（光学工程专业论文）纯电动汽车的再生制动系统与abs集成控制策略研究.pdf

中文摘要 在能源和环境的双重压力下，世界对新能源汽车的呼声越来越高，其中几近 零排放的纯电动汽车成为当代车企执着追求的目标。 为了突出环保节能的世界主题，纯电动汽车都会携带再生制动系统，来回 收部分制动能量。然而单纯的再生制动系统满足不了纯电动汽车的制动要求， 保证不了纯电动汽车的制动安全性和制动稳定性。因此，纯电动汽车还需载有 装备a b s 的传统液压制动系统。由纯电动汽车电机的外特性可知，其再生制动 力矩是随车速的变化而不断变化的，且相应速度非常快，与a b s 所需要的相对 稳定的制动力矩及液压制动的迟滞性形成了鲜明的对比，也是两者实现兼容控 制的主要矛盾之所在。 本文在做了大量研究工作的基础上，认为汽车前后轴制动器制动力的分配 是影响汽车制动安全性和制动稳定性的主要因素。因此，对装载有再生制动系 统的纯电动汽车前后轴制动器制动力分配问题展开了讨论，使加入了再生制动 力矩后的纯电动汽车前后轴制动器制动力的分配，仍然能满足e c e 法规的制动 要求，从而保证汽车的制动安全性和制动稳定性。 然而，再生制动力矩的实时变化与液压制动系统的迟滞性之间的矛盾还是 没有得到有效的解决。 鉴于传统汽车上a b s 广泛采用的是逻辑门限控制策略，本文对此策略作了 一些细微的调整：基于再生制动系统相应快的特点，在a b s 的逻辑门限之前， 分别设置了相对比较容易达到的一个制动减速度门限值和一个制动滑移率门限 值，可提前预测液压制动系统的动作。如果预测a b s 需做减压动作时，整车制 动系统暂时不予动作，等到达到a b s 自身的逻辑门限值判断时整车制动系统才 做出减压动作：如果预测a b s 需做增压动作时，整车制动系统将提前做出增压 动作，以此来缓解液压制动系统的迟滞性带来的不稳定性。 为了验证本文提出的再生制动与a b s 集成控制策略的有效性，本文基于 a d v i s o r 2 0 0 2 ，分别建立了前后轴制动器制动力分配模型、电机制动力输出模 型和制动力控制策略模型，并进行了相关仿真。 根据仿真结果，本文所涉及纯电动汽车的前后轴制动器制动力分配符合规 范，制动效果较好，还实现了部分制动能量的回收，达到了再生制动与a b s 集 成控制的效果。 关键字：再生制动系统，a b s ，集成控制，前后轴制动力分配，纯电动汽车 i i a b s t r a c t u n d e rt h ed u a l p r e s s u r ef r o mt h ee n e r g y r e s o u r c ea n dt h ee n v i r o n m e n t , i n c r e a s i n gd e m a n d sf r o mt h ew o r l da r et h ed i f f e r e n tk i n d so fn e we n e r g yv e h i c l e s ， a n dt h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l ei sa l m o s tz e r o - e m i s s i o n ，i t st h er e a s o nt h a ti tb e c o m e s t h eg o a lo ft h ec o n t e m p o r a r yc a rc o m p a n yp u r s u i t i n gp e r s i s t e n t l y i no r d e rt of o l l o wt h ew o r l d sm a i nt r e n do f e n e r g y c o n s e r v a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , t h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e sw i l lc a r r yt h e r e g e n e r a t i v e b r a k i n gs y s t e mt or e c o v e rap a r to ft h eb r a k i n ge n e r g y h o w e v e r , t h er e g e n e r a t i v e b r a k i n gs y s t e ma i o n ec a n n e i t h e rm e e tt h eb r a k i n gr e q u i r e m e n t so ft h ep u r ee l e c t r i c v e h i c l e s ，n o rt h eb r a k i n gs a f e t ya n ds t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e s n e e dah y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e