c e l z o n i c - h y d r a t t l i e - c o m p o u n t lb r a k es y s t e m t h eb r a k ef o r c e d i s l r i b u t i o no ft h ec o m p o u n db l a k es y s t e md i r e c t l ya f f d z t st h ee l l e r g yr e c o v a i n g a b i l i t ya n dt h eb l l l k ep 盯f o 啊n a 血o fo l e e l r i ev e h i c l e sd u r i n gb r a k i n g , a n da l s oi 摹t l a e b a s i so ft h ee o m p o u a db r a k ei i y s t c i l lr e s e a f c l a t h e l c f o l r e , t h i sp a p b a s o d0 1 1 d i f f e r o n tb r a k i n gp u r p o s e ，r e s e a r e l a e dt h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nu l c t h o dt oa c i l i g v e t h eg o a lo fd i f f e r c l a tf i m e t i o m a n dt h e nt l a r o u 曲a no f l l i l a es i m u l a t i o nc v a l u a m tt h e p 髓f b m 柚i m p r o v c m e l a t sf r o mt h i sm e t h o d f i r s t l y , t h i sp a p e rg m ac h i e f i n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so f t l a es t a t u sq o f t l 址 c o m p o u n db r a k es y s t 锄鹤w e l l 勰t h ef o r c ed i s t r i b u t i o nm e 峨t l 脚e b ym a k ei t d e a rt or e 剐冀正c ht h ed i f f e r e n tb r a k ef o r c ed i s l r i b u t i o nm c t l a o d sp u r p o s et h i n k i n go f d i f f e r e n tb r a k ep u r p o s e t h e na c c o r d i n gt ot h ea c t u a lt e s tr e m l t sa n dr d a t c da m l y s i s ， s e l e c t e dp e d a l 锄g u l 盯d i s p l a c e m e n ta n dm i x u la n g u l a rv e l o e i t ya l lak e yp a r m e t 锄 f o rt h ed r i v e sb r a l d n gp u l p o f l l 。i d e n t i f i c a t i o n a n dt l a c nd e t a i l o d l ya n a l y z e dt h e f i m c t i 咄t h a ts h o u l db er e a i i z 。db yc o m p o u n db r a k es y s t - mu n d c l d i f f e r e n tb i 锄d 皑 p l l r p o s l 葛la n dp r o l 瑚x lt h r e ed i f f e r e n tc o m p o u n db r a k ef o r e od i s l z i l m t i o nm d h o d o t h e na f 暗u p b u i l tt h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h ec o m p o u n db r a k i n gs y s t 锄a n d v e h i c l es y s t e m f i n a l l yt h r o u 曲t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s t t i 忸u n d e rd i