CN109941245A - 一种电动汽车制动力分配方法 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车制动力分配方法，属于电动汽车领域；本申请为了解决在低附着系数的路面电动汽车制动时，控制电机减少能量回收，增加了控制的复杂性，降低电动汽车的安全性的问题；本申请包括如下步骤：根据制动强度分配前、后轮制动力；将制动强度、电池SOC与总需求制动力作为输入，通过模糊控制器输出再生制动力占前轮制动力的比例；利用前轮制动力减去再生制动力得到前轮要承担的摩擦制动力；设定滑移率阈值，将实际滑移率作为输入，通过反步控制得到减少再生制动力的比例，当实际滑移率超过规定滑移率，反步控制减少分配驱动电机制动份额；本申请在低附着系数路面，既能提供尽可能多的能量回收，也能使电动汽车保持安全性。

Description

一种电动汽车制动力分配方法

技术领域

一种汽车制动力分配方法，属于电动汽车领域，具体涉及一种电动汽车制动力分配方法。

背景技术

由于现有汽车利用机械摩擦力进行机械制动，而电动汽车则可以通过惯性驱动的方式使 电机工作在发电状态，此状态下电机提供的制动转矩，可以减少部分机械制动。虽然电机提 供的制动转矩不是机械制动，但也能形成车轮轮胎与地面的摩擦力并向电动汽车提供减速制 动力的效果。目前能量回收控制策略主要采用模糊控制器，把电池的荷电状态SOC，总需求 制动力和制动强度作为输入，而输出为再生制动的比例。模糊控制分配策略主要是尽可能让 电机提供制动转矩，然而却无法保证前、后轮分配曲线满足理想I曲线和ECE法规。

人们仅以提高能量回收率为目标，忽略电动汽车制动时的安全性与稳定性。传统的ABS ***主要考虑车辆的制动效率和车轮的抱死情况，当出现复杂的工况时，过大的制动力会使 汽车在ABS***起作用前出现车轮抱死现象。特别电动汽车在低附着路面驾驶时，因为汽车 在冰雪路面制动时，大多数制动力分配方案以再生制动为主要制动力，而电动汽车传统防抱 死***能减少机械制动力。此时很有可能发生抱死现象，从而降低了汽车驾驶稳定性。

从整车层面分析，制动能量回收***主要包括电制动***和液压制动***两个子***， 同时涉及整车控制器、变速器、差速器和车轮等相关部件。电制动***包含驱动电机及其控 制器、动力电池和电池管理***。电机控制器用于控制驱动电机工作于发电状态，施加回馈 制动力；电池管理***控制电能回收于电池；液压控制***包括液压制动执行机构和制动控 制器(BCU)，用于控制摩擦制动力的建立与调节。

目前分配电动汽车制动力主要根据固定比例的分配方式，即前、后轮按照固定比例进行 制动力分配，随着再生制动的发展，大众普遍认识到再生制动是一种有效提高电动汽车的行 驶里程的方式。优先使用再生制动扭矩，实现高效的制动能量回收。而且再生制动相比液压 制动具有反应速度快，可重复性高的优势。目前主要有串联式和并联式的再生制动力分配方 案。但在低附着系数的路面(积水，冰雪)电动汽车制动时，由于制动力大部分是再生制动 力提供，车轮极易出现抱死现象，而电动汽车传统防抱死***会减少机械制动力，此时再控 制电机减少能量回收，反而增加了控制的复杂性，也降低电动汽车的安全性。

发明内容

为了解决本现有技术中的问题，本申请提出了一种电动汽车制动力分配方法，在低附着 系数(冰、雪)路面，既能提供尽可能多的能量回收，也能使电动汽车保持安全性，不会发 生翻车、甩尾、抱死。