me q u i p p e d 、丽n 1a b s l e a r n tf r o mt h ee x t e m a l c h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r s ，t h et o r q u eo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mi sc o n s t a n t l y c h a n g i n gw i t ht h ec h a n g e so ft h es p e e d ，a n dr e s p o n s es p e e di sf a s t i nc o n t r a s t 、) r i t h t h a ta r et h es t a b l et o r q u er e q u i r e db ya b sa n dh y s t e r e s i so ft h eh y d r a u l i cb r a k i n g s y s t e m t h e ya r et h em a i nc o n t r a d i c t i o n so fc o m p a t i b i l i t yc o n t r o l l i n g i no r d e rt or e s o l v et h e s ec o n t r a d i c t i o n s ，o nt h eb a s i so fal o to fr e s e a r c h i n gw o r k , t h i sa r t i c l et h i n k st h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ef r o n ta n dr e a l s h a f tb r a k i n gf o r c ei st h e m a i nf a c t o ro fv e h i c l eb r a k i n gs a f e t ya n ds t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h e r ei sad i s c u s s i o n a b o u tt h ed i s t r u b u t i o no ft h e f r o n ta n dr e a rs h a f tb r a k i n gf o r c ei nt h ep u r ee l e c t r i c v e h i c l e se q u i p p e d 晰t hr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，i tm a k e st h ed i s t r u b u t i o nc a n s i t i l lm e e tt h ee c eb r a k i n gr e q u i r e m e n t so ft h er e g u l a t i o n sa f t e ra d d i n gt h et o r q u eo f r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，t h u se n s u r i n gt h ec a r sb r a k i n gs a f e t ya n ds t a b i l i t y h o w e v e r , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ec h a n g i n gt o r q u eo ft h er e g e n e r a t i v e b r a k i n gs y s t e ma n dt h eh y s t e r e s i so fh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e mh a sn o tb e e n e f f e c t i v e l yr e s o l v e d b e c a u s eo ft h el o g i ct h r e s h o l dc o n t r o ls t r a t e g yh a sw i d e l yu s e do nt r a d i t i o n a l v e h i c l e s a b s ，t h i sa r t i c a lm a d es o m em i n o ra d j u s t m e n t sb a s e do ni t ：s e tu par e a c h e d e a s i l yl o g i ct h r e s h o l do fb r a k i n gd e c e l e r a t i o na n do n eo fs l i pr a t i o ，t h e yc a nb