一种电动汽车电液复合制动系统及其优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种电动汽车电液复合制动系统及其优化方法，其中，电动车电液复合制动系统包括电机再生制动力模块、液压制动力模块和复合制动力控制模块。电机再生制动力模块包括两个轮毂电机、制动踏板位置传感器、四个轮速传感器、车速传感器、超级电容、二象限DC?DC变换器和第一ECU，液压制动力模块包括油泵电机、液压油泵和第二ECU。在汽车行驶过程中，通过检测车辆行驶的车速、轮速和制动踏板位置信号，复合制动力控制模块对电机再生制动力模块和液压制动力模块之间的分配比进行控制。同时通过对电液复合制动系统的多目标优化，以制动踏板感觉、电机回收能量为目标，在ECE法规下获得较高的能量回收率和合适的制动踏板感觉。
【专利说明】
一种电动汽车电液复合制动系统及其优化方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及电动汽车电液复合制动系统领域，尤其涉及一种基于电动汽车电液复 合制动系统及其优化方法。
【背景技术】
[0002] 相比传统的液压制动系统，电液复合制动系统拥有良好的制动稳定性和一定的能 量回收率等优势，由于该系统能在制动过程中回收一部分制动能量，所以在轻度制动时， ECU可以增加电机再生制动力的比例增加能量回收率。相反，在高强度制动时，制动力可以 完全由液压制动力提供，保证制动效能。
[0003] 但是，现有的电动汽车电液复合制动系统的研究中，但是对于以制动感觉为性能 指标的优化研究还十分少。然而制动感觉也是评价制动性能好坏的一个重要因素，制动感 觉是驾驶员制动汽车时的主观综合感受，是评价制动舒适性的主要指标之一，主要包括制 动踏板感觉和其他一些感觉。电动汽车复合制动的实际制动工况中，一方面，同一制动踏板 角度下，由于再生制动与液压摩擦制动输出的动态特性各异，往往造成驾驶员对不同的制 动模式产生不一致的制动感觉。另一方面，即使同一制动模式，由于不同的制动力分配比例 产生的制动力响应特性亦不同，也会致使驾驶员产生不一致的制动感觉。显然，这些不一致 的制动感觉不仅会引起驾驶员由于紧张和误操作而造成的制动稳定性问题，而且在很大程 度上也会限制着制动能量的回收效果。目前，针对制动踏板感觉的电液复合制动系统多目 标优化设计，使得系统获得较高能量回收率的同时达到较好的制动踏板感觉的报道尚未公 开。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及到的缺陷，提供一种基于电 动汽车电液复合制动系统及其优化方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 一种电动汽车电液复合制动系统，包括电机再生制动力模块、液压制动力模块和 复合制动力控制模块；
[0007] 所述电机再生制动力模块包括两个轮毂电机、制动踏板位置传感器、四个轮速传 感器、车速传感器、超级电容、二象限DC-DC变换器和第一E⑶；
[0008] 所述两个轮毂电机对应设置在电动汽车的两个前轮中，用于驱动和制动两个前 轮；
[0009] 所述制动踏板位置传感器设置在制动踏板处，用于获得制动踏板被踏下的行程；
[0010] 所述四个轮速传感器对应设置在电动汽车的四个车轮上，用于获得电动汽车的四 个车轮的角速度；
[0011] 所述车速传感器设置在电动汽车上，用于获得电动汽车的速度；
[0012] 所述二象限DC-DC变换器分另_两个轮毂电机电器相连，用于接收所述第一 ECU的 数字命令将其转换为模拟控制信号并分别发送给两个轮毂电机；
[0013] 所述超级电容一端分别和两个轮毂电机电气相连，另一端和电动汽车的蓄电池电 气相连，用于暂时储存电动汽车再生制动时获得的电能并以此向蓄电池充电；
[0014] 所述第一 E⑶分别和制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器、二象限DC-DC 变换器、复合制动力控制模块电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速 传感器的输入信号通过二象限DC-DC变换器控制两个轮毂电机工作，将两个轮毂电机的工 作状态传递给所述复合制动力控制模块，并接收所述复合制动力控制模块的命令对两个轮 毂电机进行调整；
[0015]所述液压制动力模块包括油栗电机、液压油栗和第二ECU;
[0016] 并与第二ECU电气连接用于驱动液压油栗并控制液压油压力；
[0017] 所述液压油栗设置在电动汽车制动主缸的进油腔和出油腔之间，用于调节电动汽 车制动主缸的进油腔和出油腔之间的液压差值；
[0018] 所述油栗电机用于驱动所述液压油栗进行工作；
