王晶 李玮

摘 要：文章提出了一种无人驾驶纯电动汽车制动扭矩分配控制方法。该方法首先根据动力电池、驱动电机状态以及整车状态计算驱动电机最大能量回收扭矩，并在此基础上进行需求制动扭矩分配;接下来创造性的将电机系统引入到制动控制系统中，充分考虑了液压制动系统由于温度（如热衰减）、部件机械特性以及环境等影响其输出制动力矩稳定性与准确性的因素，通过电机能量回收所产生的制动扭矩对此进行补偿，保证最终车辆制动过程中所产生的负向加速度与需求保持一致。最后通过实车实验，验证了该方法的可行性与可靠性。

关键词：纯电动汽车;无人驾驶;制动;能量回收

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-49-04

A Torque Distribution Control Method for Driverless Electric Vehicle^*

Wang Jing¹， Li Wei²

（1.Langfang Polytechnic Institute， Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Langfang 065000;2.Beijing Electric Vehicle CO.， Ltd.， Engineering Research Institute， Beijing 100176 ）

Abstract： This paper presents a torque distribution control method for driverless pure electric vehicle. This method first calculates the maximum energy recovery torque of the driving motor according to the status of the power battery， the driving motor and the vehicle， and then distributes the required braking torque; then creatively introduces the motor system into the braking control system， fully considering the transmission of the hydraulic pressing system due to the influence of temperature （such as heat attenuation）， mechanical characteristics of components and environment factors of stability and accuracy of braking torque are given. The braking torque generated by motor energy recovery is compensated to ensure that the negative acceleration generated in the final vehicle braking process is consistent with the demand. Finally， the feasibility and reliability of the method are verified by the real vehicle experiment.

Keywords： Electric vehicle; Driverless; Braking; Energy recovery

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-49-04

前言

當前形势下，发展新能源汽车，尤其是具有零污染、零排放的纯电动汽车，不仅对我国能源安全、环境保护具有重大意义，同时也是我国汽车领域实现转型升级、技术突破的重要方向。无人驾驶汽车作为智能汽车的一种同样是汽车领域今后发展的趋势^[1-3]，相比较于传统燃油车，纯电动汽车由于具有纯电平台、电机驱动等特点，因此公认其是无人驾驶汽车更好的载体，基于该背景纯电动无人驾驶汽车已成为当前国际上包括通用、大众、丰田等汽车巨头的研究热点。

制动控制是无人驾驶车辆实现纵向控制的关键技术之一^[4，5]，当前纯电动无人驾驶汽车中的制动系统大多采用线控方案，当车辆处于无人驾驶状态时，无人驾驶控制器根据环境、障碍物、交通信号以及车辆当前状态等信息计算需求制动扭矩，在此基础上，由液压制动控制单元实现车辆的制动功能。

在以上的线控制动方案中，液压制动控制单元是实现车辆制动功能的核心执行机构^[6]，其性能优劣直接影响着制动性能，考虑到液压控制单元最终通过控制液压卡钳加紧刹车片来实现车辆制动，在无人驾驶模式下，整个控制过程存在大量的非线性环节，以及不确定性，这些均会对控制的精度产生影响，针对这一问题，本文提供了一种无人驾驶纯电动汽车制动控制系统及制动扭矩分配控制方法，该系统及方法适用于采用线控、液压制动控制单元制动解决方案的无人驾驶汽车。本文首先在无人驾驶模式下由车辆控制器根据无人驾驶控制器得到的车辆期望加速度（负向）信息（该加速度信息由无人驾驶控制器根据环境、交通信号以及车辆当前状态获得）计算车辆当前需求制动扭矩，之后根据动力电池、驱动电机状态以及整车状态计算驱动电机最大能量回收扭矩;在此基础上进行需求制动扭矩分配，将需求制动扭矩分为两部分，一部分由液压制动控制单元实现，另一部分由驱动电机的能量回收实现。考虑到液压制动控制单元真实产生的制动扭矩会与实际需求之间存在误差，以及由于环境、路面等因素造成的制动过程产生的负向加速度与实际需求间的偏差等问题，该方法通过在一定范围内对电机能量回收过程中产生的制动扭矩进行调节来进行补偿。本文创造性的将电机系统引入到制动控制系统中，充分的考虑了液压制动系统由于温度（如热衰减）、部件机械特性以及环境等影响其输出制动力矩稳定性与准确性的因素，通过电机能量回收所产生的制动扭矩对此进行补偿，保证最终车辆制动过程中所产生的负向加速度与需求保持一致。