er e a c h e d b e f o r et h el o g i ct h r e s h o l do ft h eh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m sa b s ，j u s tb e c a u s et h e i r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mc a r lr e s p o n ei m m e d i a t e l y i fi tf o r e c a s tt h a tt h ea b sn e e d t or e l e a s et h ep r e s s u r eo fh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m ，a b ss h o u l dd on oa c t i o n s b u ti f p r e s s u r e i n c r e a s e dd e m a n dw a sf o r e c a s t e d ，a b ss h o u l di n c r e a s et h ep r e s s u r e i m m e d i a t e l y , i no r d e rt oa l l e v i a t et h ei n s t a b i l i t yc a u s e o ft h eh y s t e r e s i sf r o mh y d r a u l i c b r a k i n gs y s t e m i no r d e rt ov e r i f yt h ei n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m a n da b s ，t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e dt h em o d e lo ft h ed i s t r i b u t i o no ft h ef r o n ta n dr e a r s h a f tb r a k i n gf o r c ea n dt h em o d e lo ft h em o t o r sb r a k i n gf o r c ea n dt h em o d e lo ft h e i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do na d v i s o r 2 0 0 2 i na d d i t i o n ，s o m es i m u l a t i o n s w e r ed o n ea tl a s t a c c o r d i n gt or e s u l t so ft h es i m u l a t i o n s ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h e f r o n ta n dr e a r a x l e s b r a k i n gf o r c e si nt h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ，i n v o l v e di nt h i sa r t i c l e ，c a nm e e t t h er e g u l a t i o n s i tc a nn o to n l yb r a k ee f f e c t i v e l y , b u ta l s op a r t l yr e c o v e rap a r to ft h e b r a k i n ge n e r g ) ；a c h i e v i n gt h ee f f e c to fi n t e g r a t e dc o n t r o l l i n gb e t w e e nr e g e n e r a t i v e b r a k i n gs y s t e ma n da b s k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，a b s ，i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g y , t h e d i s t r i b u t i o no ft h ef r o n ta n dr e a ra x l e s b r a k i n gf o r c e s ，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s i v 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题的提出 近年来，石油危机的频发导致国际原油价格的不断攀升，石油等不可再生 资源面临枯竭的问题日益突显。