本发明的一种电动汽车制动力分配方法，包括如下步骤：

根据制动强度分配前、后轮制动力；

将制动强度、电池SOC与总需求制动力作为输入，通过模糊控制器输出再生制动力占前 轮制动力的比例；

利用前轮制动力减去再生制动力得到前轮要承担的摩擦制动力；

设定滑移率阈值，将实际滑移率作为输入，通过反步控制得到减少再生制动力的比例， 当实际滑移率超过规定滑移率，反步控制减少分配驱动电机制动份额。

进一步的，所述反动控制过程包括如下步骤：

a.构建驱动电机电压方程、力矩方程、车轮纵向动力学模型、车轮力矩平衡模型和地面 制动力模型；

b.通过步骤a构建电动汽车制动时驱动电机模型和车轮动力模型；

c.构建附着系数与滑移率的双线性模型，通过外部滑移率得到相应的附着系数；

d.通过反步控制结合步骤c的附着系数得到调节再生制动力比例。

进一步的，所述驱动电机的电压方程为：

所述力矩方程为：T_e＝k_ti_a；

所述车轮纵向动力学模型为：

所述车轮力矩平衡模型为：

所述地面制动力模型为：F_xb＝mgμ(s)；

式中i_a为电枢电流；R为电枢回路电阻；L_a为电枢电感；k_e为电机电势常数；k_t为电机 转矩常数；m为车辆质量；v为车辆行驶速度；F_xb为地面制动力；g重力加速度；μ(s)为附着系数，s为制动时车轮滑移率；J_w为车轮转动惯量；w_w为车轮角速度；w_w＝w_m/i_g，i_g为 传动系传动比；T_bm为驱动轮上电机制动力矩；T_e为电机电磁转矩；r为车轮滚动半径。

进一步的，所述电动汽车制动时驱动电机模型和车轮动力模型为：

式中，为预分配再生制动力；u为调节再生制动力的比例。

进一步的，所述反步控制步骤包括：

令x₁＝i_a，x₂＝w_w，f₁＝-R/L_a，f₂＝-k_ei_g/L_a，f₃＝U_a/L_a，f₄＝F_rer/J_w，f₅＝mgrμ(s)/J_w， 将电动汽车制动时电机模型和车轮动力学模型转化为二阶***：

引入误差式中，x1为虚拟输入电流；I_d为期望输出电流值；

定义V函数V₁，虚拟控制x₁，并对V函数V₁求导得：

定义V函数V₂，V₂＝V₁+0.5(x₁-α₀)²，对V₂求导得：

定义V函数V₃，V₃＝V₂+0.5(x₂-α₁)²，对V₃求导得：

得到调节再生制动力的比例u：

进一步的，所述附着系数与滑移率的双线性模型为：

式中s_opt为最佳滑移率；μh为峰值附着系数；μ_g为滑移率是100％时的附着系数。

本发明在制动力分配过程中引入滑移率，从制动源头控制既能达到控制的效果又能减少 了电机控制的困难，运用反步控制法，将移滑率作为反步控制的输入量，结合模糊控制输出 的比例，输出量为减少再生制动的比例，在输出再生制动力之前已经确定了前、后轮摩擦制 动力，一旦在小制动强度时的滑移率超过规定滑移率，反步控制器将会减少分配驱动电机制 动份额，这样既不影响传统液压防抱死***的工作，也达到了驱动轮的防抱死的状态；本申 请使电动汽车的制动效果与传统的汽车达到近似的平顺性，改进原有的制动力分策略，使在 反步控制策略下也满足理想I曲线和ECE法规，在低附着系数(冰、雪)路面，既要提供尽可 能多的能量回收，也要使电动汽车保持安全性，不会发生翻车、甩尾、抱死等。前、后轮制 动力分配更加合理和科学，将再生制动力占前轮制动力的比值作为模糊控制器输出，这样使 实际前、后轮分配的曲线符合ECE法规。在原有的模糊控制分配策略上，以滑移率为条件， 用反步控制器来控制，达到电动汽车制动时稳定性和能量回收效率的双目标要求。与模糊控 制策略和ADVISOR2002控制策略相比，滑移率控制策略更加重视电动汽车在实际路况上行驶 情况。