f f e r m t b r a k i n ge o n d i l i o m , g a v et h ee v a l t u i t i o nf o rt h i sb r a k e - f o r c ed i s t r i b u t i o x am e t h o df o r t h ee l l l j i ec o m p o u n db r a k l s y s t e m t h e s er e s i l l t sd a n o l l s l z a t et h 越t h cb r a k ed i s m b u l i o nm e t h o dc a l ls u f f i c i e n t l y r e c y c l eb l a k ei 铂c l g ya n da tt h es a m et i m ee f f e c t i v e l yi m p l * o v et h eb r a k i n ge f l i e i c n e y u n d e rm a j o r i t yb r a k i n gc o n d i t i o n s ；w i t har e a s o n a b l em e c h a n i 蛐o fe l e c t r i cp o w c 譬 c o n t r o lm c t l a o dc a l l 如m 晒i m l ，r o v eb r a h n gc o m f o r t k e yw o r c l m ：c o m p o u n db r l l k cs y , j t c m , b l a k el m r p o s o , b r a k ef o r c ed i s t r g o u t i o n , b l o e y s t c mm o d e l i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 一本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 问题来源与研究意义 第1 章绪论 随着世界能源需求形势以及环境保护形势的日趋严峻，电动汽车( e v ) ，包 括混合动力汽车( h e v ) 已成为汽车发展的一个重要趋势。在混合动力汽车、 燃料电池汽车以及纯蓄电池电动汽车上，作为驱动单元一部分的驱动电动机， 在汽车减速时也能提供制动力，这样，车上便同时拥有了电动机制动系统和液 压机械制动系统，形成复合制动系统。复合制动系统的设计与控制问题是混合 动力汽车( h e v ) 、电动汽车( e v ) 中存在的共性问题。 复合制动系统的一个最大优势是具有回收制动能的功能。在汽车减速制动 时，可利用电动机发电，将汽车动能转换为电能储存，即再生制动常规汽车 在城市工况下行驶时，制动系统所消耗的能量，约占驱动能量的5 0 “1 ，利用电 机的再生制动功能，可以有效地回收该部分能量，降低混合动力车的电池能耗， 提高能量利用效率和燃料经济性，降低排放，减少污染。这也是用电机系统提 供制动力的最显著优势同时，由于由电动机提供部分制动力，相应的液压系 统所提供的制动力可以减小，因此可以降低液压制动系统的容量及尺寸要求 轮放电机由于其结构紧凑，易于实现各种驱动方式的特点，被越来越广泛 运用各类电动汽车上本文研究基于四轮轮毂电机独立驱动的电动汽车。液压 制动系统具有固定制动力分配比。 由于轮毂电机的控制比传统的液压系统更准确、迅速、方便，轮毂电机的 动态响应特性也较好，因此可对各轮上总制动力进行灵活的调节，实现制动力 在前后轴间和各个轮间的动态分配和调节与传统的采用固定前后制动力分配 系数的制动系统相比，可以更加充分的利用各轮上的地面附着力，缩短锚动距 离，改善制动效能，获得更好的制动动力学性能 制动力分配方法的研究是复合制动系统研究的一个重要方面通过选取合 适的制动力分配方法，可计算出不同条件下应当施加在各轴及各轮上的制动力， 包括由电机所提供的制动力和由液压系统所提供的制动力的大小在制动时复 合制动系统应当实现的功能包括：满足驾驶员对制动力的需求；满足制动能回 收的需要；提高制动效率；具有较好的制动舒适性在选取制动力分配方法时， 需要考虑满足这些功能的需求在不同的制动工况下，需要以实现不同的功能 第1 章绪论 为主要目标，如在中小制动减速的情况下，应以回收制动能的最大化为主要目 标；而在紧急制动的时候，应以提高制动效率为目标。不同的目标下，需要采 用不同的制动力分配方法。因此，复合制动力分配方法的研究中，也应包括对 制动工况识别方法的研究 此外，制动力控制方法也是复合制动系统研究的内容。由于作为制动执行 机构的轮毂电机与液压制动系统之间的动态特性有较大的差异，电机的动态响 应要快于液压系统，所以需要采用合适的控制方法，降低这种由不同动态特性 所引起的总制动力的波动，这有助于提高制动时的舒适性。 