汽车制动系统电动汽车再生制动研究现状.ppt

,电动汽车再生制动,主 要 内 容,电动汽车再生制动技术概述,电动汽车储能系统分析与研究,电动汽车制动过程动力学分析,电液复合再生制动协调控制策略,再生制动与ABS匹配性控制策略,1,2,3,4,5,一 电动汽车再生制动技术概述,1.1 再生制动国外研究概况,20世纪70年代，美国威斯康星大学经过数年研究，成功研制出液压式、飞轮式和蓄电池式三种制动能量再生系统。11979年，丹麦学者在福特公司生产的EscortVan 汽车上成功设计制造出液压储能式制动能量回收系统，使汽车燃料消耗量降低到原来的70%。21984年，瑞典沃尔沃公司在重达16吨的客车上装备了飞轮式储能装置，该装置的动力传递方式为液压传动式，制动能量回收实验表明节省燃料可达15%20.5%。3,1 Cikanek SR,Bailey KE.Regenerative Breaking System for A Hybrid Electric Vehicle C.Proceedings of the American Control Conference,Anchorage,AK May 8-10,2002,3129-31342 Motomu Hakiai,Toshio Taichi,Masahiko Shoda,etc.Brake system of Eco-VehicleJ.The 14th International Electric Vehicle Symposium and Exposition,19973 Vint MK.Design and Construction of a Fuel Efficient Braking System J.SAE871233,1987:200-214,一 电动汽车再生制动技术概述,1.1 再生制动国外研究概况,2000年，美国Michahian大学建立了并联式混合动力电动汽车的再生制动系统模型，系统分析了其再生制动的制动作用以及能量回收的影响因素。4韩国Sunngkyunkwan大学在再生制动力分配方面也做了大量的工作，运用模糊控制等经典控制理论，对再生制动系统、ABS防抱死系统等进行了闭环硬件仿真，推动了新能源汽车的科研进展。5比利时Flemish研制出一种名叫HEVAN的混合电动车系统，以增加电机低速时的感应电动势作为控制目标，实现能量回收。6,4 Michael Panagiotidis,George Delagrammatikas,et al.Development and use of a regenerative braking model for a parallel hybrid electric vehicle C.SAE,2000.5 陈虹，宫洵，胡云峰等.汽车控制的研究现状与展望J.自动化学报,2013,33(04):322-346.6 盘朝奉，韩福强，陈燎，徐兴，陈龙基于模糊控制的增程式电动汽车能量分配策略J重庆交通大学学报(自然科学版)，2014，33(03)：140-144.,一 电动汽车再生制动技术概述,1.2 再生制动国内研究概况,1997年，由青岛大学和中国重汽公司联合研发的使用飞轮储能式蓄能器的 ZK141A型公共汽车，燃油经济性得到明显的改善，可节省35.1%的燃料。长安大学郭金刚、叶敏等通过对电动汽车制动电气再生与机械摩擦联合制动特性进行了重点分析，提出了主辅电源能量回馈系统，使再生制动系统可同时实现升降压功能，实现回收能量对主辅电源充电。7西安交通大学曹秉刚团队对电动汽车再生制动辅助电源系统及其再生充电系统进行详细研究，在XJTUEV-2电动车能量回收系统上应用了现代控制理论最新方法，有效的提高了能量回收效率，达到了很好的节能效果。8,7 叶敏,郭金刚.电动汽车再生制动及其控制技术M.北京:人民交通出版社,2013:10-118 叶敏,安强,曹秉刚,等.电动汽车主辅电源能量回馈研究J.系统仿真学报,2007,1004(23):4,一 电动汽车再生制动技术概述,1.2 再生制动国内研究概况,北京理工大学的王军等，基于变速器挡位影响，确保行车制动安全的前提下，提出了分段复合策略，能量回收率提高 3%。湖南大学的周云山等围绕CJY6470E电动汽车展开研究，通过重新调整分配方法，在整车仿真及控制模式方面，优化了整车控制策略。9比亚迪汽车公司在电动汽车再生制动技术方面的研究处于国内领先地位，其自主生产的F3DM混合动力汽车和E6纯电动汽车实现了电动汽车民用化，这两款汽车都具有再生制动功能，F3DM带有两个电动机，可以在汽车需要大动力情况下为汽车提供动力，在制动时提供再生制动力。