附图说明

图1为现有技术中的ADVISOR2002纯电动汽车模型的分配控制策略；

图2为改进型制动力分配策略示意图；

图3为制动力分配曲线；

图4为本申请实施例的制动力分配策略示意图；

图5为UDDS工况下SOC曲线图；

图6为地附着路面的滑移率曲线。

具体实施方式

电动汽车上的能量回馈制动给其制动***的设计带来两个基本问题：一是如何在回馈制 动和摩擦制动之间分配所需的制动力，并尽可能多地回收制动能量；二是如何在前后轴上分 配总制动力，以实现稳定的制动性能。通常回馈制动仅对驱动轴有效，为回收尽可能多的制 动能量，必须控制电动机产生特定量的制动力。为满足来自驾驶人的车辆减速指令，同时必 须有足够的总制动力。

以ADVISOR2002纯电动汽车模型为例，电动汽车再生制动受到诸如电机功率、储能器 荷电状态SOC、母线最大电流、制动强度等众多因素影响。所以目前采用模糊控制器把制动 强度、电池组荷电状态SOC和需求制动力作为输入，再生制动力占总制动力的比例作为输出， 分配策略如图1所示。

再生制动是一种由驱动电机提供制动转矩的电气制动，经过传动系作用到车轮上，同时 再生制动也是作为驱动轮制动的一部分，因为ECE法规在确保前轮在发生抱死情况下，后轮 制动力也一般不会小，这样分配策略可能无法满足ECE法规的要求，所以为了使汽车在制动 过程中尽可能合理地分配前、后轮制动力，需要通过式(1)和式(2)得出最小后轮制动力 分配曲线，具体的，式(1)和式(2)如下：

F_xb1+F_xb2＝Gz (1)

式中：F_xb1表示前轮制动力(N)，F_xb2表示后轮制动力(N)，G表示整车重力(N)，h_g表示整 车质心距水平地面的高度(m)，L表示轴距(m)，b表示质心距后轴中心线的长度(m),z表示制 动强度。

电动汽车在制动过程，既要满足车辆的稳定性，又要尽可能地提高能量回收效率，如图 2所示是改进型制动力分配策略示意图，先用并联策略根据制动强度分配前、后轮制动力， 而模糊控制器输入为制动强度、电池SOC与总需求制动力，输出为再生制动力占前轮制动力 的比例。然后用前轮制动力减去再生制动力就是前轮要承担的摩擦制动力。

前、后轮制动分配如图3所示，ABCD曲线中，B点为制动强度z＝0.1时，制动力全部由前轮提供的点，C点为理想制动力分配曲线中制动强度z＝0.5的点，D点是制动力强度z＝0.7 的点，E点为制动强度z＝1的点。在城市路况下，制动强度z≤0.3。这样对后轮在电动汽车制 动时按固定比例分配制动力，这对后轮摩擦制动的影响很小，只需将前轮摩擦制动和再生制 动按照模糊算法来分配即可。

根据制动强度的需求对前后轮制动力进行划分，具体分配策略如下：

1)当0≤z≤0.1时，制动力分配按照AB线划分；

2)当0.1＜z≤0.2时，制动力分配按照BC线划分，该段按照ECE法规分配制动力；

3)当0.2＜z≤0.7时，制动力分配按照CD线划分，该段快速切换至理想i曲线；

4)当z＞0.7时，在紧急制动按照前、后轮固定比例分配，且没有再生制动的参与，与 目前电动汽车紧急刹车模式相同，故制动力分配按照DE线划分，保证人员的安全和电动汽 车在紧急制动时驾驶稳定性。

本申请将前后轮的制动力划分成四段，划分的更为细致，DE段属于紧急制动阶段，所以 没有再生制动力参与，而理想i曲线实质上是一个临界值，前面的三个阶段都是为了尽可能 的回收能量，DE段作为保护段用以保证安全，通过本实施例的划分，可以实现在达到D点 以前，最晚按照i曲线分配能量，也就能够回收越多的能量，在不同的阶段采用不同的控制 策略，提高能量回收效率。