轮毂电机所提供的制动力，一般可采用闭环反馈控制；液压系统根据实际 情况，分为可闭环反馈控制或仅可前向开环控制。控制方法及相关参数的选取， 要依据具体执行机构( 包括轮毅电机和液压系统) 的动态特性。 复合制动系统基于其本身的特点，可以方便的与线控制动( b r a k e - b y - w 1 】r e ) 结合起来。线控系统是汽车电子化趋势的要求，线控制动是线控系统的一个主 要组成部分m 线控系统的基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系统。采用线控技 术可以降低部件的复杂性，减少液压与机械控制装置，减少杠杆、轴承等金属 连接件，减轻重量，降低油耗和制造成本。此外，由于电线走向布置的灵活性， 因此汽车操纵部件的布置也具有灵活性，提高了汽车设计的自由空间，而且线 控系统易于与未来高级汽车动态控制系统的其他子系统进行整合，因此具有良 好的发展前景 在线控制动系统中，各个功能块之间主要通过电信号进行通信，并会包含 有一个e c u 控制单元，对整个系统进行控制。 电子制动踏板是线控制动系统中的一个重要功能块，是由传统制动踏板开 发而来的，机构及特性也都近似于传统制动踏板，但是取消了制动踏板和后面 液压主缸的机械连接，而由用一个特定的模拟器来模拟制动踏板力反馈感觉。 同时，电子制动踏板中集成了多个传感器，用于采集驾驶员进行制动操作时的 各种输入信号，e c u 可方便地根据这些信号识别出不同的制动工况( 包括需求制 动强度) 。 复合制动系统中，轮毂电机的制动力控制本身就是由电子信号实现的，因 此可以直接的引入至线控制动。 在传统的液压制动系统中，踏板机构将驾驶员的作用力放大并通过机械机 2 第1 章绪论 构传递到液压制动系统。而在线控制动的复合制动系统中。液压制动力不再是 由直接由驾驶员提供，而是通过电子控制的液压生成装置或电子机械装置提供 现阶段线控制动系统中所采用的液压制动装置，仍主要是基于传统机械液压式 系统的电子液压式因此对现有机械液压式系统特性的研究，也是线控制动 研究的基础 本文将采用模拟线控制动的思路，基于不同的制动工况对复合制动系统的 制动力分配与控制方法进行研究，并通过仿真评价该方法对制动性能的改善， 以及对制动舒适性的影响 1 2 研究现状综述 1 2 1 复合制动系统的发展与研究现状 复合制动系统是指包含有几个子系统，以同时利用摩擦制动和动力制动共 同作用的制动系统。摩擦制动系统指的是常用的采用制动盘，制动鼓的制动系统； 动力制动系统的概念，是指不通过制动盘，制动鼓的摩擦作用，而将车辆的动能 转化为其他形式能量( 电能，热能) 的系统，如电机制动系统 复合制动系统，最早用于轨道机车方面。m 1 ，这是因为机车的行驶动能很大， 制动时摩擦制动器会产生大量的热量，明显降低制动效率因此引入了动力制 动等其他制动方式，以获得较高的制动减速度常见的动力制动即驱动电机牵 引力制动，在提高制动性能的同时还能回收制动能量。 汽车上的复合制动系统的应用，也是始于重型商务车上嘲哪，称为复合电翻 动系统( h e b s ) ，包括一个传统液压系统( c b s - c o n v a a t i o t m lh y d r a u l i cb r a k e s y s t e r a ) 和一个布置在原制动器附近的涡流制动系统( e c b e d d yc m a 饥tb r a k e ) ， 其结构如图1 1 。在高速制动时，涡流制动系统利用电磁力提供额外的制动扭矩。 以获得更高的制动减速度。在这种复合制动系统结构中，还未有利用涡流制动 系统进行制动能的回收 第1 章绪论 圈i ih e b s 系统的结构原理图“ 近年来随着电动汽车的发展，复合制动系统的应用也越来越广泛，最主要 的复合形式是摩擦作用制动系统和电机制动系统的结合。由于摩擦制动系统和 电机制动系统的结构形式较为多样，因此，复合制动系统的也具有多种形式。 电动车种类多样，具有各种不同的电机布置形式和驱动形式。电动汽车上 电机制动力的作用形式与电机的驱动形式一致，因此按照驱动形式的不同，可 将复合制动系统分为三类：电机制动力仅作用于前轴时叫做前轴电机力制动系 统，电机制动力仅作用于前轴时后轴时叫做后轴电机力制动系统，电机制动力 可同时作用于前后轴时叫做前后轴电机制动力系统。进一步的按照电动机布置 形式可分为分布驱动和集中驱动，分布驱动主要有前后轮轮边驱动和四轮轮边 驱动，前者多见于油电混合动力车，后者多见于纯电动汽车，集中驱动多见于 电电混合的燃料电池车和油电混合动力车。 用于提供电磁制动力并回收制动能的电机。按照及其结构和工作原理，也 可分为不同的种类。由于永磁无刷直流电机( b l d c m b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n t m o t o r ) 采用了电子换相器替代直流电机的机械换向器。