我国是一个石油资源相对短缺的国家，随着国 际原油价格的不断飙升，随着传统汽车保有量的急剧增加，原油的进口量也迅 速增长，原油对外的依存度也节节攀。近几年，我国石油对外的依存度持续超 过5 0 的警戒线，解决石油问题刻不容缓l 。因此为应对国际原油价格的上涨、 降低国家能源安全的风险，国家不得不才去多项综合配套措施。 同时温室效益、p m 2 5 等环境问题日益突显，也严重的影响了人们的生活质 量。2 0 0 9 年1 2 月，在哥本哈根召开的联合国气候大会上，各国都表示出了对地 球温室效益的担忧。近年来，我国各大城市，频频发生的雾霾天气大多是由p m 2 5 引起的。 如今，汽车与人们的生活已经密不可分，然而传统汽车不仅是石油的主要 消耗者，也是温室气体、p m 2 5 等废气的主要排放者。 近年来，为应对资源和环境的双重压力，各国纷纷将汽车工业转向电动汽 车，甚至上升为国家发展的重大战略之一。上世纪六十年代，我国就开始了电 动汽车的研究工作，在上世纪九十年代曾掀起了一股研发热潮，许多高校和科 研院以及车企都加入了研发的队伍田。经过多年的努力，技术已经有较大进步， 甚至有部分车型已经走进了我们的生活。 而广义的电动汽车可分为混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车和纯电动 汽车。其中发展比较早的是混合动力电动汽车，它具备两个动力源，一般是油 电混合；燃料电池电动汽车是将氢气与氧气燃烧的化学能转化为电能驱动汽车； 而纯电动汽车则采用电能存储装置，一般为动力电池作为汽车的动力源嘲。通过 几年的摸索，尝试混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车和太阳能汽车等模式 之后，发现上述模式都不能从根本上解决资源和环境的问题，发展纯电动汽车 才能够快速消减石油的消耗和降低废气的排放。 纯电动汽车是一种采用单一动力电池作为储能器件的汽车，其利用动力电 池作为储能动力源，通过动力电池向电机提供电能，从而驱动汽车嗍。在外形上， 纯电动去汽车与传统汽车没有区别，区别主要在于储能装置和驱动系统方面。 武汉理工大学硕士论文 为了突显节约能源的世界主题，纯电动汽车除了几乎接近于零的排放外，还有 一个显著的特点，即纯电动汽车装备有再生制动系统。再生制动系统可回收纯 电动汽车制动时的部分制动能量，其原理是通过制动车辆的惯性能驱动车轮， 沿车辆传动系统逐级向上，驱动同时具备发电机和发动机功能的电机，此时电 机以发电机模式工作，从而达到回收部分制动能量的目的。然而，再生制动系 统中电机所提供的制动力矩，并非相对稳定的，而是受车速等外界因素影响很 大，可随轮速的变化而迅速变化的。此外，单独的再生制动系统的制动能力根 本满足不了纯电动汽车的制动要求，无法保证其制动安全性和制动稳定性。基 于以上几个原因，纯电动汽车必须配备具有a b s 功能的传统液压制动系统。 a b s 是现代汽车的必备系统之一。现有的汽车a b s 中，逻辑门限控制策略 被广泛采用，但是逻辑门限值是一个相对恒定的值，所以需要制动系统具有一 个相对稳定的制动压力。而再生制动系统的制动力矩是实时变化的，并不具有 迟滞性，给再生制动系统与a b s 的集成控制造成困难。 本文将就上述问题展开论述。 1 1 2 纯电动汽车的优点 相对于传统汽车，纯电动汽车的优点很多，主要表现在以下几个方面： l 、环境污染小，这是纯电动汽车最显著的特点。整个运行过程中纯电动汽 车不会产生废气，所以在该环节上根本没有污染物排放的问题。电能作为二次 能源，其来源是多样的，也相对的减少了能量链上的污染。此外，如果纯电动 汽车大量在夜间电力过剩时充电，可发挥削峰填谷的作用，不但能减少能源的 浪费，还可带来巨大的经济效益 5 1 e l 。 2 、噪声小，这是纯电动汽车最直观的特点。传统汽车以及现在混合动力电 动汽车噪声的主要来源都是发动机，而纯电动汽车却没有燃油发动机这个声源， 因而在这个方面它有绝对的优势。 3 、效率高，这是纯电动汽车节能直接原因。在城市道路上，车辆必须频繁 的停车和启动，而纯电动汽车停车时不必让电机空转，可大大提高能源股的使 用效率。 4 、结构相对简单，维护方便。与其他类型的汽车相比，纯电动汽车运转传 动部件相对较少，无需更换机油、油泵等装置，修护工作量少。 此外，国家在政策上对纯电动汽车的支持更是其迅速发展的独特优势川。 2 武汉理工大学硕士论文 1 1 3 纯电动汽车的不足 纯电动汽车最明显的不足是续驶里程短。电池技术是纯电动汽车的核心技 术，同时也是制约纯电动汽车发展的瓶颈，其对车辆的续驶里程起着决定性作 用。电池组能量密度低、循环使用寿命短、充电时间长、工艺的一致性等问题 严重制约着纯电动汽车的续驶里程 a l 。第一代g me v l 的续驶里程为9 6 1 1 2 公 里，第二代为1 7 7 , - - 2 5 7 公里，跟传统汽车的3 0 0 - 4 0 0 公里的差距很大嗍。此外， 纯电动汽车的高昂的价格，也是它目前不能取代传统汽车重要因素。 1 1 4 本文涉及的纯电动汽车定位 由于电池技术等核心技术的严重制约，纯电动汽车在动力性和续驶里程方 面与传统汽车的差距还很大，因此暂时还远未达到取而代之的程度。