在附着系数较小路面上，即使制动强度很小，很容易发生车轮抱死，而且此时制动力由 再生制动力提供。一旦发生抱死情况传统防抱ABS(Anti-lock Brake System)***很难解决， 设计出再生防抱死***，不仅与ABS***控制有重叠，而且增加控制电机的复杂性。而在分 配再生制动力时引入滑移率控制器，既可以降低控制电机难度又能避免与ABS***的冲突， 因此本实施例的制动力分配策略如图4所示，运用反步控制法，将复杂的非线性***分解成 不超过***阶数的子***，然后为每个子***设计部分Lyapunov函数(简称V函数)和中 间虚拟控制量，一直“后退”到整个***将它们集成起来完成整M个控制律的设计。将移滑率 作为反步控制的输入量，结合模糊控制输出的比例，输出新的比例合理分配再生制动力。

从永磁无刷直流电机模型和驱动轮动力学模型出发，忽略空气阻力和滚动阻力对电动汽 车制动时的影响，可以简化反步控制器的复杂性，又能达到控制要求；

本实施例所用的驱动电机为永磁无刷直流电机，所述永磁无刷直流电机电压方程如(3)式 所示，力矩方程如(4)式所示，车轮纵向动力学模型和车轮力矩平衡分别如式(5)和式(6)所示， 地面制动力模型如式(7)所示。

T_e＝k_ti_a (4)

F_xb＝mgμ(s) (7)

式中i_a为电枢电流；R为电枢回路电阻；L_a为电枢电感；k_e为电机电势常数；k_t为电机 转矩常数；m为车辆质量；v为车辆行驶速度；F_xb为地面制动力；g重力加速度；μ(s)为附着系数，s为制动时车轮滑移率；J_w为车轮转动惯量；w_w为车轮角速度；w_w＝w_m/i_g，i_g为 传动系传动比；T_bm为驱动轮上电机制动力矩；T_e为电机电磁转矩；r为车轮滚动半径；

通过电机电压方程、力矩方程、车轮纵向动力学模型、车轮力矩平衡模型和地面制动力 模型得到电动汽车制动时电机模型和车轮动力学模型为：

式中为预分配再生制动力；u为调节再生制动力的比例；

采用附着系数与滑移率的双线性模型为如式(9)所示：

式中s_opt为最佳滑移率；μ_h为峰值附着系数；μ_g为滑移率是100％时的附着系数。

如图6所示，为地附着路面的移滑率曲线，反映了从21m/s减速到0m/s时得变换趋势，

令x₁＝i_a，x₂＝w_w，f₁＝-R/L_a,f₂＝-k_ei_g/L_a，f₃＝U_a/L_a,f₄＝F_rer/J_w，f₅＝mgrμ(s)/J_w， 将电动汽车制动时电机模型和车轮动力学模型转化为二阶***如(10)所示：

