汽车机电复合制动制动力分配与稳定性控制研究

吕福玲

一、机电复合制动系统的意义

汽车电子技术可以说是满足人们对汽车工业实现环境保护、节约能源、安全性和智能性目标的最活跃和最具革命性的力量。汽车电子技术革新与发展历程中的一个重要方面就是对汽车行驶安全性的影响。 随着汽车行驶速度向高速发展和高速公路网络纵横延伸，人们对汽车行驶安全性提出越来越严格的要求，许多国家都为此颁布了严厉的汽车安全法规。

如何提高汽车行驶安全性便成为现代汽车研究的重要课题之一。 汽车的行驶安全性从研究内容上讲主要包括两个方面：主动安全性和被动安全性。主动安全性是指如何通过车辆设计尽量减少或避免交通事故的发生；被动安全性是指通过车辆的设计使车辆在发生事故时尽量减少对乘员的伤害。汽车主动安全性控制技术中的防抱死制动控制技术可以提高制动过程中的稳定性并同时缩短制动距离，大大提高了汽车行驶安全性，减少了车祸事故发生。该技术是主动安全性技术的代表，已经成为目前世界上普遍公认的提高汽车安全性能的有效措施之一。目前，某些发达国家已把车辆稳定性控制系统列为汽车出厂标准装备。然而，该技术在我国还处于试验、研制阶段，还没有真正自主开发出产业化产品为国内汽车所用，特别是这方面的理论还不完善，远远达不到指导生产的需要。 汽车的行驶安全性从研究对象应用基础车型上讲主要包括两种车型：内燃机汽车和电动汽车。现代新型电动汽车具有的特殊动力传动与制动系统架构对汽车的行驶安全性技术特别是稳定性控制技术提出了更多的问题与挑战。以混合动力汽车为例，在制动减速过程中，电机施加回馈制动力矩于动力传动系统中，混合动力汽车制动系统就存在两种不同的制动力矩。其一是由电机提供的回馈制动力矩，其二是由液压制动系统提供的液压制动力矩。由于电机回馈制动力矩仅仅施加于前轴（混合动力架构不同，回馈制动力矩施加部位也不同），因此在低附着系数路面制动时与传统车辆相比混合动力汽车的前轮就较易抱死。

二、研究现状

国外对电机回馈制动技术已经进行了一些研究，多采用蓄电池吸收回馈能量，利用超级电容的较少，而且所采用的电容价格高、比能量较低、额定电压低，因此多采用串、并联上百只电容的方案，致使控制系统可靠性降低，整车成本大大提高。

电动汽车电机回馈制动研究的关键问题：

电机回馈制动是目前电动汽车回收制动能的普遍技术。对于电机回馈制动系统是由常规摩擦制动系与电制动复合而成的电动汽车，进行该技术的研究需要解决如下的几个关键问题。 首先是制动的稳定性问题。由于电制动力矩（即电机回馈制动力矩）随车速变化大，电动汽车的制动过程将与传统的只具有摩擦制动系的燃油车的制动过程有所不同。因此，如何协调电机回馈制动力矩和摩擦制动力矩之间的分配进行制动的稳定性控制是首先要解决的问题。 其次是制动能回收的充分性问题。即在保证电动汽车制动稳定性前提下，尽可能多的回收制动能。电动汽车的充电能力受动力电池荷电状态、电机工作特性、充电的快慢等因素的影响。由于电机回馈制动时常存在过充电及急速充电等问题，使得电机和蓄电池工作条件变得复杂，因此如何提高短时间内充电系统的充电效率是保证制动能回收充分性的关键。 最后是制动过程的平顺性问题。电动汽车制动时，电机回馈制动力矩作为辅助制动力矩将影响制动踏板与驾驶平顺性。需要对电机回馈制动力矩的大小进行优化控制以使电动汽车的制动与常规汽车制动系的制动感觉一样。

三、车辆稳定性控制系统的研究背景及发展趋势

车辆稳定性控制系统发展历程大致可以分为三个阶段。

1.第一阶段

这一阶段始于 ABS 在汽车上的应用。ABS 是车辆在制动过程中防止车轮抱死打滑的一种装置，ABS 可以提高制动过程中的稳定性并同时缩短制动距离，是主动安全性技术的代表。现今人们除了对汽车的动力性、经济性、舒适性提出更高要求之外，对汽车的安全性也越来越关心，因此 ABS 在汽车上的应用也日益广泛。基于这种技术的系统（以 ABS/TCS 为主）仅能控制车轮纵向的滑动率，侧向滑移的控制是间接得到考虑的，因而车辆侧向稳定性也是间接获得控制的。这种系统的主要目的是优化车辆制动和加速性能，同时车辆的侧向稳定性和转向性不被破坏。根据对轮速的分析计算，系统也能在一定程度上辨别汽车的转向状态，在制动时，通过适当调节内外侧和前后车轮的压力达到调整整车转向特性的目的。

2.第二阶段

车辆稳定性控制系统应用了方向盘转角传感器。方向盘转角被用来确定驾驶员想要得到的行车路线，然后将之与车辆的实际位置比较来改进发动机的输出力矩和制动力，从而避免车辆在转弯时出现过多的不足转向或过度转向，加强了车辆在拐弯时的动态稳定性。1992 年 BMW 公司和 BOSCH 公司合作，在 ABS/TCS的基础上开发了汽车稳定控制系统并称之为 DSCI（第一代 DSC），应用于 BMW 850Ci 轿车上。1994 年，BMW 公司和 BOSCH 公司再次合作，在 DSC1 的基础上进一步发展为 DSC2，并引入 CAN 总线与发动机管理系统通讯。无论是第一代还是第二代 DSC 都相对比较简单，只是在 ABS/ASR 的基础上增加了方向盘转角传感器，并未增加测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和橫摆角速度传感器，汽车的横摆角速度是通过内外车轮的转速差间接估计得到的，这在很多情况下，尤其是在轮胎附着极限情况下是不准确的。

3.第三阶段

1995年，BOSCH 公司提出了 VDC 的概念，Benz 公司提出了 ESP 的概念，丰田公司也提出了VSC 的概念，真正意义上的汽车稳定性控制一般认为是这个时间段出现的。但该阶段出现的 VSC 系统向前更进了一步，是在 ABS/TCS 系统上的一大飞跃，它是一个主动控制系统，能独立于驾驶员对车辆的动态特性进行控制。该类系统要求更多的传感器（如横摆角速度传感器、侧向加速度传感器和压力传感器等）来确定车辆的动态变量，还需要更复杂的控制算法和逻辑来对车辆进行控制。1996 年 BMW 公司和 BOSCH 公司再次合作推出的 DSC3 就是此类稳定性控制系统。1997 年 Vanity Kelsey-Hayes 和 Lucas PLC 合并，联手开发VSC。德国的大陆 TEVES 公司也以 MK60 液压调节器为基础进行 VSC 的研制与开发。