電動車輪驅動力電動車CTCSA43EI235E制動器靈活性掌控科學研究

下期為我們傳授天津大學2020屆大學生袁心茂的畢業(yè)學術論文《電動車輪驅動力電動車CTCSA43EI235E制動器靈活性掌控科學研究》。該學術論文市場主體文本源自袁心茂師弟于2020年8月刊登在我國高速公路學allure的學術論文—《分布式系統(tǒng)驅動力電動車電動車答謝制動器失靈的油壓補償金掌控》

大背景

為了減少石油資源的使用以及保護人類、動物與植物的共同家園，全球各大電動車企業(yè)都在積極探索新能源電動車的研發(fā)與使用問題。電動車電動車將成為電動車行業(yè)的未來。

分布式系統(tǒng)驅動力電動車電動車檢測到一側電機發(fā)生再生制動器失靈時，另一側電機可在幾十毫秒內將制動器力矩減小到零，雖可以基本保證車輛的行駛靈活性，但再生制動器力矩完全喪失，嚴重影響車輛的制動器安全性；分布式系統(tǒng)驅動力電動車電動車還需要一套安全可靠、回應迅速、結構緊湊的再生制動器力矩補償金系統(tǒng)，而電動車助力油壓制動器系統(tǒng)恰好能滿足上述要求。

有些讀者可能對電動車助力油壓制動器系統(tǒng)不是特別熟悉，在此給我們簡單介紹一下。

IBooster的結構示意圖如圖1所示，主要包括：助力電機、助力傳動機構、推桿機構、行程傳感器、主缸等系統(tǒng)部件。

圖1Ibooster結構示意圖

IboosterCTCS推桿工作原理如圖2所示：駕駛員踩制動器踏板，輸入推桿產(chǎn)生位移，踏板行程傳感器檢測到輸入推桿的位移，并將該位移信號發(fā)送至掌控器，掌控器計算出電機應產(chǎn)生的扭矩，再由傳動裝置將該扭矩轉化為伺服制動器力。伺服制動器力與踏板的輸入產(chǎn)生的輸入推桿力一起作用，在制動器主缸內共同轉化為制動器器輪缸油壓力來實現(xiàn)制動器。

圖2  Ibooster工作流程圖

下面對學術論文的市場主體文本做詳細傳授。

答謝制動器單輪失靈分析

整車動力學建模

根據(jù)科學研究需要，建立七自由度車輛模型，如圖3所示。該模型包括整車縱向、橫向、橫擺運動以及四個車輪的旋轉運動。

圖3 七自由度車輛模型

該車輛模型的動力學方程如下：

式中，m是車輛質量，CD是空氣阻力系數(shù)，A是車輛的迎風面積，Iz是車輛橫擺轉動慣量，Ii是車輪轉動慣量，Wi是每個車輪的轉速，r是車輪滾動半徑，Tbi是每個車輪的制動器扭矩，Tdi是每個車輪的驅動力扭矩。

由于魔術公式在輪胎的線性和非線性區(qū)域具有良好的動態(tài)特性和較高的擬合精度，故本課題選用魔術公式輪胎，其公式為為：

式中，F(xiàn)(x)表示輪胎所受的縱向力或側向力，x為輪胎的滑移率或側偏角，B、C、D、E為擬合系數(shù)，可以通過擬合實驗輪胎力數(shù)據(jù)獲得。

轉矩截斷掌控效果仿真驗證

仿真條件CTCS推桿為在附著系數(shù)為0.85的良好路面上直線行駛,車輛在72 km· h-初始車速下進行反饋制動器，1 s后左側電機突然失靈。假設車輛再生制動器過程中左側電機出現(xiàn)故障而動力中斷，以右側電機繼續(xù)制動器以及分別在0.1，0.2，0.3 s后完成轉矩截斷為條件,持續(xù)6 s仿真所得到的整車制動器效果對比如圖4所示。

圖4 整車制動器效果仿真圖

EHB系統(tǒng)建模與仿真

電動車助力油壓制動器系統(tǒng)的電動車助力主缸由直流電機提供動力,經(jīng)蝸輪蝸桿和齒輪齒條兩級減速機構傳動,最后通過齒條的移動來掌控制動器主缸的位移﹐進而產(chǎn)生制動器壓力。根據(jù)系統(tǒng)機構特性,建立直流電機﹑減速機構與油壓系統(tǒng)的數(shù)學模型。

