CN111976677B - 一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***及控制方法，涉及电动汽车制动控制技术领域。本发明为了解决传统的防抱死制动控制***按固定比例分配制动力，对复杂路况无法实现最优控制的问题。本发明根据制动力判断制动力变换率，根据制动力变化率确定最佳滑移率；根据实际滑移率和所述最佳滑移率计算需求转矩；确定当前时刻的最大再生制动转矩；在制动转矩分配时，需求制动力优先选择再生制动转矩作为主要的制动转矩，不足的部分再由汽车的机械制动力补充；本发明在汽车行驶的多种复杂路面下，对车轮最佳滑移率的识别与控制，实现汽车的最佳制动效果和安全性的前提下，最大程度的回收制动能量。

Description

一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车制动控制技术领域，特别是涉及一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***及控制方法。
背景技术
传统的燃料动力汽车利用机械摩擦力进行机械制动，而混合动力、纯电动汽车则可以在制动时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，利用电动汽车的再生制动原理，不仅可以降低传统机械制动结构的损耗，通过再生制动回收的电能同时也提高了电动汽车的行驶续航能力，节约了电能的浪费。目前电动汽车的制动力控制和能量回收策略主要采用固定比例的分配方式，把电池的荷电状态SOC，驾驶员需求制动力和制动强度作为输入，通过预先规定好的制动力分配曲线，分配机械制动力和再生制动力的大小。这类控制策略并不能最大程度的利用轮胎与路面的最大附着系数，达到最优的制动控制效果。
如果单纯的以回收电动汽车的再生制动能量为目的，则应该在制动时尽可能的利用再生制动力为汽车的主要制动方式，但是由于再生制动受到诸多因素限制其制动效果，在某些制动工况下，单纯的再生制动不能满足驾驶员的制动需求，会影响电动汽车制动时的安全性与稳定性快，此时应该采用复合制动的方式。而传统的汽车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。
目前大多数基于汽车ABS***的防抱死制动控制中，车轮的滑移率往往会在最佳滑移率附近呈现较大的波动，由于汽车实际行驶时，路面状况十分复杂，且不同路面对应的峰值附着系数对应的最佳滑移率不同，传统的防抱死制动控制***并不能做到对汽车最优滑移率的识别和控制，因此不能达到最佳的制动效果。因此，有必要研究一种针对复杂路面的基于最优滑移率控制的汽车制动控制方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***及控制方法，在汽车行驶的多种复杂路面下，对车轮最佳滑移率的识别与控制，实现汽车的最佳制动效果和安全性的前提下，最大程度的回收制动能量。
本发明一方面提供了一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***，包括：
传感单元，用以获取当前时刻的汽车的轮速和车速；
制动力观测器，用以根据所述汽车的轮速和车速计算当前车轮受到的制动力观测值；
最优滑移率判断模块，用以根据所述制动力判断制动力变换率，根据制动力变化率确定最佳滑移率；
自适应滑模控制器，用以根据实际滑移率和所述最佳滑移率计算需求转矩；
整车控制器，确定当前时刻的最大再生制动转矩；
制动力矩分配模块，比较所述最大再生制动转矩与所述需求转矩，当最大再生制动转矩大于等于需求转矩时，当前汽车的制动力完全由再生制动力提供，当最大再生制动转矩小于需求转矩时，先提供所述最大再生制动力矩，剩余部分由机械制动力提供。
本发明另一方面提供了一种纯电动汽车复合制动防抱死控制方法，包括如下步骤：
获取当前时刻的汽车的轮速和车速；
根据所述汽车的轮速和车速计算当前车轮受到的制动力观测值；
根据所述制动力判断制动力变换率，根据制动力变化率确定最佳滑移率；
根据实际滑移率和所述最佳滑移率计算需求转矩；
确定当前时刻的最大再生制动转矩；
制动力矩分配模块，比较所述最大再生制动转矩与所述需求转矩，当最大再生制动转矩大于等于需求转矩时，当前汽车的制动力完全由再生制动力提供，当最大再生制动转矩小于需求转矩时，先提供所述最大再生制动力矩，剩余部分由机械制动力提供。
进一步的，所述汽车实际滑移率通过下式计算：
Figure BDA0002662728940000021
式中，λ为实际滑移率，V为汽车车速，ω为汽车车轮轮速，R为车轮半径。
进一步的，所述最佳滑移率的判定方法包括：