10,9 江王林，王瑞敏电动汽车制动过程受力分析及制动能量回收策略研究J汽车实用技术，2012，26(03)：5-9.10 赵斌.比亚迪新能源汽车消费的影响因素研究D.长沙:中南大学,2011,一 电动汽车再生制动技术概述,1.2 再生制动国内研究概况,从总体来看，国外在再生制动方面都开展的相对较早，因此，其在研究和实际应用方面发展的更加成熟。国内对电动汽车的研究还尚处于初级阶段，由于产品开发起点比较高，主要是集中在再生制动性能的软件仿真和试验台的开发方面，而且对于再生制动控制策略的研究的手段与应用对象还是比较单调，大多数是针对于前驱式或后驱式的电动汽车，而在较先进的轮毂电机驱动电动汽车方面相对研究较少，有待深入探究分析。,比亚迪 E6 纯电动汽车,一 电动汽车再生制动技术概述,1.3 再生制动的基本原理,再生制动就是指汽车在一些减速制度工况下行驶时，通过能量转换装置的工作可以将部分制动能量转换为其它的形式的能量储存起来，而储存的这些能量可供汽车驱动时再次利用。在现有的储能装置技术不够完善的限制下，再生制动技术的应用对于提高电动汽车能量的利用效率，解决电动汽车的续驶里程问题有着重要的意义。电动汽车再生制动系统一般由制动系统控制器、操纵机构、电机制动系统、机械制动系统和能量储存系统等组成。11,11 杨洋.纯电动汽车新型电液复合制动系统研究D.重庆:重庆大学,2012,一 电动汽车再生制动技术概述,1.3 再生制动的基本原理,在电动汽车运行时，当驾驶员给出制动命令到整车控制器，明确汽车工作在再生制动模式下，此时电机以发电机的形式工作，将生成的电量回馈到储能装置，并且反向的电枢电流会产生制动性的转矩，配合机械摩擦制动降低电动汽车的车速。,再生制动原理图,Ubat：电池端电压；Ra：电枢电阻；Rb：制动限流电阻；Rc：等效电阻；I2：电机感应电流，I1：制动电流；E：感应电势；L：电机电枢的电感,一 电动汽车再生制动技术概述,1.3 再生制动的基本原理,高频开关装置接在电机的电枢两侧，让该电路能够以高频率的形式接通或断开，生成感应电势E与感应电流I2；在电动汽车制动状态下，电机与开关S构成闭合回路，感应电流即为制动电流I1；当开关S断开后，电流的变化率 立即增大，感应电动势E也快速增大，当 EU时电流方向为从电机到蓄电池，此时电池进入充电状态，即实现电流回馈，此时回馈电流大小为I2,再生制动原理图,一 电动汽车再生制动技术概述,1.4 再生制动系统构成分类,制动能量回收愈多愈好，理论上单纯的使用再生制动可以做到，让每次制动产生的能量都能被回收，事实上是不可能的，再生制动力矩受到很多条件限制，为确保制动的稳定性，还需要加上原有的机械摩擦制动系统，一起构成混合制动机构。混合制动机构按照两者作用的方式可以分为串联制动和并联制动模式。12,并联制动制动力分配图,串联制动制动力分配图,12 赵国柱电动汽车再生制动若干关键问题研究D南京航空航天大学，2012,一 电动汽车再生制动技术概述,1.4 再生制动系统构成分类,串联制动的工作方式是随整车制动力的大小而变化，始终秉持着再生制动系统工作的优先性且最大限度的参与原则。当需求的制动力较小时，仅再生制动系统工作就可以满足整车制动的要求，因此电动汽车的制动力由电机提供。当需求的制动力较大时，由于再生制动系统所能提供的制动力是固定的，达不到整车对于制动力的需求，此时必须有机械制动系统参与工作，以提供不足的制动力。,串联制动制动力分配图,一 电动汽车再生制动技术概述,1.4 再生制动系统构成分类,串联制动系统一般是需要通过与ABS系统联合形成集成控制，它可以调整单个车轮的液压制动力，并能够最大限度地利用再生制动力与路面附着条件。串联制动系统的工作原则决定了在再生制动力利用上比其它方式更为彻底，因此所能回收的能量相对比较高。同时，串联制动系统也有一定的局限性，结构复杂、成本相对较高而且需要集成的控制系统。,串联制动系统的控制原理,一 电动汽车再生制动技术概述,1.4 再生制动系统构成分类,并联制动系统的特点是再生制动力和机械摩擦制动力之间的比例是一固定值，即整车制动力在二者之间始终按照固定比例进行分配且在参与工作的时间上具有同时性。,并联制动制动力分配图,一 电动汽车再生制动技术概述,1.4 再生制动系统构成分类,并联制动与串联制动系统相比，再生制动系统利用方面不如串联方式充分，所能回收的能量也相对较少。但并联制动系统也具有一定的优益性，只需要对原有传统机械制动系统稍加变动即可实现，因此，结构相对比较简单，制造成本低。,并联制动系统的控制原理,一 电动汽车再生制动技术概述,1.5 再生制动的影响因素,影响电动汽车再生制动的因素很多，主要包括制动安全性要求、行驶工况、电机类型及其控制系统类型、车载储能装置和再生制动控制策略等。