直流電機模型

EHB采用直流電機，根據(jù)直流電機的特性曲線，其模型如下：

式中，U為電樞電壓，L為電樞電感，im為電樞電流，Ra為電樞電阻，ωm為電機轉動角速度，KT為轉矩系數(shù)，Ke為反電動車勢系數(shù)，Je為電動車機和減速機構的總轉動慣量，T_em為電機輸出轉矩，Ce為電機阻尼系數(shù)。

減速機構模型

采用蝸輪蝸桿與齒輪齒條作為二級減速機構，用來增加電機的驅動力力矩。減速機構的線性動力學可以是描述如下：

式中，mmc為齒條與主缸活塞總質量，Cm為減速機構的阻尼系數(shù)，kmc為主缸彈簧剛度，xmc為主缸位移，F(xiàn)m為齒條施加在主缸活塞上的線性力，Amc為主缸活塞面積，pmc為主缸壓力。CTCS推桿

油壓系統(tǒng)模型

基于Dardanelli等人所闡述的論點，可以利用連續(xù)性方程來建立主缸和輪缸的壓力模型：

式中，β為制動器液的體積模量，Vmc為主缸內的制動器液體積量，Qmc為從主缸流出的體積流量，xmax為主缸活塞最大行程，Pwc為輪缸壓力，Vwc為輪缸內的制動器液體積量，Qwc為流入輪缸的體積流量，xwc為輪缸活塞位移。

制動器鉗模型

制動器輪缸活塞與制動器盤之間的間隙通過借助預填充功能消除。因此，可以忽略制動器間隙對油壓系統(tǒng)的影響，采用以下動力學模型來描述輪缸壓力。

式中，mwc為輪缸活塞質量，kwc為輪缸彈簧剛度。

掌控策略與掌控器設計

制動器力矩分配策略

當制動器強度在CTCS推桿0到0.22之間時，為了保證再生制動器力最大化，制動器力矩全部分配到前軸。當制動器強度大于0.22小于0.525時，為了更多地回收制動器能量，根據(jù)ECE法規(guī)的前后輪制動器力矩分配曲線的上限來分配制動器力矩。制動器強度大于0.525小于0.7時，為保證良好的制動器性能，按地面附著系數(shù)φ=0.7時的f線來分配前輪和后輪的總制動器力矩。當制動器強度大于0.7時，因為制動器強度較強，為了保證制動器安全，只使用EHB進行制動器，同時考慮到制動器性能，按I曲線分配前輪和后輪的總制動器力。因此，前后輪制動器力分配系數(shù)如下：

制動器補償金掌控策略

基于EHB制動器器的制動器力矩補償金對的掌控策略如圖5所示，其中p*分別是主缸壓力的期望值。Freg是再生制動器電機提供的制動器力;Tbh是EHB提供的制動器力矩。根據(jù)制動器強度得出EHB需要提供的制動器力矩后，通過壓力期望模型得到期望主缸壓力；然后，利用滑模掌控器得到期望的EHB電機的電樞電壓。

圖5 掌控策略流程圖

在目標制動器力矩掌控器中，主缸壓力作為掌控變量。EHB系統(tǒng)的機械與油壓結構復雜，具有嚴重的非線性和不確定性。滑模掌控可以處理系統(tǒng)的非線性和不確定性，并對自適應性好、魯棒性強、響應快，保證系統(tǒng)動態(tài)性能要求。因此本文利用SMC進行主缸壓力的掌控，由于公式推導過于繁瑣，本文中不做詳細介紹。

制動器失靈靈活性掌控策略

車輛再生制動器一側系統(tǒng)發(fā)生失靈后，除了迅速補償金再生制動器力矩外，還需要解決附加橫擺力矩帶來的車輛失穩(wěn)問題。在單側再生制動器失靈引起的車輛喪失靈活性問題中，橫擺角速度可以作為車輛靈活性掌控器的唯一掌控變量，以掌控正常電機的輸出轉矩。質心側偏角與橫擺角速度通常會作為車輛靈活性掌控器中的掌控變量。由于模型預測掌控可以很好的處理掌控變量與掌控對象的各種約束，并能解決在掌控過程中出現(xiàn)的模型不確定性與外部干擾的問題，綜合考慮后，本文利用模型預測掌控進行車輛靈活性掌控。掌控策略流程圖如圖6所示，公式推導部分在此不做詳細傳授。CTCS推桿

