梁岩岩，方 恩，盘朝奉，3，林俊良，陈 燎，戴 伟

（1.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏，镇江 212013；2.上海汽车集团股份有限公司，上海 201804；3.江苏大学 汽车工程研究院，江苏，镇江 212013；4.上海汇众汽车制造有限公司，上海 200120）

再生制动是目前电动汽车中应用最广泛且最重要的技术之一[1-2]， 但是，再生制动系统的介入会对整车的制动性能产生一定的影响，在很多情况下，单电机制动满足不了驾驶员的制动需求，因此，需要由液压与电机共同来提高需求制动力[3-4]。现阶段对复合制动系统的研究主要分为两个方面：一是再生制动控制策略研究，尽量在制动过程中多回收能量；二是机电复合制动的协调控制策略研究，保证制动力能够满足驾驶员的制动需求。

在国外，日本丰田公司针对混合动力汽车开发了一套再生制动系统，在制动过程中实现电制动与行车制动的协调控制，并且能使汽车的节油率达到30%[5]。本田在HEV Insight 上搭载ISG 电机的再生制动系统[6]，该车不仅使用机械制动与再生制动相配合的制动控制技术，还通过采用控制发动机节气门开度的双制动力分配系数控制策略，以提高其制动能量回收的效率。日本东海大学的PEEIE 等对小型电动汽车的防滑控制进行了研究，主要分析了再生制动力对摩擦制动力滞后产生的影响，结合液压机械复合制动系统、防抱死制动系统和再生制动系统，提出了一种新的防滑控制仿真模型[7]。

在国内，清华大学张俊智等通过多种控制策略的对比，提出了一种串联式制动能量再生系统，实现了ABS 系统与再生制动系统的协调控制，并在dSPACE 实时硬件平台上搭建再生制动系统试验，试验结果表明，系统在保证制动安全的前提下，能够回收更多的能量[8-9]。同济大学的王猛等开发了考虑电池和电机参数的制动能量回收系统，在转鼓试验台进行再生制动回收试验，在日本1015 工况下的制动能量回收率达 59.15%左右[10]。合肥工业大学的杨亚娟等对某种电机制动力矩较小、响应较快的电动车进行了研究，根据制动系统的结构制定了常规制动和防抱死制动的控制策略，并搭建了实车测试系统来验证该控制策略，试验结果表明，该控制策略能在满足制动安全性的要求下回收较多能量[11]。

综上所述，国内外学者主要从控制策略上对电机或者液压进行控制，尽量多回收能量，本文主要从以下几个方面进行了研究：

（1）分析并计算电机与液压的解耦门限值，并且对制动工况进行分类。

（2）不同的制动工况下设计不同的控制策略，尽量多回收制动能量。

（3）在最大限度回收再生制动能量的同时如何保证车辆的制动性能。

以某电动汽车机电复合制动系统为研究对象，综合考虑ECE-R 13 制动法规要求以及最大程度发挥电机的制动作用，提出了不同制动工况下的制动力分配策略，采用二位二通电磁阀进行液压的调节，并对不同制动工况下的策略进行仿真和试验验证。本研究为以超级电容为回收能量存储装置、ABS 系统进行调压的复合制动系统的开发提供试验与仿真的依据。

1 机电复合制动系统结构与工作原理

本文所选某电动汽车整车基本参数见表1。

综合再生制动系统结构和液压制动系统结构及工作原理[12-14]，本文制定了电动汽车机电复合制动系统的结构方案，如图1 所示。

复合制动控制单元根据踏板位移传感器的信号，准确地计算得出需求制动力，根据整车控制器提供的电机状态信息，复合制动控制单元向整流桥发送控制信号，以此来控制再生制动力的大小，同时也向液压制动系统发送电磁阀控制信号。其中，液压制动系统由2 个电磁阀和ABS 系统组成，两个电磁阀位于主油路，用于实现机电解耦，ABS 系统用于液压的调节。本研究是串联超级电容，制动能量回收是通过整流桥将三相交流电变成直流电回收给超级电容。

表1 电动汽车整车基本参数

图1 电动汽车机电复合制动系统结构

2 前后轴制动力分配策略

2.1 满足ECE 制动法规和电机最大制动力的前后轴制动力分配

考虑本研究针对的是前轴驱动电动汽车，在满足制动需求的前提下，尽量将制动力分配至前轴，即尽量保持制动力分配系数β=1，但是要保证β=1 处在其合理的范围之内。对于M1类汽车，ECE-R13 制动法规对车辆前、后轴制动力分配曲线要求为当制动强度z= 0.1 ～0.61时：

将β=1 与车辆的参数代入式（1）中，可以发现，当制动强度在z≤0.127 或z≥0.882 时，制动力可以完全由前轴提供。但是考虑到大强度制动时可能会导致车轮的抱死从而引发一些不必要的危险，所以将z0=0.127 作为机电解耦的门限值。