通过控制器记录每个步长估算的制动力FX，并计算FX(k)与FX(k+1)，判断制动力变化率ΔFx的大小。
当ΔFX(k)＞0时，表示当前滑移率处于稳定区，此时的再生制动转矩为输出的最大再生制动转矩；
当ΔFX(k)＜0时，表示当前滑移率处于非稳定区，此时设定不再提供给车轮再生制动转矩；
当ΔFX(k)＝0时，表示当前滑移率处于最佳滑移率。
进一步的，所述需求转矩的获取方法包括：
将最佳滑移率作为目标输入，实际滑移率为负反馈信号，因此有：
e＝λm-λ；
其中，λm为最佳滑移率，λ为实际滑移率；
定义如下滑模面：
s＝e+a∫edt；
建立如下关系式：
Figure BDA0002662728940000031
建立满足李雅普诺夫稳定性的趋近律：
Figure BDA0002662728940000032
Figure BDA0002662728940000033
其中k1、k2为大于0的常数，G(s)为连续函数，根据以上关系式，得到需求转矩Tm为：
Figure BDA0002662728940000034
进一步的，所述最大再生制动转矩小于电机额定转矩，当SOC≥90％时，不再使用再生制动提供制动力。
进一步的，所述制动力观测值的获取方法包括：
建立如下单轮旋转模型：
Figure BDA0002662728940000041
式中J为车轮转动惯量，R为车轮半径，Tb为轮端制动力矩，μ为路面附着系数，Fz为轮胎所受的法相作用力；
将制动力观测值Fx作为待观测的未知状态，建立如下状态方程：
Figure BDA0002662728940000042
建立如下高增益观测器：
Figure BDA0002662728940000043
式中z1、z2、d均为大于零的常量。
如上所述，本发明具有如下效果：
1、本发明在在电动汽车的制动过程中引入了滑移率控制，通过高增益制动力观测器识别汽车行驶状况，确定制动力观测值；应用斜率法，判断出当前路况下的最优滑移率，结合滑移率的自适应滑模控制器，输出需求制动转矩；利用电机工作的精确度高，反应速度快的特点，将车轮滑移率控制在最优状态，从而实现了路面最大附着系数的利用，自适应滑模控制器保证了滑移率识别的快速和较强的鲁棒性。
2、本本发明针对传统的防抱死制动控制***按固定比例分配制动力，对复杂路况无法实现最优控制的问题，在制动转矩分配时，需求制动力优先选择再生制动转矩作为主要的制动转矩，不足的部分再由汽车的机械制动力补充，最大程度上实现了再生制动力的利用，达到了良好的回收制动能量的效果，并保证了汽车制动时的安全性和稳定性。
附图说明
图1为本发明具体实施例的纯电动汽车复合制动防抱死控制***原理框图；
图2为本发明具体实施例的Burckhardt轮胎模型得出的典型路面下的μ-λ关系图；
图3为本发明具体实施例的最优滑移率判断控制器控制流程图；
图4为本发明具体实施例中经过观测器与斜率判断法得出的最优滑移率图；
图5为本发明具体实施例的自适应滑模控制器控制制动转矩输出示意图；
图6为本发明具体实施例的制动工况下利用滑移率控制制动速度变化图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
对于电动汽车的复合制动控制***，首先要考虑的问题是保证制动效果的安全性和稳定性，在此基础上，再考虑优先使用再生制动作为主要制动力，以实现最大程度的回收制动能量。在复合制动中，引入滑移率控制以实现最佳的制动效果，同时面临着两个问题：一是如何在路面状况未知的情况下获取当前行驶的最佳滑移率，二是如何对该最佳滑移率进行有效的控制。
在汽车的制动过程中，随着电机与机械制动结构对轮端施加制动转矩，汽车的轮速会逐渐降低，随之车速也逐渐减小。而轮速与车速并不是同步降低的，如果施加的制动力过大，则轮速会先于车速趋近于零，此时车轮处于抱死状态而汽车还在行驶。车轮抱死，尤其是前轮先于后轮抱死会对汽车行驶的安全性和稳定性产生很大的影响，车轮由滚动到抱死的过程，可以用滑移率λ来表示他的状态。
如图1所示，本实施例的一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***，包括：
传感单元，用以获取当前时刻的汽车实际轮速和车速，实际轮速和车速分别输入高增益制动力观测器和实际滑移率计算模块中；
高增益制动力观测器，用以根据所述汽车的轮速和车速计算当前车轮受到的制动力观测值；
最优滑移率判断模块，用以根据所述制动力判断制动力变换率，根据制动力变化率确定最佳滑移率；
实际滑移率计算模块，利用汽车的轮速、速度信号计算得出当前汽车的实际滑移率；
