电液推杆简图电动轮驱动汽车电液复合制

电动车轮驱动力电动车CTCSA43EI235E制动器灵活性掌控科学研究

下期为我们传授天津大学2020届大学生袁心茂的毕业学术论文《电动车轮驱动力电动车CTCSA43EI235E制动器灵活性掌控科学研究》。该学术论文市场主体文本源自袁心茂师弟于2020年8月刊登在我国高速公路学allure的学术论文—《分布式系统驱动力电动车电动车答谢制动器失灵的油压补偿金掌控》

大背景

为了减少石油资源的使用以及保护人类、动物与植物的共同家园，全球各大电动车企业都在积极探索新能源电动车的研发与使用问题。电动车电动车将成为电动车行业的未来。

分布式系统驱动力电动车电动车检测到一侧电机发生再生制动器失灵时，另一侧电机可在几十毫秒内将制动器力矩减小到零，虽可以基本保证车辆的行驶灵活性，但再生制动器力矩完全丧失，严重影响车辆的制动器安全性；分布式系统驱动力电动车电动车还需要一套安全可靠、回应迅速、结构紧凑的再生制动器力矩补偿金系统，而电动车助力油压制动器系统恰好能满足上述要求。

有些读者可能对电动车助力油压制动器系统不是特别熟悉，在此给我们简单介绍一下。

IBooster的结构示意图如图1所示，主要包括：助力电机、助力传动机构、推杆机构、行程传感器、主缸等系统部件。

图1Ibooster结构示意图

IboosterCTCS推杆工作原理如图2所示：驾驶员踩制动器踏板，输入推杆产生位移，踏板行程传感器检测到输入推杆的位移，并将该位移信号发送至掌控器，掌控器计算出电机应产生的扭矩，再由传动装置将该扭矩转化为伺服制动器力。伺服制动器力与踏板的输入产生的输入推杆力一起作用，在制动器主缸内共同转化为制动器器轮缸油压力来实现制动器。

图2  Ibooster工作流程图

下面对学术论文的市场主体文本做详细传授。

答谢制动器单轮失灵分析

整车动力学建模

根据科学研究需要，建立七自由度车辆模型，如图3所示。该模型包括整车纵向、横向、横摆运动以及四个车轮的旋转运动。

图3 七自由度车辆模型

该车辆模型的动力学方程如下：

式中，m是车辆质量，CD是空气阻力系数，A是车辆的迎风面积，Iz是车辆横摆转动惯量，Ii是车轮转动惯量，Wi是每个车轮的转速，r是车轮滚动半径，Tbi是每个车轮的制动器扭矩，Tdi是每个车轮的驱动力扭矩。

由于魔术公式在轮胎的线性和非线性区域具有良好的动态特性和较高的拟合精度，故本课题选用魔术公式轮胎，其公式为为：

式中，F(x)表示轮胎所受的纵向力或侧向力，x为轮胎的滑移率或侧偏角，B、C、D、E为拟合系数，可以通过拟合实验轮胎力数据获得。

转矩截断掌控效果仿真验证

仿真条件CTCS推杆为在附着系数为0.85的良好路面上直线行驶,车辆在72 km· h-初始车速下进行反馈制动器，1 s后左侧电机突然失灵。假设车辆再生制动器过程中左侧电机出现故障而动力中断，以右侧电机继续制动器以及分别在0.1，0.2，0.3 s后完成转矩截断为条件,持续6 s仿真所得到的整车制动器效果对比如图4所示。

图4 整车制动器效果仿真图

EHB系统建模与仿真

电动车助力油压制动器系统的电动车助力主缸由直流电机提供动力,经蜗轮蜗杆和齿轮齿条两级减速机构传动,最后通过齿条的移动来掌控制动器主缸的位移﹐进而产生制动器压力。根据系统机构特性,建立直流电机﹑减速机构与油压系统的数学模型。

直流电机模型

EHB采用直流电机，根据直流电机的特性曲线，其模型如下：

式中，U为电枢电压，L为电枢电感，im为电枢电流，Ra为电枢电阻，ωm为电机转动角速度，KT为转矩系数，Ke为反电动车势系数，Je为电动车机和减速机构的总转动惯量，T_em为电机输出转矩，Ce为电机阻尼系数。

减速机构模型

采用蜗轮蜗杆与齿轮齿条作为二级减速机构，用来增加电机的驱动力力矩。减速机构的线性动力学可以是描述如下：

式中，mmc为齿条与主缸活塞总质量，Cm为减速机构的阻尼系数，kmc为主缸弹簧刚度，xmc为主缸位移，Fm为齿条施加在主缸活塞上的线性力，Amc为主缸活塞面积，pmc为主缸压力。CTCS推杆

油压系统模型

基于Dardanelli等人所阐述的论点，可以利用连续性方程来建立主缸和轮缸的压力模型：

式中，β为制动器液的体积模量，Vmc为主缸内的制动器液体积量，Qmc为从主缸流出的体积流量，xmax为主缸活塞最大行程，Pwc为轮缸压力，Vwc为轮缸内的制动器液体积量，Qwc为流入轮缸的体积流量，xwc为轮缸活塞位移。