鉴于上述 原因，为了突显纯电动汽车的在中低速时在排放方面的优势，本文将为纯电动 汽车设置相对具体的使用范围。 就现在的技术水平而言，纯电动汽车最高车速相对比较低、单次充电续驶 里程较短。而各种城市工况的最高车速和平均车速都比较低、运行路程短，而 且怠速时间较长，在此种工况下对比纯电动汽车与传统汽车，前者在节能环保 方面的优势异常明显，而在动力性和续驶里程方面的劣势却得到很大程度的弱 化。因此本文拟将纯电动汽车置于城市工况下运行。 本文所涉及的纯电动汽车将置于城市工况下运行，最高车速不大于8 0 k m h ； 前轴单轴驱动。 1 2 再生制动的必要性 城市工况下，车辆的平均速度较低、负荷率的起伏变化较大，还需频繁的 启动制动，如表格1 1 所示。传统汽车制动过程中的所有能量都是以热能的行驶 散发了，相关研究显示，汽车制动过程中以热能方式耗散的能量约占驱动总能 量的5 0 ，如表格1 2 所示【1 0 l 【1 们。如果可以将这部分能量加以回收利用，车辆 的续驶里程可得到很大的提高。 3 武汉理工大学硕士论文 表格1 1 我国城市公交工况与e c e 工况的对比 工况武汉公交北京长安街北京三环路e c e 工况 最高车速k m h5 59 1 2 28 7 6 05 0 平均车速k m h 1 8 2 82 2 6 23 5 3 01 8 7 0 怠速比例 2 9 2 62 5 4 74 6 13 0 8 0 减速比例2 2 6 33 1 8 13 7 5 42 1 5 0 加速比例 2 2 7 72 9 2 l3 4 2 41 8 5 0 匀速比例 2 0 3 41 3 5 l2 3 6 l2 9 2 0 表格1 2世界各国的城市工况下制动能量与驱动车辆总能量的对比 工况u d d s 工况1 0 1 5 工况伦敦公交e c e 工况 驱动总能量k j 2 8 2 4 1 1 8 1 4 2 6 0 53 9 5 制动能量k j 1 3 4 3 29 3 81 7 3 62 0 7 制动能量百分比 4 7 65 1 76 6 65 2 3 然而，与传统汽车相比，纯电动汽车的独特优势之一在于能回收部分制动 能量，即可再生制动。再生制动又称为制动能量回收，即在电动汽车制动过程 中，利用车辆的惯性能通过驱动系统驱动电机，此时电机将转换为发电机模式， 将车辆的部分惯性能转化成电能，存储于动力电池中，实现制动能量的部分回 收；同时作为发电机转动产生的制动力矩通过传动系统传到驱动轮上，实现制 动减速。 较之传统汽车制动能量以热量行驶散失，再生制动既可以延长汽车的续驶 里程，提高能量利用率，有课减少制动器承担的摩擦制动，从而减少摩擦片磨 损，提高车辆行驶的安全性和使用经济性。 1 3 再生制动技术的发展现状 1 3 1 国外再生制动技术的发展现状 国外对电动汽车再生制动技术的研究有十余年了，已经取得了较大的成果， 但基本都是基于车辆城市循环工况。随着再生制动技术的日趋成熟，已经有部 分理论成功应用于实车上。 1 9 9 7 年，日本丰田公司推出的一款命名为p r i u s 的混合动力轿车就已经装载 4 武汉理工大学硕士论文 了再生制动系统。该再生制动系统实现了再生制动与传统制动的联合，可以控 制电、液制动比例，从而改变电、液制动力大小，实现再生控制策略在电动车 上的实际应用。在保证车辆制动稳定性的前提下，该车再生制动系统可回收5 1 3 的驱动能量，使整车的燃油经济性提高1 0 左右。2 0 0 4 年推出的新p r i u s 可应用电子伺服制动控制技术，通过计算机对电机和制动系统进行联合控制， 不但使能量回收率有所提高，还提高了再生制动控制的精度和相应速度，是再 生制动技术上的一次突破。此外，该公司还针对再生制动系统设计了一个特殊 的补偿阀，使得驾驶员具有良好的操纵感和制动感觉，不会出现踩踏板力量突 变的情况。 本田公司紧随其后，于1 9 9 9 年推出混合动力汽车i n s i g h t ，不仅应用了i s a 电机、液压系统和发动机节气门控制技术，还采用双制动力分配系数的策略控 制其再生制动系统。新控制策略的应用实现了相对高效的制动能量回收率，进 一步推动了再生制动技术在实车上的应用。另外，该公司还在e vp l u s 纯电 动汽车上，根据不同的制动目标，分别制定了相应的再生制动控制策略，都达 到了预期目标。此外，动静r & d 公司将超级电容引入到再生制动系统，使电动 汽车的续驶里程提高了2 0 以上，动力电池的使用寿命延长了1 5 倍。 在美国，福特公司也推出了自己的混合动力汽车e s c a p e ，该车以线控再生 制动系统驱动了传统的机械液压制动系统，即驾驶员的制动踏板信号转换为电 信号，从而控制电机，实现再生制动，试验证明整车的能量回收率和制动方向 稳定性都有较大程度的提高。 在各大汽车企业加紧推出再生制动系统的同时，各高效及研究机构也在这 方面做了大量的工作。 再生制动控制策略研究的首要问题是制动力分配问题，它直接影响制动能 量回收效率和驾驶员制动感觉。美国t e x a sa & m 大学提出了并联再生制动控制 策略、最大制动能量回收控制策略和理想再生制动控制策略等三种制动力分配 控制策略，并将这些控制策略置于城市循环工况下进行了仿真分析1 1 3 l 1 4 1 1 5 1 。 