在制定制动力分配策略时，不仅需要考虑在符合ECE 法规的条件下机电解耦的门限值，同时还需要考虑电机的最大制动力矩。电机的制动特性曲线如图2 所示，根据电机转速与电机转矩间的关系，可得电动汽车所使用的电机最大制动力矩为Tmax=40 Nm，则电机能够提供的最大制动强度

图2 电机的制动特性曲线

2.2 前后轴制动力分配策略

前后轴制动力分配需要满足以下两个要求：

（1）最大程度利用电机制动。

（2）不改变车辆原有前后轴制动力固定分配比例。

基于以上要求，本文的前后轴制动力分配曲线如图3 红色线所示。

图3 前后轴制动力分配曲线

在图3 中，本文所提出的曲线为折线OABC，其中，A 点为机电解耦的门限点，在A 点之前，制动力全部由前轴电机制动力提供。在AB 段中，保持前轴整体制动力不变，增加后轴液压制动力直到恢复到原有的前后轴制动力分配曲线，过了B 点之后，前后轴制动力就按照车辆原有的制动力分配曲线进行。C 点作为紧急制动的门限点，也就是说，在BC 段进行机电复合制动，过了C 点之后，此时的制动强度大于0.7，直接进行液压ABS 制动。

图4 为前轴液压制动力与电机制动力的分配曲线。电机首先进行制动并逐渐增加到最大，即到达图中A 点，由于电机不能维持在最大制动力，所以为了时刻保证前轴制动力不变，需要液压制动力介入，如图中蓝色线所示。图4 中的AB 段对应图3 中的AB 段，当达到B 点之后，前后轴的制动力分配比例达到了原车前后轴制动比例，之后前后轴制动力就会按照原车前后轴制动比例进行分配。由于过了B 点之后，前轴制动力开始逐渐增加，所以BC段的斜率明显变大，当到达C 点之后，电机制动力全部撤销，只靠液压制动力来进行制动。

图4 前轴制动力分配曲线

依据上述分析，本文所制定的电动汽车复合制动控制策略如图5 所示。

图5 复合制动控制策略流程

其中，Freq表示总需求制动力；Ff表示前轴制动力；Fr表示后轴制动力；Ffy表示前轴液压制动力；Freg表示电机制动力；Fregmax表示最大电机制动力。

3 制动力分配策略仿真与试验分析

3.1 小强度制动

首先对小强度（z＜0.1）制动进行仿真分析，在此工况下，仅进行电机制动。让车辆加速到30 km/h 左右开始进行制动，超级电容的初始电压为10 V 左右，直到车辆停下来之后仿真结束，仿真图如下。

图6 小强度制动整车制动力仿真曲线

图7 超级电容端电压仿真

图8 占空比控制信号仿真

图9 需求制动力与实际制动力仿真对比

图6 ～9 是小强度制动工况下的仿真图，随着占空比信号的逐渐增加，电机制动力跟随需求制动力变化，此时没有液压制动，所以解耦电磁阀关闭。当电机制动力不足以满足需求制动力，此时占空比达到最大，前轮解耦电磁阀打开，后轮不进行制动，液压制动力介入，超级电容端电压升高。在此过程中可以看出实际制动力能够很好地满足需求制动力。

根据仿真结果，进行了电机小强度再生制动力试验，结果如图10 ～12 所示。

图10 小强度制动电机制动力试验

图11 小强度制动占空比试验

图12 小强度制动超级电容端电压试验

图10 ～12 为最大电机制动力矩相关信号的变化曲线。在刚开始时，电机制动力随占空比的增加逐渐增加到需求制动力，为了保持需求制动力不变，占空比继续增加，在此过程中，超级电容的端电压逐渐增加。

3.2 中强度制动

当0.1 ＜z＜0.7，中强度制动工况下，此时电机制动力不能完全满足需求制动力，在此种制动工况下就需要进行电机与液压的复合制动，电机以最大的制动力进行制动。在此仿真过程中，让车辆加速到30 km/h 左右开始进行制动，超级电容的初始电压为10 V 左右，直到车辆停下之后仿真结束，仿真图如下。

图13 中强度制动整车制动力仿真曲线

图14 超级电容端电压仿真

图15 占空比控制信号仿真

图16 需求制动力与实际制动力仿真对比

图13 ～16 是中强度制动工况下的仿真图。在刚开始时，电机制动力随占空比的增加逐渐增加到最大，占空比增加到1 时，电机制动力达到最大之后开始逐渐降低，当电机制动力不能满足需求制动力时，解耦电磁阀打开。在此过程中，超级电容端电压逐渐增大，当占空比为100%时趋于稳定，实际制动力能够很好地满足需求制动力。