采用位置传感器控制稳态 精度，既具有直流电机的良好调速特性又具有交流电机结构简单、运行可靠、维 护方便的特点，再加上其体积小、速度高、可靠性好等优点硼，近年来广泛的应 用在各种集中驱动或分布驱动的电动汽车上。 现阶段复合制动系统中所采用的磨擦作用制动系统，主要仍为采用盘式或 鼓式制动器的液压制动系统。该系统是当前乘用车应用最多的制动系统，以x 型布置的液压制动系统最为常见。 随着电子技术和计算机技术的发展，出现了电子液压式制动系统 ( 啪e l e c t r i ch y d r a u l i cb r a k e ) ，电子机械制动系统( e m b e l o c t r i cm e c h a n i c a l 4 第1 章绪论 b r a k e ) 等新的制动系统形式。 电子液压式制动系统( e 船) 的工作原理与传统液压制动系统近似，只断 开了踏板机构与传统液压系统的直接连接，而采用其它电子控制机构来产生制 动油压“。电控液压的产生可以采用不同的方法，如文献 9 中所述的，在车辆 的传统液压制动回路上改装高速电磁阀，并通过f l u 控制电磁阀的通断占空比， 可以实现管路中的制动油压的精确调节，并可以通过加装液压传感器将测得油 压作为控制信号，控制电磁阀的通断。 电子机械制动系统( e m b ) 中完全的去除了液压系统，由电线传递能量， 数据线传递信号，通过驱动电机和机械装置来推动制动钳块进行制动。由于采 用了纯电气化的控制和取消制动管路，因此就具有结构简洁反应迅速，安全环 保等优点“” 由于电液制动系统和电子机械制动系统相比较于液压制动系统具有反应迅 速和易于控制的特点，更加适合于采用线控制动技术，b o s c h ，s i e m e n s , c o n t i n e n t a lt o w s 等零部件公司都在进行这类系统的研发，并已将e h b 用于一些 车型如2 0 0 4 奔驰c k 、s l s 0 0 的批量生产中。 综前所述，迄今为止用于汽车上的复合制动系统按照电机制动系统和摩擦 制动系统的不同，可以分为多种形式，如图1 2 所示 电机制 动系统 摩擦翻 动系统 r 电机前置前驱 i 电机后置后驱 r 前轴电机力制动 后轴电机力制动 l 前后轴电机力制动 图1 2 复合制动系统的结构形式 复合制动系统发展的一个重要趋势就是与线控制动系统结合在一起形成线 控复合制动系统。这种形式可以灵活控制各轮上的电机制动力与摩擦制动力， 有助于提高制动能回收率，改善车辆的制动性能，以及实现防抱死制动系统 ( a b s ) 和电子稳定性程序( e s p ) 的功能，因此具有良好的应用前景。图1 3 黝 香l 中 布 集 分 ，l 嘶 胁 动 黧一 第l 章绪论 示出了某电动汽车线控复合制动系统的结构示意图，该复合制动系统为集中电 机前后轴电机力制动与电子机械式制动方式的结合 圈1 3 某线控复合制动系统结构示意图 现阶段复合制动系统研究的重点，一方面是旨在提高制动能回收率的电机 制动系统以及能量回收策略的研究，如文献 1 1 研究了在并联式混合动力轿车 上实现再生制动的方法，并根据电池s o c 、车速和电机容量等信号设计了复合制 动控制策略，通过硬件在环实验验证了该策略的有效性；文献 1 2 计算了混合 动力车辆采用复合制动系统时能回收的最大能量，并对复合制动过程中的防抱 死控制问题进行了仿真研究；文献 1 3 采用超级电容作为制动能回收时的储能 装置，针对某一特定的行驶路线优化了能量回收策略。 另一方面，制动力分配方法的研究，也是复合制动系统研究的主要内容， 其研究状况在1 2 2 节中详细介绍。 本文所研究的复合制动系统是由液压制动系统与分布电机前后轴电机力制 动的结合。基于的平台是某四轮轮毂电机独立驱动的电动汽车 轮毂电机应用于电动汽车的研究始于日本，东京大学于上世纪九十年代后 期开发“u o te 1 e c ( r i cm a r c h ”系列四轮电动轮驱动的电动汽车，进行了一系列 研究“小。采用轮毂电机驱动省略了从减速器到半轴的一系列机械传动部分， 驱动效率显著提升，可实现多种不同的驱动方式，并能通过线控技术实现轮毂 电机从零至最高转速问的无级变速及各轮之间的差速；轮毂电机与车轮集成在 6 第1 章绪论 一起，结构紧凑，便于整车空间布置，利于形成平台化的集成动力系统的底盘； 轮毂电机控制方法方便简单，且响应时间很快( 约在1 0 m s 级别) ，因此在能量 管理控制及动力学控制方面，具有明显优势 由于这些显著的优点，轮毂电机得到了很大的发展。2 1 年日本庆应大学 开发了八轮轮毂电机驱动的k a z 大轿车。