[0019] 所述第二ECU分别和制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器、油栗电机、复 合制动力控制模块电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器的输 入信号通过油栗电机控制液压油栗工作，将液压油栗的工作状态传递给所述复合制动力控 制模块，并接收所述复合制动力控制模块的命令对液压油栗进行调整；
[0020] 所述复合制动力控制模块包含第三ECU，所述第三ECU分别和制动踏板位置传感 器、轮速传感器、车速传感器、第一 ECU、第二ECU电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、 轮速传感器、车速传感器的输入信号、结合接收到的两个轮毂电机的工作状态和液压油栗 的工作状态调整电机再生制动力模块、液压制动力模块的制动力大小。
[0021] 本发明还公开了一种基于该电动汽车电液复合制动系统的优化方法，包含以下步 骤：
[0022] 步骤1)，建立电动汽车电液复合制动系统的模型以及制动力分配模型，所述电液 复合制动系统模型包括制动踏板模型、真空助力器模型、主缸模型、轮缸模型、直流电机模 型，和二象限DC-DC变换器模型；
[0023]步骤2)，在制动工况下，以制动踏板被踏下的行程、能量回收率作为电液复合制动 系统的性能评价指标，以ECE法规规定的前后轴制动力分配比范围作为电动汽车电液复合 制动系统的约束条件，并建立电机再生制动力模块、液压制动力模块和复合制动力控制模 块ECE的性能指标的目标函数；
[0024]步骤3 )，根据电机再生制动力模块、液压制动力模块和复合制动力控制模块ECE的 性能指标的目标函数建立电动汽车电液复合制动系统的多目标优化模型；
[0025] 步骤4)，设置优化变量、性能指标范围和约束条件范围，基于NSGA-Π 算法对复合 制动系统进行优化计算，得到电动汽车电液复合制动系统有关所述优化变量的优化参数， 并根据得到优化变量的优化参数对电动汽车电液复合制动系统的对应参数进行调整。
[0026] 作为本发明一种电动汽车复合制动系统的优化方法进一步的优化方案，所述步骤 2)中：
[0027] 1)，液压制动力模块ECE性能指标的目标函数为f (X1):
[0028]
[0029] 式中，fKX)表示制动踏板感觉在路面信息有效频率范围（0, ω〇)内的频域能量平 均值；表示路面信息中有用信号的最大频率值
纟制动踏板感觉路感传递函数：
[0030]
[0031] 式中，Kt为踏板回位弹簧刚度，Am为制动主缸面积，τΡ为真空助力器等效模型的时 间常数，A w为活塞轮缸面积，&为电机制动力与液压制动力分配比，Mm为主缸质量，U为主缸 阻尼，K m为主缸弹簧刚度，k为真空助力器等效模型的放大系数，Kt为制动踏板回位弹簧刚 度；
[0032] 2)，电机再生制动力模块ECE的性能指标的目标函数为P:
[0033]
[0034] 式中，r为车轮等效半径，F为设计工况的总制动力，R为电机等效内阻，为反电动 势常数，Wm为车轮的角速度，kt为电机转矩常数；
[0035] 3)，复合制动力控制模块ECE的性能指标的目标函数为：
[0036:
[0037]式中，&yb为电机制动力与液压制动力分配比，b为质心到后轴的距离，心为质心高 度，z为制动强度，a为质心到前轴的距离，L为前后轴之间的距离。
[0038] 作为本发明一种电动汽车复合制动系统的优化方法进一步的优化方案，所述步骤 3)中电动汽车电液复合制动系统的多目标优化模型f (X)为：
[0039]
[0040] 式中，ki和k2为预先设置的权重。
[0041] 作为本发明一种电动汽车复合制动系统的优化方法进一步的优化方案，所述步骤 4)中设置的优化变量为:制动踏板回位弹簧刚度Κτ、电机转矩系数Kt、制动主缸质量Mm、真空 助力器等效时间常数Tp。
[0042] 作为本发明一种电动汽车复合制动系统的优化方法进一步的优化方案，所述步骤 4)中设置的约束条件范围为：
[0043] (1)在优化过程中，制动踏板感觉传递函数的分母应满足Routh判据的约束条件；
[0044] (2)在优化过程中，制动减速度应满足a<0.52g，g是重力加速度；
[0045] (3)在优化过程中，滑移率应在0.13彡λ彡0.2。
[0046] 作为本发明一种电动汽车复合制动系统的优化方法进一步的优化方案，所述步骤 4)中设置的性能指标的范围为：
[0047]