纽约斯卡奈塔联合大学建立了纯电动客车的再生制动系统的模型，整车满 载质量1 2 4 7 4 k g ，利用飞轮装置来回收部分制动能量，设定城市平均驾驶循环工 况，即加速减速快、运行距离短、停车时间短，整个循环时间为5 6 秒，并在此 工况下对该模型进行了定量的经济性分析。分析结果显示，该系统可回收此种 工况下汽车制动总能量的5 9 ，通过立项的能量回收装置可以是车辆的年燃油 消耗成本从1 2 ，2 7 0 美元降至5 ，0 3 0 美元【 研f 1 7 1 。 5 武汉理工大学硕士论文 比利时f l e m i s h 技术学院研制了混合电动汽车概念试验平台h e 气n 系 统。这个平台可根据需要换装无刷直流电机、感应电机和永磁直流电机，其能 量回收系统是通过对电机的控制而实现的，控制算法的主要思路是低速时提高 电机的电动势，从而实现制动能量的回收。韩国的s u n g k y u n k w a n 大学专门针对 混合动力汽车研制了一套制动力分配系统，即h i l s 系统。这个系统是基于闭环 的硬件仿真，拥有多个传感器，还专门设计了液压装置以便实现前、后轮制动 力的分配及制动能量的回收。此外，美国威斯康星大学也较早的在电动汽车能 量回收方面做了一些工作，其工作小组研制除了液压式、飞轮式和动力电池式 三种形式的储能装置。 国外对再生制动系统的研究起步比较早，目前已取得了较多成果，具备了 一定的理论基础，甚至某些量产混合动力汽车上已经采用了再生制动系统，并 获得一定的效果。 1 3 2 国内再生制动技术的发展现状 国内对再生制动技术的研究起步较晚。国内的高校和研究机构都在再生制 动方面做了大量的工作，也取得了一定的成果，但大多停留在理论分析和建模 仿真阶段，而且主要精力集中在对传统制动系统的改装和与a b s 系统的协调控 制，还尚未达到成熟阶段。就部分已应用的再生制动系统，在驾驶员制动感觉、 车辆的制动稳定性、制动力的精确控制以及能量回收率等方面普遍都存在较为 显著的问题。 清华大学的罗禹贡和李蓬等人提出了一种制动力分配模型，它能准确实现 驾驶意图，显著提高汽车的制动响应速度，且可回收1 0 左右的制动能量1 1 $ 1 1 1 9 1 。 仇斌和陈全世工作小组对北京市区的轻型客车行驶工况进行了统计分析，得到 其在北京市区道路工况下的制动功率分布特征，采用再生制动系统可使车辆续 驶里程增加2 4 4 左右刚。李克强等设计的能量回馈优化与制动防抱死集成分层 控制方法，根据理想制动力分配模型，采用滑模变结构及模糊控制策略，分别 控制前后车轮的滑移率，在n e d c 工况下可比并联制动多回收8 0 的能量【2 。 吉林大学的王鹏宇、王庆年等着重研究了再生制动与汽车a b s 的集成控制 问题，建立了1 5 自由度，包含a b s 和气压再生制动系统的混合动力汽车整车模 型，并进行了相关仿真分析，结果表明采用集成控制策略的再生制动系统在能 量回收率和制动安全性等方面均优于并联制动系统 2 2 1 【2 3 1 。吕廷秀、朱雅君等分 别研究了轿车和客车的再生制动系统与a b s 的集成控制策略 2 4 1 【2 司。 6 武汉理工大学硕士论文 重庆大学的秦大同、詹迅等提出了一种对于轻度混合动力汽车比较有效的 制动力分配策略，能在保证制动安全性的前提下，充分的回收制动能量通过建 模仿真，其结果显示，所提出的控制策略满足车辆的制动安全性要求，能量回 收率在1 2 5 左右伫q 咖。邓涛、杨阳等根据电池、电机的工作特性，分析得出其 效率变化规律，并在此基础上提出电池电机联合高效工作的优化曲线，再通过 c v t 的速比控制使再生制动过程中电池电机都工作在此联合高效曲线上 2 8 1 。 武汉理工大学的刘宠誉基于a b s ，根据再生制动的影响因素提出了一种控 制策略，即计算当前允许的最大制动力和制动功率，紧急制动时不进行再生制 动，制动减速度小于特定节点时完全采用电机制动，制动减速度介于该节点与 紧急制动节点之间时，采用混合制动，即电机制动与传统液压制动共同承担制 动任务【1 1 。 目前，天津清源电动车辆有限责任公司生产的哈飞赛豹p l u g i n 混合动力汽 车和纯电动轿车都积极引进了再生制动系统，以改善车辆的燃油经济性，提高 车辆的续驶里程。 综上所述，对于再生制动的研究，国内仍处于仿真分析的起步阶段，并且 目前大都基于传统制动系统，协调控制电机制动。再生制动与传统制动的协调 方式主要有两种：一是尽可能的回收制动能量；二是在传统制动系统的基础上， 调节再生制动力矩，从而保证车辆的制动效能和制动稳定性跚。 1 4 电动汽车再生制动与a b s 集成控制研究现状 a b s 是汽车最重要的主动安全系统，其应用是汽车技术的重大突破之一， 传统的a b s 进过多年的发展，技术已经相当成熟，并发展出了一系列功能多样 化的延伸技术。关于a b s 最早的记录是英国1 9 3 2 年的一项专利防止汽车制 动时抱死的安全装置，但直到1 9 7 0 年，美国国家公路交通局实施一项针对制动 性能的法规，a b s 才得到广泛的认识和应用。