自适应滑模控制器，用以根据实际滑移率和所述最佳滑移率计算需求转矩，自适应滑模控制器输出的需求制动转矩信号传递给汽车的VCU整车控制器中；
整车控制器，确定当前时刻的最大再生制动转矩；
制动力矩分配模块，比较所述最大再生制动转矩与所述需求转矩，当最大再生制动转矩大于等于需求转矩时，当前汽车的制动力完全由再生制动力提供，当最大再生制动转矩小于需求转矩时，先提供所述最大再生制动力矩，剩余部分由机械制动力提供。
本实施例的一种纯电动汽车复合制动防抱死控制方法，包括如下步骤：
S1、获取当前时刻的汽车的实际轮速ω、车速V和轮端制动力矩Tb；
S2、利用实际轮速ω、车速V信号计算得出当前汽车的实际滑移率λ，制动工况下实际滑移率λ为：
Figure BDA0002662728940000061
式中，λ为实际滑移率，V为汽车车速，ω为汽车车轮轮速，R为车轮半径。
滑移率为零时，表示车轮完全滚动，滑移率为100％时，表示车轮完全抱死。而滑移率与路面附着系数μ之间的关系为先增后减，一般的，当车轮滑移率处于0.015～0.2之间时，轮胎与地面可达到最大路面附着系数μmax。如图2所示，为根据Burckhardt轮胎模型得出的典型路面下的μ-λ关系图，如图可见，如果保证车轮始终处于最佳滑移率，则可以最大程度利用路面附着系数，使汽车达到最佳的制动效果。
S3、根据所述汽车的实际轮速ω、车速V计算当前车轮受到的制动力观测值Fx；
具体包括如下步骤：
S31、为了实现对复杂路况下的最佳滑移率进行估计，忽略汽车轮胎滚动阻力与行驶时的空气阻力，建立如下单轮旋转模型：
Figure BDA0002662728940000062
式中，ω为汽车车轮轮速，J为车轮转动惯量，R为车轮半径，Tb为轮端制动力矩，μ为路面附着系数，Fz为轮胎所受的法相作用力，V为汽车车速，λ为实际滑移率；
S32、在汽车实际行驶时，μ为未知状态，而制动过程中，汽车前轮和后轮所承受的法相作用力Fz也会受到加速度、制动强度的变换而变化，因此本实施例将制动力观测值Fx作为待观测的未知状态，建立如下状态方程：
Figure BDA0002662728940000071
其中A为车轮半径与转动惯量的比值
Figure BDA0002662728940000072
B为/>
Figure BDA0002662728940000073
U表示输出扭矩Tb。
为了实现对以上状态方程中X2的观测，建立如下高增益观测器：
Figure BDA0002662728940000074
式中z1、z2、d均为大于零的常量。
S4、根据所述制动力判断制动力变换率，根据制动力变化率确定最佳滑移率，如图3所示，具体包括如下步骤：
通过控制器记录每个步长估算的制动力FX，并计算FX(k)与FX(k+1)，判断制动力变化率ΔFx的大小；
当ΔFX(k)＞0时，表示当前滑移率处于稳定区，此时的再生制动转矩为输出的最大再生制动转矩Tbmax；
当ΔFX(k)＜0时，表示当前滑移率处于非稳定区，此时设定不再提供给车轮再生制动转矩；
当ΔFX(k)＝0时，表示当前滑移率处于最佳滑移率，此时启动最优滑移率自适应滑模控制器，控制滑移率保持在当前值。
如图4与图5所示，在附着系数为0.5的路面下行驶时，滑移率与转矩输出控制情况，此刻判断得出最优滑移率为0.15左右。
S5、根据实际滑移率λ和所述最佳滑移率λm计算需求转矩；
S51、将最佳滑移率λm作为目标输入，实际滑移率λ作为负反馈信号，因此有：
e＝λm-λ；
其中，λm为最佳滑移率，λ为实际滑移率；
S52、定义如下滑模面：
s＝e+a∫edt；
S53、建立如下关系式：
Figure BDA0002662728940000081
S54、建立满足李雅普诺夫稳定性的趋近律：
Figure BDA0002662728940000082
Figure BDA0002662728940000083
其中k1、k2为大于0的常数，G(s)为连续函数，根据以上关系式，得到需求转矩Tm为：
Figure BDA0002662728940000084
S6、确定当前时刻的最大再生制动转矩，所述最大再生制动转矩小于电机额定转矩，当SOC≥90％时，不再使用再生制动提供制动力。
S7、制动力矩分配模块，比较所述最大再生制动转矩与所述需求转矩，当最大再生制动转矩大于等于需求转矩时，当前汽车的制动力完全由再生制动力提供，当最大再生制动转矩小于需求转矩时，先提供所述最大再生制动力矩，剩余部分由机械制动力提供。
如图6所示，在仿真的制动工况下，进行汽车防抱死制动的车速与轮速变化图。初始车速为80km/h，前1s时间汽车定速巡航，在一秒时驾驶员踩下制动踏板，车轮滑移率迅速增加并启动滑模控制器，最终控制滑移率稳定在最优点并进行复合制动，制动时长4.5秒，汽车最终速度降为零。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种纯电动汽车复合制动防抱死控制***，其特征在于，包括：