[0048]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0049] 1.本发明提出一种电动汽车电液复合制动系统根据由传感器得到的车速、轮速、 制动踏板位置信号及路面信号的基础上，同时对电机再生制动力模块、液压制动力模块以 及路面输入的影响进行优化，提高了电动轮汽车的制动效率，更好的分析电及再生力单元 和液压制动力模块之间的协同关系；
[0050] 2.本发明可以在保证车辆制动稳定性、平顺性和安全性的基础上，有效增加汽车 制动踏板感觉，使驾驶员在各种工况下均可以实现对制动性能的良好把握，有效地改善整 车制动性能，为制动踏板感觉模拟器的设计和优化提供理论基础；
[0051] 3.本发明以制动踏板感觉、制动能量回收率为目标进行多目标优化，不仅可以考 虑单个子系统的优化，而且可以设置全局优化参数，提高了电动轮汽车的整体优化能力。
【附图说明】
[0052] 图1为本发明电动汽车电液复合制动系统布置示意图；
[0053]图2为本发明多目标优化流程图。
[0054] 图中，1-制动踏板，2-真空助力器，3-制动主缸，4-制动液管路，5-驱动轮，6-制动 踏板位置传感器，7-轮毂电机，8-感载比例阀，9-从动轮。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0056] 如图1所示，本发明公开了一种电动汽车电液复合制动系统，包括电机再生制动力 模块、液压制动力模块和复合制动力控制模块；
[0057] 所述电机再生制动力模块包括两个轮毂电机、制动踏板位置传感器、四个轮速传 感器、车速传感器、超级电容、二象限DC-DC变换器和第一E⑶；
[0058] 所述两个轮毂电机对应设置在电动汽车的两个前轮中，用于驱动和制动两个前 轮；
[0059] 所述制动踏板位置传感器设置在制动踏板处，用于获得制动踏板被踏下的行程；
[0060] 所述四个轮速传感器对应设置在电动汽车的四个车轮上，用于获得电动汽车的四 个车轮的角速度；
[0061] 所述车速传感器设置在电动汽车上，用于获得电动汽车的速度；
[0062]所述二象限DC-DC变换器分别和两个轮毂电机电器相连，用于接收所述第一 E⑶的 数字命令将其转换为模拟控制信号并分别发送给两个轮毂电机；
[0063] 所述超级电容一端分别和两个轮毂电机电气相连，另一端和电动汽车的蓄电池电 气相连，用于暂时储存电动汽车再生制动时获得的电能并以此向蓄电池充电；
[0064] 所述第一 E⑶分别和制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器、二象限DC-DC 变换器、复合制动力控制模块电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速 传感器的输入信号通过二象限DC-DC变换器控制两个轮毂电机工作，将两个轮毂电机的工 作状态传递给所述复合制动力控制模块，并接收所述复合制动力控制模块的命令对两个轮 毂电机进行调整；
[0065]所述液压制动力模块包括油栗电机、液压油栗和第二ECU;
[0066] 并与第二ECU电气连接用于驱动液压油栗并控制液压油压力；
[0067] 所述液压油栗设置在电动汽车制动主缸的进油腔和出油腔之间，用于调节电动汽 车制动主缸的进油腔和出油腔之间的液压差值；
[0068] 所述油栗电机用于驱动所述液压油栗进行工作；
[0069] 所述第二ECU分别和制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器、油栗电机、复 合制动力控制模块电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器的输 入信号通过油栗电机控制液压油栗工作，将液压油栗的工作状态传递给所述复合制动力控 制模块，并接收所述复合制动力控制模块的命令对液压油栗进行调整；
[0070] 所述复合制动力控制模块包含第三ECU，所述第三ECU分别和制动踏板位置传感 器、轮速传感器、车速传感器、第一 ECU、第二ECU电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、 轮速传感器、车速传感器的输入信号、结合接收到的两个轮毂电机的工作状态和液压油栗 的工作状态调整电机再生制动力模块、液压制动力模块的制动力大小。
[0071] 如图2所示，本发明还公开了一种基于该电动汽车电液复合制动系统的优化方法， 包含以下步骤：
[0072] 步骤1)，建立电动汽车电液复合制动系统的模型以及制动力分配模型，所述电液 复合制动系统模型包括制动踏板模型、真空助力器模型、主缸模型、轮缸模型、直流电机模 型，和二象限DC-DC变换器模型；
[0073] 步骤2)，在制动工况下，以制动踏板被踏下的行程、能量回收率作为电液复合制动 系统的性能评价指标，以ECE法规规定的前后轴制动力分配比范围作为电动汽车电液复合 制动系统的约束条件，并建立电机再生制动力模块、液压制动力模块和复合制动力控制模 块ECE的性能指标的目标函数；