13,14,制动安全性要求:制动系统的目的就是保证汽车在具有足够的制动效能的情况下，还应满足制动时方向稳定性等其他要求。采用再生制动系统进行制动动能回收的首要原则即为必须达到整车制动效能的要求，在当前的再生制动实现过程中，当所提供的再生制动力不能达到预期时，此时应有机械摩擦制动参与汽车的制动过程。行驶工况:当汽车所运行的工况不同时，制动出现的频繁程度也是不尽相同的。当在城市工况下行驶时，汽车需要频繁的制动，相应的制动强度也比较低，因此，再生制动系统工作频率就比较高，回收的制动能量自然就比较多。,13 黄冬冬.四轮轮毂电机驱动电动汽车再生制动控制策略研究D.长安大学,2015.14 刘新文.分布驱动电动汽车再生制动研究D.重庆大学,2015.,一 电动汽车再生制动技术概述,1.5 再生制动的影响因素,电动机及其控制系统类型:对于电动汽车及其驱动控制系统而言，电动机不同，其作用效果是有非常明显差异的，如果一个电动机有较宽的恒功率工作区域，其就能够长时间处于高效率工作状态，制动能量回收效率也就越高。车载储能装置的影响:电动汽车的车载储能装置对再生制动也有很大的影响，作为电动汽车蓄能器，通常是根据电动汽车要求的不同而选择，可能是蓄电池、飞轮电池、超级电容器或者为多种方式的组合。决定再生制动能量回收的最为关键的因素就是车载储能装置的特性及其所剩余储存的能量的多少。再生制动控制策略:再生制动控制策略决定了制动力分配方式以及参与的再生制动的比例，而再生制动力的大小是影响能量回收的最直接因素。在设计控制策略时应充分分析车载储能装置的特性、电机的特性、整车制动效能和制动法律法规等诸多约束条件。,二 电动汽车储能系统分析与研究,二 电动汽车储能系统分析与研究,2.1 利用动力蓄电池组吸收制动能量,此方案主要由驱动电机、发电机、蓄电池组、电磁离合器、控制器和小型汽车的传动系统等组成。采用蓄电池作为蓄能器，能量由执行机械能-电能之间转化的电动机（发电机）转换和传递。蓄电池的充放电状态由电子控制单元 ECU 完成，蓄电池的剩余电量的控制也由电子控制单元完成。,制动能量再生系统电储能方案,二 电动汽车储能系统分析与研究,2.1 利用动力蓄电池组吸收制动能量,此种形式的制动能量再生方案常用在电动汽车或混合动力汽车上。电储能方案具有能量吸收和释放时的无污染、行驶噪声小、能量转化效率高等优点。此外，这种形式的系统结构简单，紧凑，易于保养和维护，也不用担心能量的泄漏。但是利用蓄电池吸收制动能量，也存在不足。,蓄电池充电可接受电流曲线 充电电流对蓄电池寿命的影响,当充电电流超过所允许的电压时，蓄电池内部的水将被电解，产生析气。充电电过程中，锂离子蓄电池的充电电流越大，使用过程中的容量衰减就越快，使得蓄电池的使用寿命极大地缩短。,二 电动汽车储能系统分析与研究,2.1 利用动力蓄电池组吸收制动能量,此种形式的制动能量再生方案常用在电动汽车或混合动力汽车上。电储能方案具有能量吸收和释放时的无污染、行驶噪声小、能量转化效率高等优点。此外，这种形式的系统结构简单，紧凑，易于保养和维护，也不用担心能量的泄漏。但是利用蓄电池吸收制动能量，也存在不足。,蓄电池放电过程最高温度变化 蓄电池不同温度下的循环寿命,在放电过程中，放电电流越大，锂离子蓄电池的温度就越高。在使用过程中的温度越高，锂离子蓄电池的容量下降就越快。基于回收效率和电池组使用寿命考虑，电储能制动能量回收方案在电动汽车上应用不成熟。,二 电动汽车储能系统分析与研究,2.2 超级电容,超级电容凭借其功率密度高，充电速度快，寿命长，效率高以及低温性能好等优点，被普遍认为是纯电动汽车领域中颇具潜力的技术。15,16 但是，超级电容的能量密度较低，若要作为汽车的单一能量来源会造成体积和重量过大，而且成本也会随之增加。所以，目前超级电容作为纯电动汽车的辅助动力源较为合适。,超级电容原理图,15 武伟,谢少军,张曌,许津铭.基于 MMC 双向 DC-DC 变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计J.中国电机工程学报,2014,27:4568-4575.16 刘冠男.基于超级电容的双向 DC-DC 变换技术研究D.哈尔滨工业大学,2013.,二 电动汽车储能系统分析与研究,2.2 超级电容,超级电容采用双层电容技术：当向超级电容充电时，电容内电解质溶液中的异性离子将会被此时电极表面的电荷所吸引，形成双电荷层。这种结构可以存储电荷面积要比传统的电容大很多，并且电荷之间距离小很多，使得超级电容的单元电容量大大提高。这种特性非常适合应用于纯电动汽车中。