1 线控液压制动系统构架

本文提到的无人驾驶纯电动汽车制动控制系统构架见图1。

图1中，无人驾驶控制器根据车载传感器（摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、GPS等）获取车辆的位置、环境、交通信号、障碍物等信息，并根据以上信息计算得到车辆的期望纵向加速度，无人驾驶控制器将该加速度信息反馈给车辆控制器，若该加速度为负，则车辆控制器执行制动操作。其中车辆控制器是传统纯电动汽车中三大控制系统的总称，其包括整车控制器、电机控制器与电池管理系统。车辆控制器在执行制动操作时首先根据接收到的车辆期望加速度（负向）计算需求制动扭矩，之后根据动力电池及车辆状态（故障信息、电池允许最大充放电功率、电池SOC等）对需求制动扭矩进行分配，分别分配给驱动电机与液压制动单元，其中驱动电机部分的需求扭矩通过能量回收模式实现，驱动电机所产生的制动扭矩通过单级减速器直接作用在车轮中，液压制动控制单元根据所分配到的制动扭矩控制制动卡钳，实现车辆制动。最后车辆控制器根据制动所产的负向加速度与无人驾驶控制器发送的期望加速度进行比较，判断制动是否达到预期，若未达到预期则对扭矩分配进行调整，最终形成闭环对车辆制动过程进行控制。

液压制动控制单元是该控制构架中的重要组成部分，其具体构架如图2所示：

图2为图1中所提到的液压制动控制单元，该系统在控制器接收到需求制动扭矩后，通过控制电机、液泵等系统实现制动液流入、流出制动轮缸，最终达到对制动卡钳的控制，从而实现车辆的制动功能（产生需求制动扭矩）。

本文所提到的制动系统制动扭矩分配及控制方法仅将液压制动控制单元作为单纯的执行机构（根据命令产生制动扭矩），不涉及对液压控制单元内部的控制。

2 需求制动扭矩计算

无人驾驶控制器根据车载传感器，如摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、GPS等获取车辆的位置、环境、交通信号、障碍物等信息，并根据一定的控制逻辑向车辆控制器发送期望控制状态，最终实现无人驾驶功能。无人驾驶汽车的纵向控制实际上是车速控制，其中就车辆的制动控制而言，无人驾驶控制器是通过向车辆控制器发送期望车辆加速度（负向），之后由车辆控制器响应该命令，通过对液压制动控制单元以及电机能量回收的控制最终实现车辆的制动功能。

车辆制动功能的实现，实际上是由施加在车轮中的制动扭矩来实现的，因此在本文中，车辆控制器接收到无人驾驶控制器发送的期望加速度信息后，首先需要将其转换为车辆的需求制动扭矩信息，关于需求制动扭矩的计算本文采用以下方法。

图3中V_a表示无人驾驶控制器发送的期望车辆加速度值，V_n表示车辆当前速度，T_b表示通过查表得到的车辆需求制动扭矩。实际行驶中的车辆，对其施加特定的制动扭矩，其产生的负向加速度与车辆状态及环境因素强相关，如在高速行驶状态下，风阻较大，此时相同制动扭矩条件下车辆产生的负向加速度较低速行驶工况更高;同样，环境风速、行驶路面状况（对应车轮的滚动摩擦系数）以及上下坡等均会对车辆最终的负向加速度产生影响。本文中，通过前期进行实车实验（在环境风速三级以下、干燥平直的铺装路面条件下开展），通过施加不同的制动扭矩获得不同车速条件下所产生的负向加速度值，经整理后得到期望加速度V_a、车辆当前速度V_n与制动扭矩T_b的对应关系，将其存储在表格中，在实际应用中，通过V_a与V_n可以直接查询得到需求制动扭矩T_b。

图3所示的车辆需求制动扭矩计算方法未考虑环境，如风速、路面条件等因素对T_b所造成的的影响，但在本文中该部分的影响可通过对电机能量回收强度的调节进行补偿。

3 制动扭矩分配及控制

该部分包含三方面内容，分别为最大允许能量回收扭矩计算、制动扭矩分配以及制动扭矩控制，下面分别进行介绍。

3.1 最大允许能量回收扭矩计算

为保证车辆制动过程中最大限度的提高车辆能量使用效率，首先进行最大允许能量回收扭矩的计算，计算方法见式（1）：

其中，T_max表示电机极限能量回收扭矩;P_Motor表示电机最大允许发电功率（Kw）;P_Batt表示电池最大允许充电功率（Kw）;η表示电机发电效率;ω表示电机转速。根据式（1）可得到电机极限能量回收扭矩。

为保护电机与动力电池，不应让其在极限值工作，为此引入扭矩余量。

式（2）中?T表示扭矩余量，T_motor表示电机最大允许能量回收扭矩。由该式可以看出，?T的引入保证了电机与动力电池不工作在极限状态，因此对电机与电池起到了保护作用。