2 0 0 2 年北美汽车展上通用汽车公司推 出了四轮轮边驱动底盘一体化线控的概念车a u t o n o m y ，2 0 0 4 年东京国际汽车展 上丰田汽车公司展出了f i n e - n 燃料电池概念车，四轮轮边驱动，轮毂电机峰值 功率2 5 k w 最大扭矩1 1 0 n m , 2 0 0 5 年上海国际汽车展上通用又一次展出了其新一 代线控滑板式底盘燃料电池概念车s e q u e l ，后轮轮毂电机驱动，峰值功率2 5 k w 最大扭矩5 0 0 n m ，具有燃料电池和蓄电池两个能量源，是电电混合形式的混合 动力汽车。国内北京理工大学和同济大学都在进行电动路驱动的电动汽车研究 删“”，同济大学研发了“春晖”系列四轮轮边驱动微型电动汽车 采用四轮轮毂电机驱动的复合制动系统，能在前后轴上同时施加电机制动 力，因此对前后轴制动力分配比具有调节作用。其调节能力取决于电机可提供 制动力矩的大小。由于轮毂电机制动力独立可控且能精确观测轮边的转矩和转 速值，因此采用轮毂电机的复合制动系统在动力学控制方面相比于电机集中布 置的复合制动系统具有显著的优势。基于轮毂电机的电液复合制动防抱死动力 学协调控制已有研究人员展开初步研究，考虑防抱死协调控制的电液制动系统 匹配的研究说明了轮毂电机的独特优势“” 1 2 2 制动意图识别方法的研究现状 制动意图识别或者说制动工况识别所获得的结果，可作为不同目标下复合 制动系统制动力分配方法的选择依据。因此，制动意图识别方法的确定，是本 文研究的一个重要内容。 制动意图，是驾驶意图的一部分，是驾驶员对车辆进行减速操作的一种意 图。至今的一些研究主要将驾驶意图作为整体进行研究。车辆在行驶过程中， 可以看成是由驾驶员、车辆和行驶环境组成的一个闭环系统，这里驾驶员起闭 环系统控制器的作用。驾驶员根据车辆当前的行驶环境和行驶工况，按照自己 的个性和驾驶意图操纵车辆行驶环境包括道路条件和交通状况，二者随时间 和空间而变化它决定了驾驶员对车辆的操纵，主要指对车辆纵向运动、横向 7 第1 章绪论 运动及转动的控制驾驶员通过转动方向盘、换挡、操纵油门踏板和制动踏板 等来改变车辆的行驶工况，使车辆的运行状态能适应外界行驶环境的变化。在 人一车一路的闭环系统中，驾驶员可以看作一个自适应智能传感器，而驾驶员意 图识别也就是将该传感器的信号加以处理得到对车辆的信息 简单的从车辆纵向运动来区分，驾驶意图可以分为起步、加速、减速和停 车。如再与车辆的横向与转向运动结合，则构成了一种典型的变道行驶情况。 该情况多用于研究驾驶员模型与车辆自动驾驶，并常与车载摄像与图像识别等 技术相结合叫，这种对行驶工况的识别方法，并不适用于制动意图的识别。 迄今为止对制动意图识别方法的研究还缺乏针对性和系统性。制动工况的 分类，一般来说可以分为一般制动、紧急制动、持续制动、停车制动等情况 制动工况，驾驶员制动意图和对制动系统进行的操作。是相互关联的，因此， 通常都是通过选取制动系统中的适宜参数，作为制动意图及制动工况识别的依 据选取的参数主要是踏板位移、踏板力和制动油压o ”，或是它们的一阶或二 阶时间导数如文献 2 2 提到了一种基于制动油缸的压力变化率和发动机的转 速降低值来区分一般制动和紧急制动两种工况的方法，其应用目标是自动变速 器换档控制。 利用制动踏板上的踏板力、踏板位移或速度、车速等信号，可以进行制动 工况的识别】。随着电子制动踏板技术的广泛应用，集成了多个传感器的电子 制动踏板可以为制动工况识别方法提供所需要的各信号，这种方法也将会越来 越广泛的使用 如在b o s c h 公司开发的制动辅助系统中洲，以驾驶员踩踏板的速度作为判 别紧急制动的参数，在缓慢制动时液压传动装置的放大比例为6 ，而在紧急制动 时放大比例为2 3 ，以提高在紧急制动时的安全性当踏板速度达到某一门槛值 时，制动辅助系统被激活目前该制动辅助系统已经在国产的东风标志3 0 7 车 型上得到了应用 1 2 3 复合制动系统制动力分配方法的研究现状 复合制动系统制动力的分配与控制，是复合制动系统研究的基础。为了提 高能量利用效率，在保证制动动力学性能的情况下尽量实现回收制动能的最大 化，是复合制动系统制动力控制方法研究的基本出发点 8 第1 章绪论 国内外已有不少基于各种电动车形式的研究成果文献。 文献 2 5 对设计的混合动力轿车再生制动进行了建模仿真，提出在考虑再 生制动能回收最大化的同时必须考虑制动稳定性的问题，并指出由于前轮的制 动力分配比较大，在前轮进行制动能回收更有利于提高混合动力车的经济性。 文献 2 6 分析了典型循环工况下城市公交汽车制动能量随制动减速度变化的分 布规律，根据城市公交汽车车速变化大，制动频繁且制动强度较低的特点。提出了 适合于混合动力电动公交汽车( h e b ) 的再生制动控制策略，即低制动强度时优先 采用再生制动，高强度时按比例复合再生制动与摩擦制动。这些方法主要是单一 的以回收制动能量的最大化的为目标，缺少对制动性能等其它目标的考虑，具 有一定的局限性 以回收制动能为主要目标，同时考虑其它目标如制动性能或制动舒适度的 复合制动力分配方法也逐渐成为研究的重点。 文献 2 7 中基于最优控制理论设计了一套有效的制动力分配模型，以实际 车辆减速度作为反馈控制变量，以跟踪制动减速度需求和提高制动能量回收率 为设计指标。