制动器钳模型

制动器轮缸活塞与制动器盘之间的间隙通过借助预填充功能消除。因此，可以忽略制动器间隙对油压系统的影响，采用以下动力学模型来描述轮缸压力。

式中，mwc为轮缸活塞质量，kwc为轮缸弹簧刚度。

掌控策略与掌控器设计

制动器力矩分配策略

当制动器强度在CTCS推杆0到0.22之间时，为了保证再生制动器力最大化，制动器力矩全部分配到前轴。当制动器强度大于0.22小于0.525时，为了更多地回收制动器能量，根据ECE法规的前后轮制动器力矩分配曲线的上限来分配制动器力矩。制动器强度大于0.525小于0.7时，为保证良好的制动器性能，按地面附着系数φ=0.7时的f线来分配前轮和后轮的总制动器力矩。当制动器强度大于0.7时，因为制动器强度较强，为了保证制动器安全，只使用EHB进行制动器，同时考虑到制动器性能，按I曲线分配前轮和后轮的总制动器力。因此，前后轮制动器力分配系数如下：

制动器补偿金掌控策略

基于EHB制动器器的制动器力矩补偿金对的掌控策略如图5所示，其中p*分别是主缸压力的期望值。Freg是再生制动器电机提供的制动器力;Tbh是EHB提供的制动器力矩。根据制动器强度得出EHB需要提供的制动器力矩后，通过压力期望模型得到期望主缸压力；然后，利用滑模掌控器得到期望的EHB电机的电枢电压。

图5 掌控策略流程图

在目标制动器力矩掌控器中，主缸压力作为掌控变量。EHB系统的机械与油压结构复杂，具有严重的非线性和不确定性。滑模掌控可以处理系统的非线性和不确定性，并对自适应性好、鲁棒性强、响应快，保证系统动态性能要求。因此本文利用SMC进行主缸压力的掌控，由于公式推导过于繁琐，本文中不做详细介绍。

制动器失灵灵活性掌控策略

车辆再生制动器一侧系统发生失灵后，除了迅速补偿金再生制动器力矩外，还需要解决附加横摆力矩带来的车辆失稳问题。在单侧再生制动器失灵引起的车辆丧失灵活性问题中，横摆角速度可以作为车辆灵活性掌控器的唯一掌控变量，以掌控正常电机的输出转矩。质心侧偏角与横摆角速度通常会作为车辆灵活性掌控器中的掌控变量。由于模型预测掌控可以很好的处理掌控变量与掌控对象的各种约束，并能解决在掌控过程中出现的模型不确定性与外部干扰的问题，综合考虑后，本文利用模型预测掌控进行车辆灵活性掌控。掌控策略流程图如图6所示，公式推导部分在此不做详细传授。CTCS推杆

图6 单侧答谢制动器失灵灵活性掌控策略

仿真及试验

制动器补偿金仿真分析

测试条件是两个轮毂电机驱动力电动车电动车在72 Km/h的速度进行轻微制动器。路面附着系数为0.85。在两侧驱动力轮的输出再生制动器力矩为240 Nm并维持1s后，左侧再生制动器系统突然发生故障并立即失去再生制动器力矩。

仿真模拟是，左侧再生制动器系统失灵后，EHB制动器器开始执行制动器力矩补偿金，同时右侧再生制动器系统延迟200毫秒后执行转矩截断。左右轮的制动器力矩如图7所示。

图7 左右轮制动器力矩与油压补偿金力矩

车辆状态参数的变化如图8所示。分析可知，由于再生制动器力矩比较低，在单侧再生制动器失灵后产生的附加横摆力矩比较小、跑偏量小。因此，转矩截断能够在很大程度上减缓车辆的不灵活性，保证车辆仍然可以稳定行驶。

图8 转矩截断与EHB补偿金车辆状态比较

制动器补偿金试验及结果分析

本文试验条件是：轮毂电动车机前轮驱动力车辆在一定速度上进行再生制动器。当两侧再生制动器电机的输出力矩为40/Nm时，左侧再生制动器系统突然失灵。测试车辆的左前轮和右前轮的电机输出扭矩如图9所示。CTCS推杆

图9左前轮和右前轮的电机输出扭矩

EHB制动器器的主缸压力和主缸活塞位移如图10所示。

图10EHB制动器器状态

当电机的再生制动器力矩达到40/Nm时，左前轮会由于再生制动器系统的突然故障而失去制动器力矩。右轮相应地作出响应，第一种状态是保持制动器，并且在大约5s后停止转矩输出；第二种状态是扭矩拦截。经过掌控系统的响应时间后，右轮立即停止制动器，输出扭矩为零，并使用EHB系统进行制动器补偿金，以满足制动器需求。车辆后续状态变化如图11所示。