圖6 單側答謝制動器失靈靈活性掌控策略

仿真及試驗

制動器補償金仿真分析

測試條件是兩個輪轂電機驅動力電動車電動車在72 Km/h的速度進行輕微制動器。路面附著系數(shù)為0.85。在兩側驅動力輪的輸出再生制動器力矩為240 Nm并維持1s后，左側再生制動器系統(tǒng)突然發(fā)生故障并立即失去再生制動器力矩。

仿真模擬是，左側再生制動器系統(tǒng)失靈后，EHB制動器器開始執(zhí)行制動器力矩補償金，同時右側再生制動器系統(tǒng)延遲200毫秒后執(zhí)行轉矩截斷。左右輪的制動器力矩如圖7所示。

圖7 左右輪制動器力矩與油壓補償金力矩

車輛狀態(tài)參數(shù)的變化如圖8所示。分析可知，由于再生制動器力矩比較低，在單側再生制動器失靈后產(chǎn)生的附加橫擺力矩比較小、跑偏量小。因此，轉矩截斷能夠在很大程度上減緩車輛的不靈活性，保證車輛仍然可以穩(wěn)定行駛。

圖8 轉矩截斷與EHB補償金車輛狀態(tài)比較

制動器補償金試驗及結果分析

本文試驗條件是：輪轂電動車機前輪驅動力車輛在一定速度上進行再生制動器。當兩側再生制動器電機的輸出力矩為40/Nm時，左側再生制動器系統(tǒng)突然失靈。測試車輛的左前輪和右前輪的電機輸出扭矩如圖9所示。CTCS推桿

圖9左前輪和右前輪的電機輸出扭矩

EHB制動器器的主缸壓力和主缸活塞位移如圖10所示。

圖10EHB制動器器狀態(tài)

當電機的再生制動器力矩達到40/Nm時，左前輪會由于再生制動器系統(tǒng)的突然故障而失去制動器力矩。右輪相應地作出響應，第一種狀態(tài)是保持制動器，并且在大約5s后停止轉矩輸出；第二種狀態(tài)是扭矩攔截。經(jīng)過掌控系統(tǒng)的響應時間后，右輪立即停止制動器，輸出扭矩為零，并使用EHB系統(tǒng)進行制動器補償金，以滿足制動器需求。車輛后續(xù)狀態(tài)變化如圖11所示。

圖11失靈、轉矩截斷與油壓補償金的車輛狀態(tài)對比

由于受試設備檢測精度的限制，車輛在穩(wěn)態(tài)下會有一定范圍的波動，導致檢測精度有一定偏差，但實驗數(shù)據(jù)在可接受范圍內，不影響掌控法的趨勢。

從上圖可以看出，在第一狀態(tài)下，右輪在沒有掌控的情況下繼續(xù)制動器。與第二狀態(tài)相比，橫擺角速度急劇增加，行駛軌道是弧形的，并且偏離軌道較多。真實的車輛測試證明，車輛的風險更大，必須采取必要的措施。

CTCS推桿在第二狀態(tài)下，由于響應延遲，車輛橫擺率略有增加。當正常電機再生制動器力矩消失時，橫擺角速度最終減小到零，行駛軌道略微偏移原來的行車路線，但影響較小，從而驗證了轉矩截斷可以緩解由單側系統(tǒng)故障引起的危險情況。此外，EHB制動器器在200ms內補償金了制動器力矩，車速快速下降，制動器減速度恒定，保證了制動器安全。

制動器靈活性仿真分析

測試條件是兩個輪轂電機驅動力電動車電動車在72 Km/h的速度進行輕微制動器。路面附著系數(shù)為0.85。在兩側驅動力輪的輸出再生制動器力矩為240 Nm并維持1s后，左側再生制動器系統(tǒng)突然發(fā)生故障并立即失去再生制動器力矩。