对控制环节中的各参数进行了优化文献 2 8 分析了复合制动系 统的工作过程，探讨了影响电动汽车制动系统可靠、安全和高效的主要因素， 研究了复合制动系统的优化途径。 在考虑复合制动系统制动稳定性方面，文献 2 9 以理想制动力分配曲线为 目标，在车辆液压制动力分配系数保持不变的情况下研究了前后液压制动力和 再生制动力分配的比例关系，确定了制动力分配控制策略。在确保液压制动力 分配系数满足法规要求的情况下以最优制动力分配为目标优化了整车结构参 数。文献 3 0 中提出一种基于制动强度和制动稳定性，按照理想制动力分配i 曲 线进行制动力分配和制动模式的选择的方法，以实现制动能回收和保证制动效 能。以上的这些研究中，基于的都是仅具在单轴上利用电机制动力的电动车， 与本文研究的四轮轮边驱动电动车的复合制动系统情况有所不同 多目标下的复合制动系统动力分配方法研究的一个新趋势，就是根据具体 不同的制动工况，选择不同的功能目标，选择不同的制动力分配方法文献【3 l 】 中把再生制动力矩折算为相应的液压制动踏板行程，使再生制动力矩产生的制动 感觉和液压制动感觉相一致，根据纯再生制动模式、紧急制动模式和一般制动模 式三种情况下的制动距离进行分析计算，提出了不同制动模式下的再生制动的 控制策略文献 3 2 中从复合制动条件下制动稳定性问题出发进行了研究。根据 9 第1 章绪论 踩制动踏板的加速度确定两种制动请求：正常制动和紧急制动，正常制动分为两 个阶段：纯电机制动和复合制动，紧急制动不采用电机制动。采用了三种制动力分 配形式：理想的前后轴制动力分配策略，最优回馈能量分配策略，混合并联式制动 策略，其中的混合并联式按照制动强度大小确定采用电机制动力和液压制动力 同时采用两种制动形式时电机制动和液压制动按照固定关系共同制动。 随着汽车的普及和生活水平的提高，人们对汽车驾驶舒适性的要求也越来 越高。制动舒适性属于驾驶舒适性的一部分。制动舒适性除了直接受制动实际 情况决定外，还受驾驶者或乘坐者主观因素的影响。同样的实际情况下，不同 的评价者会有不同的感受，舒适性的程度也难以用量化的方法表示。因此，对 制动舒适性的研究，在国外也仅在开始阶段，集中在对制动舒适性评价方法的 研究上；而以制动舒适性为目标的复合制动系统制动力分配方法研究，在国内 外都还没有涉及制动舒适性的复合制动系统研究的可行方法是：在得出确定的 制动力分配方法后，利用不同工况或制动情况下的实际实验或仿真结果，对制 动舒适性进行评价。 文献 3 3 】中基于大量统计数据，将制动舒适性分为5 个等级，并用“不舒 适指数( d i s c o m f o r ti n d e x ) ”来表示。不舒适指数与舒适性程度的关系由下图 表示。其具体含义是：当不舒适指数等于1 时，说明这种状态使所有的乘坐者 都感到舒适；当不舒适指数等于5 时，说明这种状态使所有的乘坐者都感到不 舒适；当不舒适指数等于3 时，说明这种状态使6 0 9 6 乘坐者都感到舒适 图1 4 舒适概率与不舒适度指数间的关系 文中的研究还发现，不舒适度指数取决于制动时的减速度( d e c e l c r a t o n ) 和减速度的变化率( j e r k ) ，它们间的关系可用如所示等高曲面表示； l o 第l 章绪论 图1 5 减速度、减速度变化率与不舒适度指教的关系 按照这种方法，可以直接根据实验或仿真结果得到不舒适度指数，直观的 评价车辆制动时的舒适度。 1 3 本文主要研究内容 本文的主要内容是基于某电动汽车进行复合制动系统制动力分配方法的研 究。该电动汽车上采用四个永磁无刷直流轮毂电机驱动，采用相匹配的传统液 压制动系统及盘式制动器。本文的研究是为将来在该系统基础上开发的线控复 合制动系统所做的前期工作。 复合制动系统可以实现不同的功能，包括回收能量与提高制动性能等在 不同的制动工况下，复合制动系统需要实现不同的功能，因此需要采用不同制 动力分配方法本文基于线控制动系统的工作原理，先从踏板机构的特性入手 得出制动意图识别方法；然后根据不同制动意图下的工作目标分别确定了以 回收制动能为目标和以提高制动效能为目标的制动力分配方法；再按照实际中 轮毂电机与液压制动系统的动态响应特性的差异，确定了用于协调控制的p i d 闭环反馈控制器；最后建立系统模型并在不同制动工况进行仿真，评价所研究 得到的制动力分配控制方法的各项性能。 本文中所研究的复合制动系统工作流程如图1 6 所示，主要分为以下步骤： 1 通过电子踏板上的传感器收集驾驶员进行制动操作产生的踏板位移、踏 板速度等信号； 第1 章绪论 2 通过制动意图识别模块得到目标制动强度和制动工况： 3 根据不同的目标制动强度和制动工况选择适宜的制动力分配方法； 4 控制轮毂电机和液压制动系统进行制动； 板位移遗 度，踏扳力世 图1 6 复合制动系统工作流程示意图 本文的研究工作中，包括对现有电动车上采用的制动系统所进行的台架实 验和实车实验，这些实验数据主要用在液压系统建模与制动工况识别两个方面。 