超级电容在放电过程中可以提供很高的尖峰电流，该特性可以使其在汽车加速和启动时提供瞬时大功率。,超级电容原理图,二 电动汽车储能系统分析与研究,2.3 锂电池与超级电容的匹配方案,由于储能技术中，比能量和比功率之间的矛盾，很难实现在同一储能技术中既满足高比能量和高比功率。将锂电池和超级电容组成复合电源，结合两者的优点，并克服各自的不足。,复合储能系统的拓扑结构图,2.3 锂电池与超级电容的匹配方案,二 电动汽车储能系统分析与研究,复合储能系统的拓扑结构图,将锂电池与超级电容并联，结构最简单，使超级电容失去了均衡负载的作用。引入了双向DC/DC变换器，使其更好地匹配锂电池工作。由于锂电池电压变化平缓，故双向DC/DC变换器与锂电池串联意义不大。采用两个双向 DC/DC变换器会导致成本提高，且控制复杂。经过分析，图(b)中电路结构为纯电动汽车的复合储能系统最优结构。,2.4 液压储能,二 电动汽车储能系统分析与研究,北京理工大学苑士华教授、江苏大学的何仁教授等在液压储能技术应用于传统燃油汽车上作了比较深入的研究，作出了实物、提出了液压储能制动能量再生系统相关的控制策略、申请了若干相关专利等。17,18 相比于大型车辆，小型电动汽车由于质量较小，液压蓄能器的体积和液压传动系统可以做得较小即可满足使车辆从静止起步加速到一定值的要求。利用液压储能技术，可以让蓄电池保持在良好的工作状态，不发生过充和过热情况，延长了蓄电池的使用寿命，降低整车使用寿命范围内使用蓄电池的成本，因此液压储能技术完全可以应用在电动汽车上。19,17 Zhuo G R,Li H Y.Research on electro-hydraulic parallel brake system based on ABSJ.2011 International Conference on Electrical and Control Engineering,2011:782787.18 何仁,胡青训.制动能量再生系统的公共汽车制动过程J.江苏大学学报,2005,26(5):389392.19 丁左武.电动汽车液压储能制动能量再生系统研究D.南京航空航天大学,2013.,2.4 液压储能,二 电动汽车储能系统分析与研究,液压储能制动能量再生系统布置形式与方案，分析可知：并联方式车型传动效率高，结构简单，成本低，液压管路中的管接头数量较少，在使用过程中液压管路的密封性容易保证。,并联,串联,混联,三 电动汽车制动过程动力学分析,三 电动汽车制动过程动力学分析,3.1 整车阻力分析,根据汽车系统动力学分析，汽车在制动时，会受到各种外力的作用。主要包括来自轮胎与地面接触而产生滚动阻力Ff、由地面提供的地面制动力Fxb、与空气接触而产生在行驶方向上空气阻力Fw和在特殊情况下如坡道上制动时由于自身重力作用在行驶方向上的坡度阻力Fi。汽车沿纵向方向制动时的动力学方程为：20,(1)滚动阻力Ff：从轮胎开始与地面接触到轮胎与地面分离的过程中，轮胎会发生变形产生一定的作用力从而导致能量损耗。滚动阻力在任何工况下均存在，其计算方程式为：,20 余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2006,三 电动汽车制动过程动力学分析,(2)空气阻力Fw：汽车在行驶过程中，车身因与空气接触而产生作用在行驶方向上的分力即空气阻力。空气阻力同滚动阻力一样始终存在且方向与汽车运动方向相反。空气阻力的计算方程式为：,CD空气阻力系数，ua行驶速度，A迎风面积。,(3)坡度阻力Fi：汽车处于上坡运行工况时，由于受到重力的作用而产生的一个沿着坡道的力这便是坡度阻力。坡度阻力只在汽车处于上坡条件下才会存在且方向同汽车运动的方向相反。坡度阻力的计算公式为：,3.1 整车阻力分析,三 电动汽车制动过程动力学分析,(4)地面制动力Fxb：当汽车减速或停车时，必须受到与运动方向相反的外力的作用，往往这个所需求相反的外来作用力比较巨大，空气阻力和滚动阻力所产生的影响相对较小，达不到制动时的要求，甚至可以忽略不计。来自外部力由地面提供，通常我们将这个力称为地面制动力。地面制动力的存在是有条件的，只有在制动过程中才会存在。,当车轮处于纯滚动状态时，其地面制动力等于制动系统的制动力（制动系统制动力主要包括前轮制动力与后轮制动），在各车轮上需求制动力等于轮毂电机动力与摩擦制动力之和，且随着制动踏板开度的增加而增大，但不能超过地面附着力，即：,为地面附着系数。