传感单元，用以获取当前时刻的汽车的轮速和车速；
制动力观测器，用以根据所述汽车的轮速和车速计算当前车轮受到的制动力观测值Fx；所述制动力观测值的获取方法包括：
建立如下单轮旋转模型：
Figure FDA0004209507960000011
式中J为车轮转动惯量，R为车轮半径，Tb为轮端制动力矩，μ为路面附着系数，Fz为轮胎所受的法相作用力；
将制动力观测值Fx作为待观测的未知状态，建立如下状态方程：
Figure FDA0004209507960000012
建立如下高增益观测器：
Figure FDA0004209507960000013
式中z1、z2、d均为大于零的常量；
最优滑移率判断模块，用以根据所述制动力判断制动力变换率，根据制动力变化率确定最佳滑移率；
自适应滑模控制器，用以根据实际滑移率和所述最佳滑移率计算需求转矩Tm为：
Figure FDA0004209507960000014
其中，e＝λm-λ，λm为最佳滑移率，λ为实际滑移率，为
Figure FDA0004209507960000015
V为汽车车速，R为车轮半径；
整车控制器，确定当前时刻的最大再生制动转矩；
制动力矩分配模块，比较所述最大再生制动转矩与所述需求转矩，当最大再生制动转矩大于等于需求转矩时，当前汽车的制动力完全由再生制动力提供，当最大再生制动转矩小于需求转矩时，先提供所述最大再生制动转矩，剩余部分由机械制动力提供。
2.一种纯电动汽车复合制动防抱死控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取当前时刻的汽车的轮速和车速；
根据所述汽车的轮速和车速计算当前车轮受到的制动力观测值，所述制动力观测值的获取方法包括：
建立如下单轮旋转模型：
Figure FDA0004209507960000021
式中J为车轮转动惯量，R为车轮半径，Tb为轮端制动力矩，μ为路面附着系数，Fz为轮胎所受的法相作用力；
将制动力观测值Fx作为待观测的未知状态，建立如下状态方程：
Figure FDA0004209507960000022
建立如下高增益观测器：
Figure FDA0004209507960000023
式中z1、z2、d均为大于零的常量；
根据所述制动力判断制动力变换率，根据制动力变化率确定最佳滑移率；
根据实际滑移率和所述最佳滑移率计算需求转矩，所述需求转矩的获取方法包括：
将最佳滑移率作为目标输入，实际滑移率为负反馈信号，因此有：
e＝λm-λ；
其中，λm为最佳滑移率，λ为实际滑移率；
定义如下滑模面：
s＝e+a∫edt；
建立如下关系式：
Figure FDA0004209507960000031
建立满足李雅普诺夫稳定性的趋近律：
Figure FDA0004209507960000032
Figure FDA0004209507960000033
其中k1、k2为大于0的常数，G(s)为连续函数，根据以上关系式，得到需求转矩Tm为：
Figure FDA0004209507960000034
确定当前时刻的最大再生制动转矩；
制动力矩分配模块，比较所述最大再生制动转矩与所述需求转矩，当最大再生制动转矩大于等于需求转矩时，当前汽车的制动力完全由再生制动力提供，当最大再生制动转矩小于需求转矩时，先提供所述最大再生制动转矩，剩余部分由机械制动力提供。
3.根据权利要求2所述一种纯电动汽车复合制动防抱死控制方法，其特征在于，所述汽车实际滑移率通过下式计算：
Figure FDA0004209507960000035
式中，λ为实际滑移率，V为汽车车速，ω为汽车车轮轮速，R为车轮半径。
4.根据权利要求2所述一种纯电动汽车复合制动防抱死控制方法，其特征在于，所述最佳滑移率的判定方法包括：
通过控制器记录每个步长估算的制动力FX，并计算FX(k)与FX(k+1)，判断制动力变化率ΔFx的大小；
当ΔFX(k)＞0时，表示当前滑移率处于稳定区，此时的再生制动转矩为输出的最大再生制动转矩；
当ΔFX(k)＜0时，表示当前滑移率处于非稳定区，此时设定不再提供给车轮再生制动转矩；
当ΔFX(k)＝0时，表示当前滑移率处于最佳滑移率。
5.根据权利要求2所述一种纯电动汽车复合制动防抱死控制方法，其特征在于，所述最大再生制动转矩小于电机额定转矩，当SOC≥90％时，不再使用再生制动提供制动力。
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