当今世界最大的a b s 厂家德 国b o s c h 公司，从7 0 年代就开始从事a b s 系统的研发工作，获得大量的专利； 英国的l u c a s g i r l i n g 公司以其在货车a b s 系统方面的优势，在欧洲的市场 占有率达5 0 以上；日本本田公司早在八十年代就将a b s 安装到其生产的十几 种车型上r q 。进入九十年代后，a b s 及其延伸产品广泛应用于发达国家的车辆， 不仅轿车，甚至如面包车、载货汽车等汽车车种也得到广泛的应用。 大部分电动汽车的a b s 继承了传统汽车的液压a b s 系统，也有少部分电动 汽车引进了专门针对电动汽车设计的a b s 系统。 7 武汉理工大学硕士论文 在再生制动与a b s 的协调控制方面，国内外有很多学者提出了不同的控制 策略，较具代表性的有：1 ) 根根据车轮的纵向滑移率判断其状态，当车轮上发 生抱死现象时，制动控制器就将其再生制动力需求设置为0 ，即一旦a b s 启动 就将其在升值动力降至0 点，此时很难利用摩擦制动系统立刻精确的补充再生 制动系统卸载的力矩，同时使车辆制动减速度突变，影响车辆的制动稳定性。2 ) a b s 在某车轮上启动时，逐渐减小目标车轮的再生制动力矩，这种控制策略给 液压制动系统充足的时间来补充再生制动卸载的力矩，可以改善车辆的制动平 顺性阐。 针对电动汽车的a b s ，国内外也有学者做过大量工作：张兆良提出了机电 复合制动技术：通过轮毂电机的电流，来调节车轮的制动力矩，使其滑移率保 持在理想的范围p 1 1 。通过准确的设置电机制动动力矩的门限值，m e h r d a de h s a n i 和y i m i ng a o 将再生制动系统与a b s 进行了兼容，提出了区分常规制动和紧急 制动的制动力分配策略，不仅能实现能量回收，还可合理协调液压制动力矩与 再生制动力矩，保证车辆制动稳定性1 3 2 1 。吉林大学的工鹏宇、王庆年等着重研 究了再生制动与汽车a b s 的集成控制问题，建立了1 5 自由度，包含a b s 和气 压再生制动系统的混合动力汽车整车模型，并进行了相关仿真分析，结果表明 采用集成控制策略的再生制动系统在能量回收率和制动安全性等方面均优于并 联制动系统【蠲网。吕廷秀、朱雅君等分别研究了轿车和客车的再生制动系统与 a b s 的集成控制策略 2 4 1 z s l 。 另外，在安装了再生制动系统的汽车上，关于制动力分配几乎形成了一种 共识：若车轮上带有载荷传感器，则精确的控制前后轴制动力，使之贴近理想 制动力分配曲线；若车轮上没有载荷传感器，这将前后轴制动力分配控制在空 载时的理想制动力分配曲线，为了防止前轮过早抱死，实际的前后轴制动力分 配线应该在空载时的理想制动力分配曲线和后轴最4 , n 动力分配曲线之间。制 动过程中，尽量多的让驱动轴承担制动任务，利于制动能量的回收。其控制策 略是通过轮速传感器检测轮速，当轮速明显低于车速时，认为车轮趋于抱死， 则减小该车轮上的制动力矩，使其抱死现象消除。与传统的a b s 相比，这个电 子控制系统避免了电磁阀开关的机械运动，可使制动力矩得到更迅速更精确的 控制，但此系统对车辆硬件提出了较高要求。 1 5 本文的主要研究内容 1 、由于本文所涉及纯电动汽车为前轴单轴驱动，所以加入再生制动力之后， 8 武汉理工大学硕士论文 将严重影响车辆前后轴制动器制动力的分配比例，进而制约车辆的整体制动效 果。因此本文将就加入再生制动力之后的纯电动汽车的前后轴制动器制动力分 配比例展开讨论，并对分配后的纯电动车进行相关的制动特性分析。 2 、再生制动系统与a b s 的特性方面存在不可忽视的矛盾，本文将探讨这些 矛盾的具体特征，在保证制动安全性和制动稳定性的前提下，提出一个基本可 行且在一定程度上可调和这些矛盾的集成控制策略。 3 、本文将基于a d v i s o r 2 0 0 2 仿真软件，建立纯电动汽车的前后轴制动器 制动力的分配模型、电机制动力模型和集成控制策略模型，并进行相关仿真分 析，验证本文提出的再生制动与a b s 集成控制策略的有效性。 9 武汉理工大学硕士论文 第2 章a b s 及再生制动系统概述 2 1 a b s 概述 a b s 是a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m 的简写，译为汽车防抱死制动系统。作为 现代汽车制动系统的关键部件，a b s 可防止车辆制动过程中完全抱死，避免了 车辆因前轮抱死而失去转向能力或因后轮抱死而产生的甩尾现象，提高汽车的 制动方向稳定性和转向操纵性能。此外，a b s 可将车轮的滑移率控制合理范围 内，使车轮与地面的附着系数充分大，缩短制动距离，并保证车辆的制动安全。 总的来说，a b s 的主要功能有五点：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，提升制动效果嗍嗍。 2 1 1 a b s 的基本组成 汽车防抱死制动系统a b s 会因车型不同而不同，因此a b s 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 统和报警装置等几个部，如图2 1 所示。 