,3.1 整车阻力分析,三 电动汽车制动过程动力学分析,acar为车的加速度，M为整车质量，b是汽车质心到后轴中心线的距离，L为汽车前后轴中心线之间的长度，Ff为作用于前轴制动力，Fr为作用于后车轮上的制动力，它们之间的关系：,3.2 前后车轮制动力分配分析,车辆受力分析图,三 电动汽车制动过程动力学分析,当进行刹车制动时，负载将会从后轮移动到前轮，影响制动力的分配，为此，方便预测负载运动对制动效果的影响，定义制动强度z为：,3.2 前后车轮制动力分配分析,作用在前后车轮上的制动力关系如下：,前后车轮的制动力需要以理想制动力曲线分配的形式来调节，以确保行车制动稳定性，这样确定的制动力关系为：,三 电动汽车制动过程动力学分析,汽车的前后制动力与摩擦系数有关，且理想制动力曲线依赖于摩擦系数，但事实上，摩擦系数不易得出。,3.2 前后车轮制动力分配分析,前、后轮的制动力分配比例系数Rf、Rr为：,制动力分配比例不再依赖于摩擦系数，而是依赖acar，推论可知如果在车辆的重心位置安装加速度检测装置，就能实现制动力理想分配的目标。21,22,21 孙宏达.纯电动汽车再生制动控制系统的研究D.哈尔滨理工大学,2016.22 李贺.纯电动汽车的再生制动系统与ABS集成控制策略研究D.武汉理工大学,2012.,四 电液复合再生制动协调控制策略,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.1 文献23再生制动控制策略研究,典型的再生制动控制策略有串联制动控制策略和并联制动策略。其中，串联制动包括最佳制动感觉的串联制动和最佳能量回收的串联制动。,23 苏革航.纯电动汽车复合储能再生制动系统的研究D.哈尔滨理工大学,2015.,(1)串联制动-最佳制动感觉,最佳制动感觉的串联制动方式是指在分配制动力时，按照理想制动力分配曲线I来分配前后轴车轮之间的制动力，再通过控制制动时前后车轮分配所需制动力来实现整个制动过程中车辆的行驶距离达到最短，使驾驶员获得最佳的制动感觉。最佳制动感觉的串联制动方式保证了制动时车辆行驶距离满足驾驶员的需求，但是再生制动力无法充分地参与到制动过程中，故该制动策略回收制动能量的效率较低。,具有最佳感觉的串联制动策略,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.1 文献23再生制动控制策略研究,(2)串联制动-最佳能量回收,最佳能量回收的串联制动是指在满足所需制动减速度的前提下，尽可能地将施加再生制动力在驱动轴上，以达到尽可能多地回收能量的目的。j点：此时制动所需的减速度要远小于路面的附着系数，故仅在施加再生制动力在驱动轴上即可达到所需的总制动力，无需机械制动力。f、c点：这两个点均可分配前后轮之间的制动力，其中c点的制动力可以由电机提供的最大再生制动力，此时回收的能量可以达到最大。如果最大再生制动力无法满足所需制动力，则由机械制动力提供余下的制动力。串联制动方式需要协调再生制动力和机械摩擦制动力之间的分配比例，从而增加了系统的复杂性，这也是制动系统研究和开发过程中的关键。,具有最佳能量回收的串联制动策略,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.1 文献23再生制动控制策略研究,(3)并联制动控制策略,并联制动是指再生制动力和机械制动力同时分配在前后车轮上。总制动力曲线用“机械制动+再生制动”表示。其中，机械制动力以固定的比例分配在前后车轴之间，在此基础上，其余所需的制动力由再生制动力提供给驱动轴上。当汽车制动所需减速度大于0.9g时，为了保证车辆制动时的安全性，再生制动不工作，制动力全部由机械制动力提供；当制动所需减速度小于0.9g时，再生制动工作；当制动所需减速度小于0.15g时，认为是轻度制动，此时驱动轴上仅施加再生制动力，机械制动不工作。并联制动的结构相对简单，且易于应用。其能量回收效果和制动安全性介于最佳能量回收的串联制动和最佳制动感觉的串联制动之间。,并联制动策略,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.2 文献14分布驱动电动汽车再生制动控制策略研究,目前较为常见的典型的再生制动控制策略主要有并行制动力分配控制策略、前后轴理想制动力分配控制策略、最大制动能量回收控制策略。,(1)并行制动力分配策略,机械制动与再生制动相互独立，互不影响。制动时分别沿两条路线传递制动力。一方面根据制动踏板动作执行机械制动，前、后制动力按固定比值进行分配；另一方面根据当前车速、电池SOC值和机械制动力大小确定是否进行再生制动以及再生制动力矩的大小。,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.2 文献14分布驱动电动汽车再生制动控制策略研究,(2)前后轴理想制动力分配策略,分布驱动电动汽车，其理想制动力分配控制策略与前轮驱动或后轮驱动电动汽车有所不同，但控制结果一样，这种控制策略主要将前、后轴的制动力比例按理想制动力分配曲线进行分配。