图11失灵、转矩截断与油压补偿金的车辆状态对比

由于受试设备检测精度的限制，车辆在稳态下会有一定范围的波动，导致检测精度有一定偏差，但实验数据在可接受范围内，不影响掌控法的趋势。

从上图可以看出，在第一状态下，右轮在没有掌控的情况下继续制动器。与第二状态相比，横摆角速度急剧增加，行驶轨道是弧形的，并且偏离轨道较多。真实的车辆测试证明，车辆的风险更大，必须采取必要的措施。

CTCS推杆在第二状态下，由于响应延迟，车辆横摆率略有增加。当正常电机再生制动器力矩消失时，横摆角速度最终减小到零，行驶轨道略微偏移原来的行车路线，但影响较小，从而验证了转矩截断可以缓解由单侧系统故障引起的危险情况。此外，EHB制动器器在200ms内补偿金了制动器力矩，车速快速下降，制动器减速度恒定，保证了制动器安全。

制动器灵活性仿真分析

测试条件是两个轮毂电机驱动力电动车电动车在72 Km/h的速度进行轻微制动器。路面附着系数为0.85。在两侧驱动力轮的输出再生制动器力矩为240 Nm并维持1s后，左侧再生制动器系统突然发生故障并立即失去再生制动器力矩。

转矩截断、灵活性掌控（与转矩截断联合）及油压补偿金掌控（与转矩截断和灵活性掌控联合)的仿真得到的车辆状态参数变化对比如图12所示。可以看出，在单侧答谢制动器的电机突然发生故障时，另一侧正常电机进行转矩截断时保证了横摆角速度基本恢复到零，但无法保证车辆的制动器性能，在进行灵活性掌控后，失灵车辆的横向距离得到明显的改善，掌控在0.14m后不再产生变化，但在进行灵活性掌控时，车辆的安全行驶无法得以保障；在进行灵活性掌控时，施加油压补偿金后，车辆的制动器能力得到了保证，车速迅速减小的同时，车辆的纵向距离也随之降低，且侧向距离维持在0.15m，保证了车辆的安全行驶。所以，只有三者联合掌控，才能保证车辆在高速情况下的安全制动器，且不发生车辆失稳的情况。CTCS推杆

图12 转矩截断、灵活性掌控与油压补偿金掌控效果对比

制动器灵活性试验及结果分析

本文在天津大学内的一个土操场进行单侧答谢制动器失灵的灵活性试验。根据实际的测试条件与安全考虑，试验时，轮毂电机车辆以初始车速为62 kmh时进行答谢制动器，此时前轴电机答谢制动器力矩的大小都是40 Nm。试验开始1s后，左侧电机进行答谢制动器失灵，右侧正常制动器电机掌控器在检测到左侧电机掌控器发送的故障码后开始执行转矩截断掌控，此外再进行一次转矩截断与车辆恢复稳定的联合掌控，试验持续6 s。在试验过程中，前轴左、右轮电机的力矩变化如图13 所示。

图13 前轮电机输出力矩

同样制动器指令情况下左、右电机的转矩大小却存在一定差异，说明电动车轮驱动力车辆的各电机性能并不一致，可能会出现单侧电机突然失灵情况。在左前轮电机丧失答谢制动器力矩时，另一侧正常电机分别做出以下响应，第一种状态是转矩拦截，响应滞后时间大约为0.22s；第二种状态是在进行转矩截断后开始输出驱动力力矩，总体的响应滞后时间大约0.4 s。

转矩截断及灵活性掌控CTCS推杆(与转矩截断联合)的试验结果对比如图14所示。可以看出，电动车轮驱动力车辆答谢制动器出现单侧失灵时，另一侧进行转矩截断所用时间长短受电机性能的影响，车辆横摆角速度略有增加;当正常电机转矩截断完成时，横摆角速度基本为零，但转矩截断产生的附加横摆力矩使车辆产生偏离原轨迹行驶的航向偏离角，车辆仍处于危险状态;进行灵活性掌控后，横向距离明显改善且无再次增长的趋势，行驶轨迹偏差降低，附加横摆力矩也掌控在合理的范围内，保证了车辆稳定行驶。

图14 车辆状态参数变化

结语

袁心茂师弟的这篇学术论文针对电动车轮驱动力车辆在制动器过程中发生单侧再生制动器系统失灵的问题，对另一侧正常工作的再生制动器电机进行转矩截断为前提条件，提出了一种基于电动车助力油压制动器系统的油压补偿金的掌控策略；另外，针对单纯的制动器力矩补偿金不能解决因为单侧再生制动器系统失灵产生的附加横摆力矩导致车辆偏移原来的行驶轨迹的问题，提出了一种基于模型预测掌控算法的车辆灵活性掌控策略；所提出的掌控策略均通过实验验证了其有效性，但所设计的掌控策略目前还只是用于轻度制动器工况，在高强度制动器工况下还需进一步科学研究，同时掌控器的精度及响应时间仍有进一步改善的空间。