电动汽车防抱死制动系统控制策略现状研究

摘 要：通过对电动汽车制动系统研究现状分析，阐述了电动汽车里的ABS系统结构及工作过程，重点分析了五种ABS系统的控制策略的优缺点，提出未来电动汽车ABS制动系统的发展趋势。

关键词：防抱死制动系统；再生制动；控制策略；电动汽车

1 概述

石油匮乏、温室效应、PM2.5等能源危机和环境污染日益突显，已经严重影响着人们的衣食住行。传统汽车不仅是原油的主要消耗者，也是温室气体、PM2.5等废气的主要排放者，所以电动汽车的发展在世界各国受到了前所有未有的关注。这里的电动汽车主要包含纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。电动汽车的安全技术尤其是制动技术将面临越来越严格的考验。再生制动技术由于其制动力受汽车电机性能、电池容量等的限制，单独应用在汽车上其制动效果并不能达到理想状态。故目前国内的电动汽车制动系统沿用了传统汽车的防抱死制动系统的制动方式，或采用再生制动与ABS制动相结合的模式。本文在电动汽车制动系统研究现状的基础上对电动汽车环境下的ABS制动系统结构以及关键控制策略进行对比分析，提出未来发展趋势。

2 电动汽车制动系统研究现状

2.1 国外研究现状

在国外从上世纪90年代开始电动汽车的制动系统产品就已上市且已具备较成熟的理论。日本丰田公司把ABS系统的功能和再生制动功能进行融合，开发了丰田混合动力控制系统，将整车能量利用效率提高到20%，之后该公司相继推出THS-C系统、THS-M系统等进一步提升了制动技术。美国福特公司则以电子系统和机械制动为主开发了线控电液再生制动系统应用在混合动力汽车上。在制动系统理论方面，Eid Mohamed等人提出了并联式混合动力车再生制动方案，不仅能实现摩擦制动与再生制动的协调，还能利用再生制动的快速响应特性更好地实现汽车的防抱死性能[1]。Hoon Yeo等人提出了一种再生制动控制算法，使电机工作在高效区[2]。

2.2 国内研究现状

国内在电动汽车制动技术方面虽已取得阶段性成果，但是较之国外大部分研究成果尤其是再生制动系统的研究仍停留在理论层面。张忠富融合现代先进机电控制技术，设计了一种新型电磁机械耦合再生制动系统，克服摩擦制动系统和再生制动系统两套系统的相互独立的缺陷[3]。张继红提出将电液制动系统与再生制动系统相结合应用在纯电动汽车上，通过仿真分析整车性能及制动性能得出这一方法的可行性与有效性。在政策方面，2012年科技部发布的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》确立了纯电驱动的技术转型战略，明确了汽车动力系统电动化技术变革的总体方向。十三五规划中则进一步强调电动汽车的技术提升与改进，鼓励企业将互联网技术与新能源电动汽车技术结合。

3 ABS系统控制策略分析

3.1 ABS系统结构

如图1，电动汽车再生制动系统主要由ABS系统、制动踏板、电机传动系统及其控制单元、电池及其控制单元和协调控制器等组成。现在市面上绝大部分电动汽车的ABS系统与传统汽车的ABS系统具有异曲同工之处，极少数电动汽车的ABS系统是经过专门设计的。ABS系统结构是在普通制动系统的基础上增加了转速传感器、电子控制装置、制动压力调节装置、报警装置等几个部分。

3.2 ABS系统控制策略分析

对于装有再生制动系统的电动汽车，将再生制动系统与ABS控制系统进行协调控制，不仅可以回收电动车的能量，还可合理分配制动力矩，增加车辆的制动稳定性。单纯就汽车防抱死控制系统而言，主要有以下五种控制策略。

3.2.1 逻辑门限值控制策略。该控制策略应用在ABS系统中的具体原理是把车轮的制动参数设置一个门限值，通过对比实时制动参数与该门限值的差距判断车轮是否趋于抱死。这种控制策略虽然对制动系统的数学建模要求低，但是由于门限值参数的判断逻辑较多，需在反复试验后得出规律，缺乏可靠性。

3.2.2 滑模变结构控制策略。其具体的应用原理是根据ABS控制系统的瞬时状态以跃变的形式对制动量大小进行控制，确保系统在较小范围内滑移换节曲线移动。在制动时具有较强的鲁棒性，但在曲线切换中，通常会产生抖动现象。此外该控制策略中模型的状态方程误差较大会影响最终制动效果。

3.2.3 PID控制策略。PID控制所涉及的控制算法和控制结构都很简单，便于工程应用。通过设定滑移率实际值与理论值之间的差值为优化目标，根据在线或离线专家经验法对ABS控制器的参数进行整定，从而获得较优的制动系数。但常规的PID控制器并不能满足条件复杂的行车工况。故越来越多的研究者在这一控制策略的研究重点放在通过智能控制算法调节PID参数，如将免疫算法、蚁群算法等和PID控制方法联合起来应用于ABS。

3.2.4 模糊控制策略。以基于滑移率的模糊控制策略为例，其应用原理是设计滑移率误差与滑移率误差变化率为输入量，通过相应的模糊规则经过隶属度函数输出的制动压力值对车轮进行控制，从而实现车轮的防抱死。该策略应用的关键是建立合理的模糊控制器并将该控制器应用ABS系统中，存在的缺陷是对较小误差的控制方面难以达到较高的控制精度。

3.2.5 最优控制策略。在ABS控制系统中，通常选择车轮角速度及角加速度作为状态参数，以滑移率为控制优化目标，实施反馈闭环控制。该控制策略在理论层面较成熟，控制仿真效果较好，但是由于控制策略与精确的控制模型有很大关系，在实际应用中具有较大的难度。

4 电动汽车ABS系统发展趋势

电动汽车的制动系统由再生制动和ABS制动系统的协调控制策略，从理论分析到设计应用也逐渐走向成熟，面临产业化的应用。其发展方向有对再生制动系统结构改进，降低成本，大批量的应用在实体车中；优化协调控制策略，综合考虑能量利用率与制动稳定性的平衡关系；将智能化的控制策略引入到ABS控制系统中，提升ABS系统的制动性能，丰富ABS控制理论内容。

5 结束语

汽车防抱死制动系统ABS不仅在传统汽车上占据重要地位，而且在电动汽车领域仍发挥重要作用。在电动汽车领域，ABS制动控制策略的有效實施以及其与再生制动系统的协调控制是确保电动汽车实现最佳制动的基础，也是提升电动汽车能量回收率的有效途径。所以电动汽车的ABS制动控制系统与再生制动系统的集成控制策略仍然是值得深入研究的问题。

参考文献

[1]张忠富.电动汽车电磁机械耦合再生制动系统构建及主动稳定性控制研究[D].北京：中国农业大学，2016.

[2]张继红.纯电动汽车电液制动系统再生制动控制策略研究[D].吉林：吉林大学，2011.

[3]孙骏，蒋克荣.汽车ABS免疫PID控制算法[J].农业机械学报，2007，38（4）：27-30.

作者简介：付杰（1984-），女，山东聊城人，工程师，硕士。