,理想制动力分配策略,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.2 文献14分布驱动电动汽车再生制动控制策略研究,(2)前后轴理想制动力分配策略,Fmf、Fmr分别为前后轮电机的再生制动力，Fm_max为电机最大的再生制动力，Fhf、Fhr分别为前后轮机械制动力。满载工况：在需求制动力较小的情况下，四个车轮的制动力由电机再生制动力提供(A点)。当需求制动力较大时，电机最大再生制动力不能满足制动需求时，四个电机制动力达到最大值，不足的制动力由机械制动力补充(B点)。,优点：能充分利用地面附着条件，制动距离短，制动时汽车方向稳定性好，而且能量回收率较高；缺点：这种控制方案需要使前后轮制动力严格按照理想制动力分配曲线分配，车辆在不同的载重下，其理想制动力分配曲线不同，需要精确检测前、后轴法向载荷，对硬件要求较高，控制相对复杂。,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.2 文献14分布驱动电动汽车再生制动控制策略研究,(3)最大制动能量回收控制策略,最大制动能量回收控制策略的核心思想是尽可能的让电机参与制动，进而尽可能多的回收制动能量。当电机可以提供的再生制动力矩大于车辆需要的制动力矩时，完全由电机再生制动力进行制动；当电机可以提供的再生制动力矩小于车辆需要的制动力矩时，电机将满负荷的参与制动，不足的由机械制动补充，以此保证最高的制动能量回收率。通常的控制策略都是在高制动强度即紧急制动时，都关闭再生制动，而该文献通过分析电机的响应时间可以满足机械制动的响应时间，能满足汽车制动安全性的要求，所以即使在高强度制动时也让电机满负荷参与制动，尽可能多的回收制动能量。,最大化回收制动能量控制策略流程图,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.3 文献24再生制动与液压制动协调控制方案,汽车再生制动与液压制动协调控制方案设计的基本原则是对传统制动系统改动少，结构简单，工作性能可靠、工作寿命长。重新设计后的汽车制动系统应该在保证车辆制动性能的前提下，既能够准确的反映驾驶员的制动意图，又能够反馈给驾驶员良好的制动踏板感觉。,24 侯付来.汽车再生制动与液压制动协调控制研究D.苏州大学,2016.,(1)车辆制动强度划分,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.3 文献24再生制动与液压制动协调控制方案,轻度制动时，高速开关阀1阀口关闭，高速开关阀2阀口打开，制动主缸前腔与ABS液压调节单元之间断开，与踏板感觉模拟器前腔连通。在此制动范围内，整车的制动力由前轮的再生制动力矩与后轮的液压制动力矩提供。当车辆速度小于5m/s时，电机再生制动力矩开始减小直到零，同时车辆液压泵开始工作，液压调节单元开始给车辆前轮轮缸增压，使车辆前轮总的制动力矩达到车辆前轮需求的制动力矩。,(2)制动系统控制过程,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.3 文献24再生制动与液压制动协调控制方案,中度制动时，高速开关阀1阀口关闭，高速开关阀2阀口打开，制动主缸前腔与ABS液压调节单元之间断开连通，与踏板感觉模拟器前腔连通。在此制动范围内，整车的制动力由前轮的再生制动力矩和前轮液压制动力矩和后轮的液压制动力矩提供。当车辆速度小于5m/s时，电机再生制动力矩开始减小直到零，车辆前轮轮缸压力继续增大，使车辆前轮总的制动力矩达到车辆前轮需求的制动力矩。,(2)制动系统控制过程,四 电液复合再生制动协调控制策略,4.3 文献24再生制动与液压制动协调控制方案,重度制动时，再生制动与液压制动协调控制系统的控制执行过程如图所示，红色线条代表车辆制动液的流动。高速开关阀1阀口打开，高速开关阀2阀口关闭，制动主缸前腔与ABS液压调节单元连通，与踏板感觉模拟器前腔断开连通。整车制动力矩由前轮液压制动力矩和后轮液压制动力矩提供。,(2)制动系统控制过程,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.1 ABS基本组成,ABS的主要功能:1)缩短制动距离;2)防止车辆转向制动时造成侧滑;3)改善轮胎的磨损状态;4)防止因为制动油管漏油造成制动完全失效的隔断功能;5)减轻制动踏板踩踏力,提升制动效果。