電－液復合制動電動汽車制動感覺一致性及實現方法

李玉芳 吳炎花

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

電動汽車采用電－液復合制動系統的目的是在保證汽車制動性能的同時實現制動能量的有效回收，以增加汽車的續駛里程。電動汽車在城市工況行駛時，通過再生制動回收能量，可使汽車燃油消耗降低30%～50%，行駛里程增加10%～30%［1－3］。不同的制動系統結構和制動力提供方式會改變電動汽車的制動感覺，直接影響到人－車系統的閉環控制和行駛安全性。

目前，國內對電動汽車復合制動系統制動感覺及其一致性等的研究比較少，研究重點主要集中在制動感覺模擬器的設計與控制以及復合制動系統協調控制算法等方面。文獻［4－7］研究了制動感覺模擬器設計和制動感覺的主客觀評價方法及試驗方法，提出了制動感覺的評價指標及客觀量化方法。國外研發機構和汽車廠家對電－液復合制動系統制動感覺的研究較多，其中最具代表性的是Toyota和Ford。而根據制動感覺要求對電－液復合制動系統進行系統整體設計與控制的研究相對較少。所以，對電－液復合制動系統制動感覺一致性的影響因素、實現條件和系統整體設計方法進行研究具有理論價值及工程應用價值。

1 制動感覺一致性影響因素

1.1 制動感覺一致性定義

（1）制動感覺。制動感覺是駕駛員制動汽車時的主觀綜合感受，主要包括制動踏板感覺和其他一些感覺，如對制動噪聲、制動抖動等的感覺。制動踏板感覺指的是制動踏板反饋給人的感受，包括踏板力與踏板位移關系構成的踏板特性，制動減速度與踏板位移的關系，以及駕駛員感覺到的制動減速度［4］。采用復合制動的電動汽車同傳統汽車制動系統的不同之處主要體現在制動力的提供模式不同（其他結構等條件相同），所以，本文對制動感覺的研究主要指的是制動踏板感覺的研究。

（2）制動感覺一致性。制動感覺一致性指的是對于相同的制動踏板輸入，都必須保證有相同的制動輸出。對電－液復合制動系統而言，制動感覺一致性指的是不同行駛狀態下，電動汽車制動系統無論在何種模式下工作，制動系統輸出特性是確定的，即踏板力與踏板位移關系構成的踏板特性是確定的，一定的踏板輸入下駕駛員感覺到的制動減速度也是確定的。同時，電動汽車復合制動系統制動感覺一致性除了上述含義外，同時也包括使用復合制動系統的電動汽車制動感覺同傳統汽車制動感覺的一致性。

1.2 影響因素分析

要實現電－液復合制動電動汽車的制動感覺一致性，就需要從系統結構原理等方面進行分析。很多因素都會影響到電－液復合制動系統制動感覺及其一致性的實現，其中最重要的因素是復合制動系統的結構配置和控制策略，前者是實現制動感覺一致性的基本條件，后者是實現制動感覺一致性的根本保證。

1.2.1 系統結構

制動系統結構從根本上影響制動感覺及其一致性。在傳統液壓制動系統中，制動踏板通過杠桿機構和真空助力器，與制動主缸相連［5］，制動主缸與制動輪缸通過制動管路相連，制動壓力直接由人力通過制動踏板輸入。駕駛員在制動減速過程中，通過踩下和松開制動踏板直接獲得制動踏板感覺。除了對踏板行程、踏板力等的感覺外，制動感覺還包括車輛制動時的響應速度和車輛減速度，以及車輛減速度可調性等指標。制動減速度可調性指的是，駕駛員在制動過程中可以通過連續踩下或抬起制動踏板來獲得期望的制動減速度。踏板力、踏板行程等可以由制動踏板感覺模擬器來模擬。制動減速度及其可調性等則與液壓制動系統的制動力輸出特性等有關。綜上所述，對于傳統液壓制動系統，制動踏板感覺與機械連接彈性、油液阻尼、活塞缸及液壓管路的長度和直徑、制動器設計有關。在制動器等其他條件不變的情況下，制動踏板感覺主要取決于踏板輸出特性、真空助力器輸出特性、液壓系統力輸出特性等因素。同電動汽車復合制動系統相比，傳統液壓制動系統由于制動力源確定，因而具有確定的制動力輸出特性和制動感覺輸出，不需要進行調控。

相對于傳統的液壓制動系統，電動汽車電－液復合制動系統具有不同的系統結構，如圖1所示。首先，制動力源包括液壓制動和再生制動。其次，踏板信號不再是單純的液壓信號而是標識力矩需求的電輸入信號。制動踏板裝置通過傳感器提供踏板位置或位移信息，傳遞駕駛員意圖。所以，如果電動汽車制動系統由傳統汽車的液壓系統改裝而來，保留了原來的液壓系統結構，則無法通過制動踏板感覺再生制動力矩的大小，從而使電－液復合制動系統的制動踏板力無法正確反映實際制動力的大小，造成制動踏板感覺錯亂。