本文的详细研究内容和章节安排如下： 第一章：分析了国内外相关领域内的研究现状，确定了本文研究工作的重 点和方向及可行的研究方法，并总结了本文的主要研究内容。 第二章：分析了制动工况识别对于确定不同制动力分配方法的重要意义， 提出了制动意图识别方法所需要满足的三条原则。在理论分析的基础上，设计 并进行了实车实验，根据得到的结果，对制动时的各个参数进行对比选择，最 终确定以踏板角位移单一对应目标制动减速度和以踏板空行程内某段的平均角 速度作为制动工况唯一关键参数的识别方法。 第三章：阐述了轮毂电机制动力与液压系统制动力的计算方法。分析了如 何根据不同的制动工况和制动减速度需求，采用不同的制动力分配方法三种 1 2 第1 章绪论 不同的制动力分配方法分别是以回收制动能为目标的纯电机制动力分配方法， 以回收制动能为目标的复合制动制动力分配方法和以提高制动效率为目标的复 合制动制动力分配方法。结合复合制动的制动力分配方法对液压制动系统部分 的前后轴制动力分配比进行了优化 第四章：根据无刷直流电机的工作原理建立了轮毂电机模型；结合原有的 理论研究和台架实验的数据，采用模型辨识的方法得到了液压制动系统的模型； 建立可用于直线制动下仿真的三自由度车辆模型和基于魔术公式的轮胎模型 将反映制动力执行机构( 即轮毂电机和液压制动系统) 动态特性的传递函数等 效转换为一阶惯性环节的形式，并采取了闭环p i d 控制器进行控制，使实际电 机制动力与实际液压制动力的动态响应更为一致，减小协同工作时所产生的总 制动力波动。建立了用于仿真的系统模型，设定各种不同的制动工况进行仿真 验证了该制动力分配方法较好的利用了电机制动力，而对制动效率的改善则主 要受控制器计算频率和执行器特性的影响与限制。并证明了电机制动力的p i d 控制可以减少总制动力的波动，而整个制动系统总动态特性仍主要取决于液压 系统。证明了电机制动力的p i d 控制可用于改善中小制动强度下的制动舒适性 第五章：总结了全文，得出结论，对后续工作提出建议。 1 3 第2 章驾驶员翻动意图识别 第2 章驾驶员制动意图识别 在不同的制动情况下，复合制动系统的制动力分配方法要满足不同的要求， 因此，需要通过驾驶员制动意图识别，来区分不同的制动情况，作为制动力分 配方法研究的一个前提。 2 1 制动意图识别概述 2 1 1 制动意图识别的目的与意义 制动意图识别的定义就是区分驾驶员在进行制动操作时的目的，即所处的 制动工况( 包括目标制动减速度) 。车辆在制动过程中，可以看成是由驾驶员、 车辆和行驶环境组成的一个闭环系统，这里驾驶员起闭环系统控制器的作用 驾驶员根据车辆当前的行驶环境和行驶工况进行制动，使车辆的运行状态能适 应外界行驶环境的变化。因此，识别驾驶员的制动意图，实际上也就是基本等 同于区分不同的制动工况 在不同的制动工况下，无论是驾驶员主观上的踏板感觉与制动舒适性上的 要求，还是客观上的车辆制动性能上的要求，都是不同的。比如在进行紧急制 动时，驾驶员往往希望制动系统的空行程小、制动响应迅速、制动压强大，以 缩短制动距离，提高制动安全性；在中小幅度制动时，往往希望踏板行程稍大， 车辆减速度变化均匀，避免顿挫，提高制动舒适型。 制动意图识别的主要用于改善车辆制动性能方面的研究，同时也可用于其 它相关的如变速器换档控制矧、车辆操纵动力学以及自动巡航驾驶等方面“”嘲 用于不同方面的制动意图识别，对制动工况的分类与参数的选择方面会有所不 同 日本丰田公司h i r o a k iy o s h d a 等人研究发现嘲，在5 0 次被调查的单车道碰 撞事故中，7 8 的驾驶员没有以最大的制动力进行制动：作者为此开发了制动辅 助系统，在识别出驾驶员的紧急制动意图后，制动辅助系统提供最大的制动力， 以确保制动安全 1 4 第2 章驾驶员制动意图识别 在b o s c h 公司开发的制动辅助系统洲中，在缓慢制动时液压传动装置的放 大比例为6 ，而在紧急制动时放大比例为2 3 ，以提高在紧急制动时的安全性 而判别紧急制动的参数为驾驶员踩踏板的速度，当踏板速度达到某一门槛值时 制动辅助系统被激活。目前该制动辅助系统已经在国产的东风标志3 0 7 车型上 得到了应用。 从以上两个例子可以发现，识别紧急制动并采取相应的控制措施能够有效 提高制动安全性。 在具有再生制动功能的电动汽车中，存在液压和电机再生制动两种制动方 式，这两种制动方式各有特点，并且可以联合工作两种制动方式对应着电动 汽车复合制动系统的两条基本控制策略原则：( 1 ) 在日常行驶时的低、中强度 制动工况时，以制动能回收最大化为系统主要控制目标；( 2 ) 在紧急制动时， 以汽车制动动力学性能为系统首要控制目标1 。即在低、中强度制动工况并且汽 车不处于危险工况时，由电机再生制动方式提供全部所需制动力，若制动踏板 信号要求超出电机再生制动力矩范围，不足制动力由液压制动弥补紧急制动 工况时，复合制动系统的电机再生制动和液压制动同时作用，以期在最短的时 间里获得足够的制动力矩。 