根据仿真结果，进行了电机中强度再生制动力试验和液压制动力试验，图17 为中强度制动下电机制动力矩图。在中强度液压制动试验中，由于晶闸管G 极的占空比始终为1，不需要对电机进行控制，从而采取等效的试验方法，将试验中测得的最大再生制动力试验数据作为已知量，以中强度工况下的需求制动力减去已知量作为液压制动系统中的目标制动力，如图18 所示，即在所提出的液压制动力控制策略下能够使液压制动力按照图18 所示的曲线进行变化，从而能够证明所提出的液压制动力控制策略的有效性。但是液压制动力控制试验台架中的压力传感器测得的单位是MPa，为了便于试验，将图18等效成图19进行试验，结果如图20所示。

图17 中强度制动电机制动力矩试验

图18 复合制动液压需求制动力

图19 复合制动等效液压需求制动力

图20 复合制动液压实际制动力

3.3 紧急制动

当z＞0.7 时，在紧急制动工况下，为了安全性以及蓄电池和超级电容的寿命考虑，不采取电机进行制动。本文设定0.2 为滑移率目标值，仿真时让车辆加速到60 km/h 开始进行制动，超级电容的初始电压为10 V 左右，直到车辆停下来之后仿真结束，仿真图如下。

图21 紧急制动整车制动力仿真曲线

图22 超级电容端电压仿真

图23 占空比控制信号仿真

图24 前后轮滑移率仿真

图21 ～24 是紧急制动工况下的仿真图，由于驾驶员踩踏板有一个过程，所以在前期很短的时间内会有电机制动力的介入并迅速达到最大值，当检测到此次为紧急制动时，电机撤出制动，液压开始介入，并且以0.2 作为目标滑移率进行制动。超级电容的端电压由于电机制动力仅在前期很短的时间内介入，最终超级电容的端电压基本保持不变。整流桥G 极信号的占空比由于电机制动力在前期很短的时间内就达到了最大，所以占空比也在很短的时间内上升到1，但是在检测为紧急制动时，为了保护蓄电池、超级电容以及制动的安全性，将占空比设置为0，即电机不进行制动，制动力全部由液压提供。

根据仿真的结果，进行了液压紧急制动试验，试验图如下。

图25 前后轮滑移率试验

图26 前后轮转速以及车速试验

图27 前后轮制动力试验

图25 ～27 为紧急制动时的前后轮滑移率、转速以及制动力矩的试验图。根据控制策略中设定的滑移率，其保持在0.2 左右变化，转速始终与车速保持着很小的滑移。

3.4 不同制动强度结果分析

小强度制动由于最后由液压介入，所以最终车速以电机制动力为0 时的速度计算。

根据式（2）和式（3），得到超级电容回收的能量以及车辆制动消耗的总能量，得到回收率。

式中：E为超级电容回收的能量，J；C为超级电容的法拉值，F；U2为超级电容的末端电压，V；U1为超级电容的初始电压，V。

式中：EP为动能的减少量，J；m为试验车的质量，kg；v1为车辆初始速度，m/s；v2为车辆末速度，m/s。

根据表2 所分析的仿真数据，在小强度制动与中强度制动的仿真中，都是从几乎相同的车速以及相同的超级电容端电压开始进行制动的，中强度制动由于电机以最大制动力制动，此过程中的能量回收率远高于小强度制动过程。在小强度制动中，仅电机进行制动，需求制动力变大，能量回收率越来越大。到中强度制动阶段，电机以最大制动力参与制动，但是随着需求制动力的增加，电机在全部制动力中所占的比例越来越小，所以在中强度制动中，能量回收率会随着需求制动力的增加而减小。紧急制动时，本研究采取不进行电机制动的策略，所以没有能量的回收。

表2 不同制动强度结果对比

4 结论

针对某电动汽车机电复合制动系统进行了研究，提出了不同工况下的制动力分配策略，并对其进行了仿真和试验验证。结果证明了本文所设计的以超级电容为储能装置并以ABS 系统进行压力调节的复合制动系统的正确性，以及制动力控制策略的有效性。在小强度制动时电机能够满足驾驶员的需求制动力，并且能量回收率能够达到25%；在中强度制动时电机以最大制动力进行制动并且在最大限度回收能量的同时能够使该系统满足制动性能，能量回收率能够达到74%；在紧急制动时能够保证滑移率稳定在0.2 并且使车速与转速之间没有太大的滑移，电机制动力能够迅速撤出制动。本文的创新点有以下两个方面：（1）中强度制动中采用数值模拟电机制动力的方法将电机制动力作为已知量输入控制器进行复合制动力控制试验。（2）提出的控制策略在每种制动强度下只需要对一种制动方式进行控制，这样就减小了同时控制两种制动方式所带来的不协调性。