假如μ(s)≠0,为了得到良好的控制，引入一个微分项来克服稳差：

式中,x₁为虚拟输入电流；I_d为期望输出电流值。

定义V函数V₁，虚拟控制x₁，并对V函数V₁求导得：

对α₀求导可得：

对x₁-α₀求导得：

定义V函数V₂，V₂＝V₁+0.5(x₁-α₀)²，根据反步设计的理论，对V₂求导可得：

那么虚拟控制x₂为：

为了是负定，将式(15)重新写成：

式中C₁＞0。

由式(15)可知α₁和(x₁-α₁)的导数：

定义V函数V₃，V₃＝V₂+0.5(x₂-α₁)²，对V₃求导得：

去掉的不确定的项数，则调节再生制动力的比例u得：

式中C₂＞0。

综上所述，重新写成得：

当移滑率处于最佳移滑率以下，按照当前Kb分配再生制动力。若移滑率处于最佳移滑 率以上，再根据反步控制下得出u减少按照当前Kb分配再生制动力。

为了说明本实施例的有益效果，分别运用Advisor控制策略、模糊控制策略和本文控制 策略在UDDS工况下的能量消耗情况如表2所示。

表2Advisor控制策略、模糊控制策略和本申请控制策略在UDDS工况下的能量消耗情况 表：

由表2可见，反步控制策略的能量回收率达到了47.1％，比滑模控制策略提高了4.2％， 即能量回收量和回收效率方面具有优势。

由图5可见，本实施例的反步控制策略优于滑膜策略和Advisor控制策略。

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也 不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变 化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使 得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来 应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等 同。

Claims (6)

1.一种电动汽车制动力分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

根据制动强度分配前、后轮制动力；

将制动强度、电池SOC与总需求制动力作为输入，通过模糊控制器输出再生制动力占前轮制动力的比例；

利用前轮制动力减去再生制动力得到前轮要承担的摩擦制动力；

设定滑移率阈值，将实际滑移率作为输入，通过反步控制得到减少再生制动力的比例，当实际滑移率超过规定滑移率，反步控制减少分配驱动电机制动份额。

2.根据权利要求1所述一种电动汽车制动力分配方法，其特征在于：所述反动控制过程包括如下步骤：

a.构建驱动电机电压方程、力矩方程、车轮纵向动力学模型、车轮力矩平衡模型和地面制动力模型；

b.通过步骤a构建电动汽车制动时驱动电机模型和车轮动力模型；

c.构建附着系数与滑移率的双线性模型，通过外部滑移率得到相应的附着系数；

d.通过反步控制结合步骤c的附着系数得到调节再生制动力比例。

3.根据权利要求2所述一种电动汽车制动力分配方法，其特征在于：所述驱动电机的电压方程为：

所述力矩方程为：T_e＝k_ti_a；

所述车轮纵向动力学模型为：

所述车轮力矩平衡模型为：

所述地面制动力模型为：F_xb＝mgμ(s)；

式中i_a为电枢电流；R为电枢回路电阻；L_a为电枢电感；k_e为电机电势常数；k_t为电机转矩常数；m为车辆质量；v为车辆行驶速度；F_xb为地面制动力；g重力加速度；μ(s)为附着系数，s为制动时车轮滑移率；J_w为车轮转动惯量；w_w为车轮角速度；w_w＝w_m/i_g，i_g为传动系传动比；T_bm为驱动轮上电机制动力矩；T_e为电机电磁转矩；r为车轮滚动半径。

4.根据权利要求2所述一种电动汽车制动力分配方法，其特征在于：所述电动汽车制动时驱动电机模型和车轮动力模型为：

式中，为预分配再生制动力；u为调节再生制动力的比例。

5.根据权利要求4所述一种电动汽车制动力分配方法，其特征在于：所述反步控制步骤包括：

令x₁＝i_a，x₂＝w_w,f₁＝-R/L_a,f₂＝-k_ei_g/L_a，f₃＝U_a/L_a,f₄＝F_rer/J_w，f₅＝mgrμ(s)/J_w，将电动汽车制动时电机模型和车轮动力学模型转化为二阶***：

引入误差式中，x₁为虚拟输入电流；I_d为期望输出电流值；

定义V函数V₁，虚拟控制x₁，并对V函数V₁求导得：

定义V函数V₂，V₂＝V₁+0.5(x₁-α₀)²，对V₂求导得：

定义V函数V₃，V₃＝V₂+0.5(x₂-α₁)²，对V₃求导得：

得到调节再生制动力的比例u：

6.根据权利要求4所述一种电动汽车制动力分配方法，其特征在于：所述附着系数与滑移率的双线性模型为：

式中s_opt为最佳滑移率；μ_h为峰值附着系数；μ_g为滑移率是100％时的附着系数。