3.2 制动扭矩分配

完成最大允许能量回收扭矩计算后，接下来对扭矩进行分配，定义T_K为液压执行机构分配得到的制动扭矩，T_M为电机分配得到的能量回收（发电）扭矩，其计算方法如下：

其中K_M表示电机能量回收系数，该值小于1，其目的在于为后续的能量回收扭矩的微调提供调节余量。由图3所示的方法得到车辆需求制动扭矩T_b，根据式（3）、（4），若K_M?T_motor≥T_b条件得到满足，则意味着由电机能量回收产生的扭矩能够满足制动需求，此时T_M为T_b，同时T_K为0;若以上条件未得到满足则电机分配得到的制动扭矩为K_M? T_motor，液壓制动控制单元分配得到的制动扭矩为T_b-K_M? T_motor。

该分配方法考虑了需求制动扭矩较小的情况，在这种情况下不对液压制动控制单元分配制动扭矩，完全通过电机制动能量回收提供制动需求，减少了液压制动系统的总工作时间，这对于避免制动系统由于长时间工作产生的热衰减以及延长寿命均具有重要意义;与此同时，该方法由于能够极大限度的回收制动中产生的能量，因此对于延长车辆的有效续驶里程具有积极影响。

3.3 制动扭矩控制

式（3）与式（4）完成了制动扭矩的分配，考虑到液压控制单元在执行制动扭矩命令时的误差，或一些特殊工况下（如下坡、上坡、顺风、逆风等）在施加制动扭矩后车辆产生的加速度（负向）低于或高于预期，针对这一情况，设计调整策略，通过调节电机的能量回收扭矩对其进行补偿，从而使车辆达到预期制动效果，具体方法如下。

图4中，V_a为无人驾驶控制器发出的车辆需求加速度信息，经制动扭矩计算环节后得到需求制动扭矩T_b，在此基础上进行扭矩分配，其中分配到液压制动控制单元与驱动电机的制动扭矩分别为T_K与T_M;之后液压制动控制单元与驱动电机按照扭矩命令分别对车辆产生制动扭矩;在制动扭矩的作用下车辆产生减加速度V_ra，需求加速度V_a与车辆实际产生的加速度V_ra相减，得到加速度偏差a_e，利用该偏差通过扭矩补偿环节得到补偿扭矩T_e，利用T_e对T_M进行补偿，最终保证车辆能够产生预期的减速度。

根据图4可以看出，该控制方法中的核心为扭矩补偿，关于补偿扭矩T_e的计算，采用以下解决方法。

其中V_n表示车辆当前速度，本文分别在不同坡度的工况下进行上坡与下坡的实车标定，从而获得不同车速上坡、下坡行驶状态下，偏差加速度a_e与补偿扭矩T_e的对应关系，并将其以表格形式进行存储，在实际应用过程中通过偏差加速度a_e与车辆当前速度V_n直接查询得到补偿扭矩T_e。该补偿方式能够有效的对车辆上坡、下坡、顺风行驶、逆风行驶、不同路面条件（对应不同的车轮滚动阻力系数）以及液压制动控制单元制动扭矩误差所引起的加速度偏差进行补偿。

4 实车试验

通过实车试验对本文所提出的控制方法进行验证。

图5为需求制动扭矩及分配示意图，其中最上边的实线表示当前车辆所需的制动扭矩，中间的虚线为驱动电机所分配的制动扭矩，最下边的曲线为液压制动单元所分配的制动扭矩。图6为制动过程中期望车辆所产生的加速度（负向），图7为实车实验过程中车辆实际所产生的加速度（负向），图8为车辆实际加速度与期望加速度间的偏差。

可以看出，采用本文所提出的方法能够将车辆制动过程中加速度（负向）的偏差控制在±0.05m?/s，能够有效的保证制动过程中车辆的平顺性。

5 结论

本文提供了一种无人驾驶纯电动汽车制动控制系统及制动扭矩分配控制方法，该系统及方法适用于采用线控、液压制动控制单元制动解决方案的无人驾驶汽车。本文首先在无人驾驶模式下由车辆控制器根据无人驾驶控制器得到的车辆期望加速度（负向）信息（该加速度信息由無人驾驶控制器根据环境、交通信号以及车辆当前状态获得）计算车辆当前需求制动扭矩，之后根据动力电池、驱动电机状态以及整车状态计算驱动电机最大能量回收扭矩;在此基础上进行需求制动扭矩分配。考虑到液压制动控制单元真实产生的制动扭矩会与实际需求之间存在误差，以及由于环境、路面等因素造成的制动过程产生的负向加速度与实际需求间的偏差等问题，该方法通过在一定范围内对电机能量回收过程中产生的制动扭矩进行调节来进行补偿，保证最终车辆制动过程中所产生的负向加速度与需求保持一致。本文给出的控制方法不改变液压制动控制单元的制动扭矩分配，尽量通过调整电机能量回收扭矩来补偿车辆的加速度误差，降低了控制难度，因此具有较大的推广意义。另外通过实车实验，验证了该方法的可行性及有效性。

参考文献

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