轉矩截斷、靈活性掌控（與轉矩截斷聯(lián)合）及油壓補償金掌控（與轉矩截斷和靈活性掌控聯(lián)合)的仿真得到的車輛狀態(tài)參數(shù)變化對比如圖12所示?？梢钥闯觯趩蝹却鹬x制動器的電機突然發(fā)生故障時，另一側正常電機進行轉矩截斷時保證了橫擺角速度基本恢復到零，但無法保證車輛的制動器性能，在進行靈活性掌控后，失靈車輛的橫向距離得到明顯的改善，掌控在0.14m后不再產(chǎn)生變化，但在進行靈活性掌控時，車輛的安全行駛無法得以保障；在進行靈活性掌控時，施加油壓補償金后，車輛的制動器能力得到了保證，車速迅速減小的同時，車輛的縱向距離也隨之降低，且側向距離維持在0.15m，保證了車輛的安全行駛。所以，只有三者聯(lián)合掌控，才能保證車輛在高速情況下的安全制動器，且不發(fā)生車輛失穩(wěn)的情況。CTCS推桿

圖12 轉矩截斷、靈活性掌控與油壓補償金掌控效果對比

制動器靈活性試驗及結果分析

本文在天津大學內的一個土操場進行單側答謝制動器失靈的靈活性試驗。根據(jù)實際的測試條件與安全考慮，試驗時，輪轂電機車輛以初始車速為62 kmh時進行答謝制動器，此時前軸電機答謝制動器力矩的大小都是40 Nm。試驗開始1s后，左側電機進行答謝制動器失靈，右側正常制動器電機掌控器在檢測到左側電機掌控器發(fā)送的故障碼后開始執(zhí)行轉矩截斷掌控，此外再進行一次轉矩截斷與車輛恢復穩(wěn)定的聯(lián)合掌控，試驗持續(xù)6 s。在試驗過程中，前軸左、右輪電機的力矩變化如圖13 所示。

圖13 前輪電機輸出力矩

同樣制動器指令情況下左、右電機的轉矩大小卻存在一定差異，說明電動車輪驅動力車輛的各電機性能并不一致，可能會出現(xiàn)單側電機突然失靈情況。在左前輪電機喪失答謝制動器力矩時，另一側正常電機分別做出以下響應，第一種狀態(tài)是轉矩攔截，響應滯后時間大約為0.22s；第二種狀態(tài)是在進行轉矩截斷后開始輸出驅動力力矩，總體的響應滯后時間大約0.4 s。

轉矩截斷及靈活性掌控CTCS推桿(與轉矩截斷聯(lián)合)的試驗結果對比如圖14所示?？梢钥闯?，電動車輪驅動力車輛答謝制動器出現(xiàn)單側失靈時，另一側進行轉矩截斷所用時間長短受電機性能的影響，車輛橫擺角速度略有增加;當正常電機轉矩截斷完成時，橫擺角速度基本為零，但轉矩截斷產(chǎn)生的附加橫擺力矩使車輛產(chǎn)生偏離原軌跡行駛的航向偏離角，車輛仍處于危險狀態(tài);進行靈活性掌控后，橫向距離明顯改善且無再次增長的趨勢，行駛軌跡偏差降低，附加橫擺力矩也掌控在合理的范圍內，保證了車輛穩(wěn)定行駛。

圖14 車輛狀態(tài)參數(shù)變化

結語

袁心茂師弟的這篇學術論文針對電動車輪驅動力車輛在制動器過程中發(fā)生單側再生制動器系統(tǒng)失靈的問題，對另一側正常工作的再生制動器電機進行轉矩截斷為前提條件，提出了一種基于電動車助力油壓制動器系統(tǒng)的油壓補償金的掌控策略；另外，針對單純的制動器力矩補償金不能解決因為單側再生制動器系統(tǒng)失靈產(chǎn)生的附加橫擺力矩導致車輛偏移原來的行駛軌跡的問題，提出了一種基于模型預測掌控算法的車輛靈活性掌控策略；所提出的掌控策略均通過實驗驗證了其有效性，但所設計的掌控策略目前還只是用于輕度制動器工況，在高強度制動器工況下還需進一步科學研究，同時掌控器的精度及響應時間仍有進一步改善的空間。