[0074]步骤3 )，根据电机再生制动力模块、液压制动力模块和复合制动力控制模块ECE的 性能指标的目标函数建立电动汽车电液复合制动系统的多目标优化模型；
[0075]步骤4)，设置优化变量、性能指标范围和约束条件范围，基于NSGA-Π 算法对复合 制动系统进行优化计算，得到电动汽车电液复合制动系统有关所述优化变量的优化参数， 并根据得到优化变量的优化参数对电动汽车电液复合制动系统的对应参数进行调整。 [0076] 所述步骤2)中：
[0077] 1)，液压制动力模块ECE性能指标的目标函数为f (X1):
[0078]
[0079] 式中，A(X)表示制动踏板感觉在路面信息有效频率范围（0, ω〇)内的频域能量平 均值；表示路面信息中有用信号的最大频率
~制动踏板感觉传递函数：
[0080]
[0081]式中，Kt为踏板回位弹簧刚度，Am为制动主缸面积，τΡ为真空助力器等效模型的时 间常数，Aw为活塞轮缸面积，&为电机制动力与液压制动力分配比，Mm为主缸质量，U为主缸 阻尼，K m为主缸弹簧刚度，k为真空助力器等效模型的放大系数，Kt为制动踏板回位弹簧刚 度；
[0082] 2)，电机再生制动力模块ECE的性能指标的目标函数为P:
[0083]
[0084] 式中，r为车轮等效半径，F为设计工况的总制动力，R为电机等效内阻，为反电动 势常数，Wm为车轮的角速度，kt为电机转矩常数；
[0085] 3)，复合制动力控制模块ECE的性能指标的目标函数为：
[0086]
[0087]式中，&yb为电机制动力与液压制动力分配比，b为质心到后轴的距离，心为质心高 度，z为制动强度，a为质心到前轴的距离，L为前后轴之间的距离。
[0088]所述步骤3)中电动汽车电液复合制动系统的多目标优化模型f (X)为：
[0089]
[0090]式中，ki和k2为预先设置的权重。
[0091]所述步骤4)中设置的优化变量为：制动踏板回位弹簧刚度Κτ、电机转矩系数Kt、制 动主缸质量Mm、真空助力器等效时间常数τρ。
[0092]所述步骤4)中设置的约束条件范围为：
[0093] (1)在优化过程中，制动踏板感觉传递函数的分母应满足Routh判据的约束条件；
[0094] (2)在优化过程中，制动减速度应满足a<0.52g，g是重力加速度；
[0095] (3)在优化过程中，滑移率应在0·13<λ<〇·2。
[0096] 所述步骤4)中设置的性能指标的范围为：
[0097]
[0098]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技 术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还 应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中 的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0099]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限制本发 明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电动汽车电液复合制动系统，其特征在于，包括电机再生制动力模块、液压制动 力模块和复合制动力控制模块； 所述电机再生制动力模块包括两个轮毂电机、制动踏板位置传感器、四个轮速传感器、 车速传感器、超级电容、二象限DC-DC变换器和第一E⑶； 所述两个轮毂电机对应设置在电动汽车的两个前轮中，用于驱动和制动两个前轮； 所述制动踏板位置传感器设置在制动踏板处，用于获得制动踏板被踏下的行程； 所述四个轮速传感器对应设置在电动汽车的四个车轮上，用于获得电动汽车的四个车 轮的角速度； 所述车速传感器设置在电动汽车上，用于获得电动汽车的速度； 所述二象限DC-DC变换器分别和两个轮毂电机电器相连，用于接收所述第一 ECU的数字 命令将其转换为模拟控制信号并分别发送给两个轮毂电机； 所述超级电容一端分别和两个轮毂电机电气相连，另一端和电动汽车的蓄电池电气相 连，用于暂时储存电动汽车再生制动时获得的电能并以此向蓄电池充电； 所述第一 ECU分别和制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器、二象限DC-DC变换 器、复合制动力控制模块电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感 器的输入信号通过二象限DC-DC变换器控制两个轮毂电机工作，将两个轮毂电机的工作状 