圖1 電－液復合制動系統結構

1.2.2 控制策略

復合制動系統按再生制動力的輸出控制模式可分為并聯式和串聯式，兩者的制動力輸出控制策略分別見圖2、圖3。

圖2 并聯式復合制動系統

圖3 串聯式復合制動系統

并聯式復合制動系統前后制動器的制動力按固定的比例輸出，再生制動力矩在不超過前輪最大制動力的前提下，按踏板開度大小輸出制動力，制動力分配關系與控制簡單。但是，由于再生制動力矩同時還受車速、蓄電池SOC等因素的影響，其輸出值不斷變化，造成總制動力同制動踏板力關系曲線不確定，同一制動踏板輸入下可得到不同的制動減速度輸出，駕駛員制動感覺波動大。這種控制模式對傳統汽車的液壓制動系統改動不大，多出現在電動汽車設計初期的改裝車上。

串聯式復合制動系統的特點是總制動力同踏板力關系確定，前后軸制動力按比例輸出。前軸驅動輪的制動力由再生制動力矩和制動器制動力矩組成，前軸液壓制動力大小可調。再生制動力矩在前軸制動力矩需求范圍內可優先提供，不足部分由液壓制動力補充。這種串聯式復合制動系統的優點是前后軸制動力定比例輸出，由踏板信號確定總制動力大小，與無能量再生制動系統的車輛相比，駕駛員在制動減速度上有相同的制動感覺；缺點是制動力不是按理想制動力分配曲線I線進行控制，能量回收效率不高，同時，如果制動踏板與液壓系統存在機械連接，調節前制動器制動力會造成液壓系統壓力波動，無法保證良好的制動踏板感覺。

綜上所述，以上兩種復合制動系統基本上還是屬于固定比值的制動系統，前后軸液壓制動力通過比例閥進行調節，各車輪上的制動力無法獨立控制，復合制動系統很難達到再生制動能量回收高效和制動感覺良好的目標，但是電控液壓制動系統的發展實現了液壓制動力的實時準確控制，使這一目標的實現成為可能。

1.2.3 實現條件

通過對制動系統結構、控制策略及制動感覺一致性影響因素的分析可知，對于電動汽車電－液復合制動系統，要保證良好的制動感覺一致性，必須要滿足兩個條件：第一，踏板不能和液壓制動系統有機械連接，油壓不能直接反饋到踏板上。為保證踏板力－位移特性的一致性并能準確反映駕駛員制動意圖，通常采用制動踏板模擬器來實現踏板力－位移特性的一致性并準確反映駕駛員制動意圖。第二，電－液復合制動系統必須為串聯式復合制動系統，制動踏板輸入同總制動力關系確定，前后軸液壓制動力可以根據制動工況和再生制動力矩的變化獨立調節，保證總制動力和制動減速度的輸出。所以，基于再生制動力矩和液壓制動力矩的不同輸出響應特性，制定電－液復合制動力矩協調控制算法是必不可少的。電控液壓系統（electro－hydraulic brake，EHB）同再生制動系統的集成。其中，EHB能夠保證液壓制動力的可調性，其結構見圖4。傳統車輛上的EHB集成了制動防抱死（antilock brake system，ABS）、牽引力控制（tractor control system，TCS）以及電子穩定程序（electric stability programming，ESP）等功能，根據汽車行駛狀態需求調節4個車輪上的液壓制動力。電動汽車EHB同時還與再生制動系統組成電－液復合制動系統，協同輸出制動力矩。需要強調的是，此處僅對電－液復合制動系統不同制動模式下其制動力矩的分配和控制進行討論，提出滿足制動感覺一致性的電－液復合制動系統設計方法，而其他功能如TCS、ESP等的有效集成會在后續工作中涉及。由此提出一套實現制動感覺一致性的電－液復合制動系統的完整設計方法。主要的設計方法的步驟如下。

圖4 EHB系統結構

2 設計方法

電－液復合制動系統的設計目標是通過對復合制動力和制動模式的有效控制及轉換，在保證制動安全性和能量回收效率的同時實現制動感覺的一致性。根據前文所述的制動踏板感覺一致性的實現條件，理想的電－液復合制動系統系統是

（1）電子制動踏板設計。主要包括制動踏板模擬器結構設計和制動踏板輸出特性設計兩部分。根據前文所述，制動踏板模擬器是電－液復合制動系統實現制動力矩控制、獲得制動感覺一致性的基礎和必要條件。制動踏板裝置結構采用文獻［5］中結構，圖5中相關參數的含義見文獻［5］。系統主要包括制動踏板、角度位移傳感器、制動踏板感覺模擬器。制動踏板模擬器主要通過電磁閥控制活塞兩邊的油液剛度來模擬踏板位移（活塞位移）同制動反力的關系。通過控制與踏板相連接的液壓裝置模擬傳統車輛制動踏板軌跡跟蹤特性和力輸出特性，使電動汽車電－液復合制動系統具有良好的制動感覺。制動踏板輸出特性設計中，主要以制動感覺良好的相似車型的制動踏板位移及其變化率與制動踏板力關系、制動踏板位移及其變化率與制動減速度及其響應特性的關系，為電－液復合制動系統制動踏板模擬器的設計目標。根據文獻［7－8］，中型轎車的良好制動踏板特性見圖6。以此為依據進行制動踏板模擬器的設計，設計方法參見前面相關論述方法?？傂枨罅貫?/p>