由此可见，正确识别驾驶员的制动意图，并采用相应适宜的制动力分配与 控制方法，能够提高制动安全性和舒适性；对混合动力和电动汽车还能提高动 力系统的制动能量回收率，具有重要的研究价值 2 1 2 制动工况的分类 按照目标制动强度来区分 首先，驾驶员采用制动操作的直接目的便是要使车辆制动因此，按照驾 驶员所期望得到的制动强度的大小，可以将制动分为：( a ) 小强度制动，( 2 ) 中 等强度制动，( 3 ) 大制动强度 p e t e rk a p p e l m a n n 的实验证明，踏板位移和制动压力间存在良好的比倒关 系，因此可以肯定，踏板位移或者制动压力能够归为一种制动减速度 按照制动工况来区分 根据驾驶员对车辆的操作特性、道路交通条件的变化以及车辆行驶状态的 变化，这里将制动工况分为四种针对这四种不同的制动工况，选择相应的制 1 5 第2 章驾驶员制动意图识别 动措簏，并提供相应的制动力。 ( 1 ) 紧急制动 车辆在行驶过程中，遇到突然出现的危险情况时所采取的迅速减速停车措 施，比如行人或者动物突然闯入行车道。紧急制动时，驾驶员一般采用“急刹” 操作，即用力踏下制动踏板紧急制动是一种急剧的、大强度的制动工况。 ( 2 ) 一般制动 或者称为预见性制动、调节制动，是车辆在通过路口，转弯、会车等处时， 或者驾驶员发现道路前方出现异常情况( 估计难以通过) 而有目的采取的减速 或停车措施对于调节制动，驾驶员一般采用“点刹”操作或持续轻踏制动踏 板，此时离合器一般保持接合状态。以充分利用发动机进行制动减速。如果发 动机转速降至某一值时，也应分离离合器，否则会因发动机负荷过大而熄火 ( 3 ) 持续制动 汽车在盘山公路下长坡时进行的制动，目的在于保持一定的车速，所需的 制动力相对较小伽 ( 4 ) 目标制动 或者称为停车制动，是指驾驶员有目的地将车辆停至某一位置。在据目标 位置有较长距离时，驾驶员已开始连续轻踩踏板以制动，在接近目标位置时， 进一步踩下踏板增大制动强度或变为紧急制动情况因此。目标制动可以被认 为是一般制动与紧急制动的综合情况。 制动过程中可能包括以上多种情况的组合以上四种制动工况的场合及特 征如表2 1 表2 1 常见制动工况的分类及特征 工况分类场合 特征 紧急制动紧急情况下的制动 踏板位移大，踏板速度高 一般制动行驶过程缓慢的调节车速踏板位移大，踏板速度低 持续制动下长坡踏板位移较小，踏板速度很小 停车制动坡道停车，短暂停车等踏板位移大，踏板速度变化 本文中，制动意图识别的目的是作为不同复合制动系统制动力分配与控制 方法的判断依据，因此制动意图识别的内容包括对目标制动强度的识别以及两 种最基本的制动工况：紧急制动和一般制动。”的识别 第2 章驾驶员制动意图识别 2 1 3 制动意图识别方法的基本原则 制动意图识别的结果，是后续其他系统控制策略的输入信号，如自动变速 器换档控制及复合制动力分配控制等。因此，合理的制动意图识别方法，应当 具备以下一些原则： ( 1 ) 准确性和抗干扰性 制动意图识别方法的准确性，直接关系到不同制动力分配方法下的制动性 能及制动安全性。同时，合适的识别方法还应当能排除非真实制动操作情况的 干扰，如车辆行驶中踏板机构的振动，或驾驶员操作习惯的影响等 ( 2 ) 预见性和迅速性 驾驶员制动意图是具有突发性和不可预见性的，但是，作为制动力分配控 制策略的输入信号的制动意图识别方法，应当是具有提前预见性的，即是要在 制动操作开始后的尽可能快的时间内判别出后续的整个制动意图。这就需要意 图识别在制动过程的前期阶段就迅速完成 ( 3 ) 简单性与实用性 作为输入的制动系统的参数信号需要通过传感器获得，选取较多的参数需 要更多的传感器，同时也会造成识别方法的复杂化。此外，出于实用性的考虑， 传感器信号的采集，需要选择合适的开始与停止时刻的判断参数。 以上三个方面是有所矛盾的，如为了达到更高的准确性，会期望按照更长 时间内的、更全面的参数信号来进行识别，以捧除干扰情况实际中，应当按 照具体要求对三个方面进行取舍与平衡 2 2 基于实车实验数据的制动意图识别方法 迄今为止的研究结果说明，从制动踏板的位移，踏板力，制动油压等参数 可以较准确的区分驾驶员的制动意图但是制动意图与踏板位移，踏板力和踏 板油压等之间的映射关系是非线性的。因此采用基于实验数据来建立半经验识 别模型的研究方法。通过进行制动系统实验，统计与分析实际制动工况下的各 参数变化情况，来选取单个或几个识别参数，并找出与不同制动意图或者说制 动工况问的对应关系，最终确定制动意图识别方法 1 7 第2 章驾驶员制动意图识别 2 2 1 液压制动系统的结构与工作原理 现代的乘用车上，最常用的是液压伺服制动系统。该系统的示意图如图2 1 图2 1 真空助力伺服制动系统示意图 驾驶员通过制动踏板机构直接控制制动系统。驾驶员的制动操作主要包括