汽车防抱死制动系统ABS会因车型不同而不同,因此ABS的类型较多,但基本都包括车轮转速传感器、电子控制装置、制动压力调节装置、常规制动系统和报警装置等。,ABS基本组成简图,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.1 ABS基本组成,汽车车轮上都安装的车轮轮速传感器,将车轮轮速转、角加速度等信息转变成为电信号,输送给电子控制装置,电子控制单元经过反运算,得出车轮轮速、滑移率及角加速度等信息,并加以分析运算,将指令传送给压力调节装置,然后压力调节装置发出制压力控制指令,对各个制动轮缸的制动压力进行调节,使之与地面的附着情况相适应,防止制动轮被抱死。,ABS基本组成简图,此外,电子控制装置还设有监控单元对ABS的各个部件的功能进行监测,一旦这些部件发生异常,报警装置将对驾驶员报警,并停止整个ABS的工作。此时汽车的制动系统将完全变成常规制动系统。,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.2 ABS基本原理,汽车制动时,制动距离的大小取决于制动的减速度,制动减速度的大小取决于轮胎与地面之间的附着力,而轮胎与地面之间的附着力取决于轮胎与地面之间的附着系数,因此轮胎与地面之间的附着系数成为我们关注的重点。在汽车制动过程中,对轮胎与地面之间附着系数影响最大的可控因素,是车轮在制动过程中产生的滑移率的大小:,滑移率-附着系数,S为车轮的滑移率,v0为汽车质心的纵向速度,r为车轮的行驶半径,w为车轮的行驶角速度。,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.2 ABS基本原理,当车轮因抱死而滑动时,轮胎与地面之间的纵向附着系数有所下降,而侧向附着系数则几乎为0,即轮胎与地面之间的侧向附着力基本完全消失。如果后轮制动时被抱死,由于侧向附着力完全消失,即使受到很小的侧向力干扰,车辆也会产生侧滑,影响车辆制动的方向稳定性。,滑移率-附着系数,ABS是把车轮运动状态控制在狭窄滑移率范围内的一种控制装置,一般在8%35%之间,其作用在于紧急制动时保证前轮的操纵性能,有保证后轮不会因抱死而产生侧滑的现象,保持汽车的方向稳定性。因此,一般情况下,ABS并不参与制动系统的动作,只有当某一个或几个车轮趋于抱死时,ABS发出降压/增压指令,如此往复循环,频率约在320Hz之间,实现其防止车轮被抱死的功能。,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,逻辑门限值控制方法是当今ABS控制领域主要的控制方法,控制稳定可靠，但由于大部分逻辑门限值控制方法的门限值具有不可变的特性,影响车辆的稳定性及制动效率,因此有必要有效识别路面附着系数,实时改变门限值,以获得最佳的控制效果。文献25根据自适应控制理论,提出了基于门限值自调整算法的ABS控制方法。该方法将路面判断过程放在制动力分配及ABS控制之前,直接将判断出的路面系数与车速进行线性插值,并查询逻辑门限值设置库,根据路面系数变化合理调整门限值。方法稳定可靠,但是在使用前期需要做一定量的逻辑门限值设置库,需要花费一定时间。,(1)基于门限值库的逻辑门限值控制方法,25 王伟达.汽车ABS/ASR/DYC集成系统控制方法研究D.北京:北京航空航天大学,2008,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,(1)基于门限值库的逻辑门限值控制方法,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,(2)基于等时轮加速度增幅进行路面判断的逻辑门限值控制方法,文献26提出了根据车辆制动状况,利用逻辑门限值方法,分析轮加速度增加到一定门限值所用的时间长度来判断路面情况,从而赋予PID三种不同的控制参数,获得了一定的控制效果。文献27在此基础上,进一步估算具体的路面附着系数,考虑车速的修正因素,通过线性插值查表得出理想的逻辑门限值赋予ABS控制器。研究表明取消路面附着系数完全前置的控制流程更有利于路面判断的准确性和控制的精确性。该方法在判断路面附着系数上更加准确,能够根据不同工况进行有效的改变逻辑门限值,但是同样需要大量的模拟过程来确定逻辑门限制库。,26 李建华.基于ESC控制系统的ABS控制策略研究及试验D.长春:吉林大学,2010.27 王吉.电动轮汽车制动集成控制策略与复合ABS控制研究D.