式中，l為制動踏板位移，mm；dl／dt為制動踏板位移變化率，mm／s。

圖5 電子制動踏板結構

圖6 制動踏板特性

（2）選型與配置。根據純液壓制動模式下制動安全性能的要求，對液壓系統進行結構與參數選型，系統結構選型見圖7，計算依據文獻［8］中的EHB系統的結構與優化選型計算方法；再生制動系統配置及其輸出特性在電動汽車動力系統選型時已經確定。

圖7 復合制動系統制動控制框圖

（3）輪缸壓力計算。根據文獻［9］建立左前輪缸壓力pL和制動力矩Th的關系：

式中，Awc為制動輪缸工作面積，m2；ηA為制動效率；λB為制動因數；R為車輪半徑，m；p0為推出制動蹄，使之與制動鼓接觸所需的壓力，kPa。

（4）控制規律設計。為了保證再生制動、液壓制動和復合制動三種模式下的電動汽車具有良好的制動感覺一致性，必須使電－液復合制動系統的總輸出制動力矩等于制動需求力矩，而制動需求力矩由制動踏板位移及其變化率決定，即由式（1）確定。因為再生制動力矩隨著汽車行駛狀況一直在變化，所以為了使系統總制動力矩輸出能夠跟隨制動需求力矩，需要控制液壓制動力矩，使其始終等于制動需求力矩和再生制動力矩的差值。根據臺架試驗數據，電機可輸出轉矩通過式（3）～式（5）計算，液壓制動力矩輸出Th根據式（6）計算，計算考慮了蓄電池不同SOC的影響。

式中，n為電機轉速，r／min；T′r為電機可輸出轉矩，N·m；T″r為電機在（n，SOC）點可輸出最大轉矩，N·m；Tr為電機考慮了SOC值的可輸出力矩，N·m；η為傳動系統效率；ig、i0分別為變速箱變速比和主減速比。

（6）至此，由式（5）、式（6）確定了輸入輸出之間的關系，將輪缸壓力作為控制量，根據制動踏板輸入信號進行調節以獲得期望減速度。系統控制結構見圖7。為了保證制動臨界抱死時車輛的安全性，電－液復合制動系統僅在汽車常規制動時對液壓制動力進行調控。只要ABS啟動，液壓制動系統制動力由ABS進行控制。

3 仿真分析

為了保證復合制動系統制動感覺的一致性，液壓制動力矩必須能夠跟隨再生制動力矩的變化。再生制動力矩的大小受電機轉速和蓄電池SOC限制，參見式（3）～式（5）。液壓制動力矩的輸出受液壓閥響應、遲滯時間和輪缸壓力變化率等因素的影響［8－9］。為了驗證液壓系統制動力的響應特性，以整車整備質量為1700kg的某SUV電動汽車為例，利用AMESim建立了其液壓系統仿真模型。選取標準循環工況SKELETON的部分減速過程為測試工況，工況特性參見圖8，這段工況的最大減速度為－2.68m／s2，最大下坡爬坡度為6%。根據式（1）～式（6），按汽車驅動方程，由制動減速度計算總制動力矩的需求，根據電機和蓄電池SOC查表計算再生制動力矩，液壓制動力矩為二者差值，制動力矩分配關系見圖9。

為了獲得輪缸壓力的跟隨特性，利用AMES－im建立的液壓系統模型進行仿真計算。仿真過程中假定：①地面附著系數足夠，汽車沒有發生抱死；②每個輪缸制動壓力相等；③制動壓力變化頻率小于2Hz，制動壓力和制動力矩近似線性。根據式（2）和液壓制動力矩的需求計算得到輪缸需求壓力，見圖10。根據液壓系統模型進行仿真計算，得到輪缸壓力輸出，見圖11。由仿真輸出曲線可以看出，液壓輪缸壓力能夠跟隨輪缸需求壓力而變化，即液壓制動系統輸出的力矩響應能夠跟隨再生制動力矩的變化，從而保證一定制動踏板下的總制動力矩輸出，保證復合制動系統的制動感覺一致性。

圖8 減速工況特性

圖9 力矩分配關系

圖10 輪缸需求壓力

圖11 左前輪缸壓力仿真結果

4 結語

以對傳統車輛制動感覺及影響因素的分析為基礎，提出了電動汽車電－液復合制動系統制動感覺一致性的定義和實現的必要條件，提出了滿足感覺一致性的電－液復合制動系統設計和實現方法?；贏MESim建立了電控液壓系統模型并進行了仿真計算，仿真結果驗證了EHB液壓系統的制動力矩可以跟隨再生制動力矩變化，確保了一定的制動踏板輸入下總制動力矩的輸出，從而保證了電－液復合制動的制動感覺一致性。

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