态传递给所述复合制动力控制模块，并接收所述复合制动力控制模块的命令对两个轮毂电 机进行调整； 所述液压制动力模块包括油栗电机、液压油栗和第二ECU; 并与第二ECU电气连接用于驱动液压油栗并控制液压油压力； 所述液压油栗设置在电动汽车制动主缸的进油腔和出油腔之间，用于调节电动汽车制 动主缸的进油腔和出油腔之间的液压差值； 所述油栗电机用于驱动所述液压油栗进行工作； 所述第二ECU分别和制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器、油栗电机、复合制 动力控制模块电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、轮速传感器、车速传感器的输入信 号通过油栗电机控制液压油栗工作，将液压油栗的工作状态传递给所述复合制动力控制模 块，并接收所述复合制动力控制模块的命令对液压油栗进行调整； 所述复合制动力控制模块包含第三ECU，所述第三ECU分别和制动踏板位置传感器、轮 速传感器、车速传感器、第一 ECU、第二ECU电气连接，用于根据制动踏板位置传感器、轮速传 感器、车速传感器的输入信号、结合接收到的两个轮毂电机的工作状态和液压油栗的工作 状态调整电机再生制动力模块、液压制动力模块的制动力大小。2. 基于权利要求1所述的电动汽车电液复合制动系统的优化方法，其特征在于，包含以 下步骤： 步骤1 )，建立电动汽车电液复合制动系统的模型以及制动力分配模型，所述电液复合 制动系统模型包括制动踏板模型、真空助力器模型、主缸模型、轮缸模型、直流电机模型，和 二象限DC-DC变换器模型； 步骤2)，在制动工况下，以制动踏板被踏下的行程、能量回收率作为电液复合制动系统 的性能评价指标，以ECE法规规定的前后轴制动力分配比范围作为电动汽车电液复合制动 系统的约束条件，并建立电机再生制动力模块、液压制动力模块和复合制动力控制模块ECE 的性能指标的目标函数； 步骤3 )，根据电机再生制动力模块、液压制动力模块和复合制动力控制模块ECE的性能 指标的目标函数建立电动汽车电液复合制动系统的多目标优化模型； 步骤4)，设置优化变量、性能指标范围和约束条件范围，基于NSGA-n算法对复合制动 系统进行优化计算，得到电动汽车电液复合制动系统有关所述优化变量的优化参数，并根 据得到优化变量的优化参数对电动汽车电液复合制动系统的对应参数进行调整。3. 根据权利要求2所述的电动汽车复合制动系统的优化方法，其特征在于，所述步骤2) 中： 1) ，液压制动力模块ECE性能指标的目标函数为f(X1):式中，fi(X)表示制动踏板感觉在路面信息有效频率范围（0, coQ)内的频域能量平均值； ?〇表示路面信息中有用信号的最大频率值；为制动踏板感觉传递函数：式中，Kt为踏板回位弹簧刚度，Am为制动主缸面积，为真空助力器等效模型的时间常 数，Aw为活塞轮缸面积，瓜为电机制动力与液压制动力分配比，Mm为主缸质量，U为主缸阻 尼，K m为主缸弹簧刚度，k为真空助力器等效模型的放大系数，Kt为制动踏板回位弹簧刚度； 2) ，电机再生制动力模块ECE的性能指标的目标函数为P:式中，r为车轮等效半径，F为设计工况的总制动力，R为电机等效内阻，为反电动势常 数，为车轮的角速度，kt为电机转矩常数； 3) ，复合制动力控制模块ECE的性能指标的目标函数为：式中，Phyb为电机制动力与液压制动力分配比，b为质心到后轴的距离，hg为质心高度，Z 为制动强度，a为质心到前轴的距离，L为前后轴之间的距离。4. 根据权利要求3所述的电动汽车电液复合制动系统的优化方法，其特征在于，所述步 骤3)中电动汽车电液复合制动系统的多目标优化模型f(X)为：式中，ki和k2为预先设置的权重。5. 根据权利要求4所述的电动轮汽车底盘系统的优化方法，其特征在于，所述步骤4)中 设置的优化变量为:制动踏板回位弹簧刚度Kt、电机转矩系数K t、制动主缸质量Mm、真空助力 器等效时间常数Tp。6. 根据权利要求4所述的电动轮汽车底盘系统的优化方法，其特征在于，所述步骤4)中 设置的约束条件范围为： (1) 在优化过程中，制动踏板感觉传递函数的分母应满足Routh判据的约束条件； (2) 在优化过程中，制动减速度应满足a<0.52g，g是重力加速度； (3) 在优化过程中，滑移率应在0.13<〇. 2。7. 根据权利要求4所述的电动汽车电液复合制动系统的优化方法，其特征在于，所述步 骤4)中设置的性能指标的范围为：
【文档编号】B60L7/10GK106043256SQ201610543428
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】王春燕, 李文魁, 赵万忠
【申请人】南京航空航天大学