长春:吉林大学,2011.,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,(2)基于等时轮加速度增幅进行路面判断的逻辑门限值控制方法,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,PID控制器的控制变量是目标滑移率和实际滑移率之差,根据PID逻辑计算出电机制动转矩调整信号,并将此信号传递至复合制动系统,通过将此信号与输入复合制动系统的原始信号进行对比调整,从而实现对滑移率的有效控制。同时,车辆系统根据PID控制产生了车辆运动状态的变化,变化信息将实时反馈至PID控制器中,从而形成了针对滑移率的闭环控制。此种变目标滑移率结合PID参数赋值的ABS方法,结合了逻辑门限值判断路面附着系数的准确和快速响应特性,能够根据路面和车速及时判断最佳目标滑移率和应输入PID控制的PID参数值等,结合了PID控制方法简单有效,参数少的特性,根据不同制动工况进行实时的变目标滑移率、变PID参数的控制,控制的轮速更为稳定,波动相对更小。,(3)基于逻辑门限法路面判断的变参数PID控制方法,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,(3)基于逻辑门限法路面判断的变参数PID控制方法,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,当前大多数车辆都使用逻辑门限值控制方法,可靠性较高,电动车辆制动系统采用电机制动,文献27通过电机单独实现ABS性能,因此更需要确保安全性,因此经过大量实验证明逻辑门限法能够胜任防抱死任务。电动车辆的电机直接通过制动转矩的增加/减少及保持来进行ABS控制,相对于传统液压ABS控制更加简单有效。PID控制效果相对于逻辑门限值方法更简洁有效,控制参数少，但以变参数PID为主控制手段还存在弊端,路面系数的不确定性和变化的无常性,常常可能会使PID受干扰,滑移率可能会有较大幅度的振荡,无法控制在合理的范围内。将变参数PID控制与逻辑门限值控制进行并联，当PID控制受到干扰时,能够开启变逻辑门限值控制,保证控制的稳定和车辆的安全性能。,(4)PID主控制且逻辑门限值法辅助控制的并联控制方法,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,(4)PID主控制且逻辑门限值法辅助控制的并联控制方法,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.4 再生制动与ABS的矛盾,(1)制动力矩变化,整个制动过程中,纯电动汽车的车轮速度并非持续降低,而是时而增大时而减小。若ABS根据监测到的传感器信息,为防止车轮抱死,应该减小制动压力,然而车轮速度减低,电机提供的再生制动力矩变大,此时就造成的ABS要减小制动力矩,而电机在增加再生制动力矩的矛盾；反之,如果ABS根据检测到的传感器信息,应该增大制动压力,然而车轮转速因为车辆的惯性或增压系统的迟滞而持续加速,电机提供的再生制动力矩降低,此时也造成了ABS要增大制动力矩,而电机却在减小再生制动力矩的矛盾。,液压制动力调节方式是有一定迟滞的,而电机输出的再生制动力矩却是实时变化的,没有迟滞作用。这也是一对矛盾,给纯电动汽车的总制动压力调节增加了困难。,(2)液压调节的迟滞,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.5 文献22再生制动与ABS的集成控制,(1)电机转速大于临界转速时有:,由于传统液压制动系统的迟滞性,再生制动与ABS集成控制时,必须提前发出控制信号,以获得更佳的效果。设定再生制动的车轮制动角加速度控制门限的上限值+are,下限值-are,车轮滑移率控制门限的触发值Sre。其中area,SreSl。这样,相对于ABS,再生制动的控制门限将提前到达,可实现控制信号的提前发出,使液压制动系统提前动作,一定程度上解决了液压制动系统的迟滞性与再生制动系统的实时性之间的矛盾。在制动过程中,由于车轮的角速度是波动的,因此其角加速度也是波动,对电机的制动力矩输出形成一定影响。假设在传感器两次采集车轮信号的过程中,车轮处于匀变速状态,则车轮再生制动力矩的变化量为:,五 再生制动与ABS匹配性控制策略,5.5 文献22再生制动与ABS的集成控制,(2)电机转速小于临界转速时有:,(3)当电机转速变化越过临界转速时有:,T为再生力矩变化量,P为电机功率;we为电机即时转速,单位rad/s,w0为电机的临界转速,为减小电机制动力矩波动对车辆制动稳定性的影响，文献通过上述方法提前给液压制动系统一个控制信号，用液压制动系统的压力的改变来抵消电机再生制动力矩的波动。具体