1 、报警装置；2 、电子控制装置；3 、车轮速度传感器；4 、车轮； 5 、制动分泵；6 、制动压力调节装置；7 、制动总泵；8 制动踏板。 图2 1a b s 基本组成简图 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 1 0 武汉理工大学硕士论文 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。此外，电子控制装置还设 有监控单元对a b s 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a b s 的工作。此时汽车的制动系统将完全变 成常规制动系统洲。 2 1 2 - a b s 的基本原理 汽车制动时，我们最关心的是车辆的制动距离，而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： s ：v o - o d r 1 0 0 ，0 ( 2 - 1 ) 其中，s 为车轮的滑移率，。为汽车质心的纵向速度，r 为车轮的行驶半径， 为车轮的行驶角速度。 由公式( 2 1 ) 可知，当车轮在地面上作纯滚动时，车轮质心的纵向速度与 车轮外缘的线速度完全相等，即v 。= 雠，此时滑移率s - - o ；当车轮完全抱死在地 面上作纯滑动时，即c o r = o ，此时滑移率s = 1 0 0 。在实际工况中，车轮始终处 于边滚动边滑动的状态，因此0 s 10 0 图2 2 是附着系数滑移率关系曲线图。由图中可得，设定t p 。为峰值附着系 数，仇为纵向附着系数，9 ，为侧向附着系数，s p 为峰值附着系数t p 。所对应的滑 移率。当车轮做纯滚动时，s = o ，仇- 0 ；当o s s p 时，纵向附着 系数9 。逐渐降低，而侧向附着系数妒，则迅速降至近零点阑。 综上所述，当车轮因抱死而滑动时，轮胎与地面之间的纵向附着系数钆有 所下降，而侧向附着系数t p ，则几乎为o ，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；如果前轮制 武汉理工大学硕士论文 动时被抱死，车辆将失去转向能力，进而无法控制车辆的行驶方向。这些制动 时产生的不稳定现象，都很容易造成交通事故。 在车辆制动过程中，为了保证车辆行驶的稳定性，必须同时具有足够的纵 向制动力和侧向制动力，因此，必须同时保证较大的纵向附着系数吼和较大的 侧向附着系数缈，如图2 2 所示，当车轮的滑移率在1 5 0 o , - - 2 5 之间时，可满足 上述制动要求。a b s 的作用就是通过调节常规制动系统的制动压力，将车轮的 滑移率控制在合理的范围内，让轮胎与地面之间的纵向附着系数和侧向附着系 数都保持在较高的水平，充分发挥轮胎与地面之间的潜在附着力。 a b s 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 3 5 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，a b s 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，a b s 控制单元 才根据车轮轮渡传感器的信号，进过计算分析后想液压调节装置发出降压指令； 然后在根据制动装置反馈的信息，再发出增压指令，如此往复循环，频率约在 3 2 0 h z 之间，实现其防止车轮被抱死的功能。 o 6 o 4 o 2 o 广 、 ，-l - 筮 产毫 、 、 ， 1 、 毫、；。，j ：； l 2 0 4 06 08 01 0 0 田 高冀j | 着路露 普通路面 低附簧路面 数 图2 2附着系数一滑移率关系曲线 2 1 3 a b s 的工作过程简述 典型a b s 的工程过程一般都包括常规制动阶段、制动压力保持阶段、制动 压力减小阶段和制动压力增大阶段等四个部分。 1 、常规制动阶段 1 2 武汉理工大学硕士论文 在这个阶段，a b s 不会介入车辆制动系统的动作，其调压电磁阀总成中的 各个阻断阀均不通电而处于开启状态，同时各个出液阀均不通电而处于关闭状 态，液压调节装置也因不通电而处于关闭状态，制动主缸到各个制动轮缸之间 的管路都处于畅通状态，而制动轮缸至出液罐之间的管路却全部处于关闭状态， 因此制动轮缸的压力将会随制动主缸的输出压力变化而变化。然而，虽然是常 规制动，a b s 的监控模块却持续监测这车轮轮速传感器输入的信号，以此为依 据来判断是否有必要介入制动动作。此外，如果a b s 因监测到系统内部存在故 障而被切断，则车辆只能进行常规制动。 2 、制动压力保持阶段 当电子控制单元根据安装在车轮上的轮速传感器输入的信号，进过计算分 析，判定车轮趋于抱死时，a b s 就立即进入防抱死制动压力调节的状态。当制 动踏板输入的力过大时，制动器输出的制动力矩将会大于轮胎与地面之间的附 着力，造成车轮趋于抱死，此时，a b s 的电子控制单元根据轮速传感器输入的 信号，判定车轮趋于抱死，就会输出指令，让调压电磁阀中的各个阻断阀通电 关闭，制动轮缸与制动主缸之间被隔断，制动液无法进入制动轮缸，防止其压 力继续增大。此时，制动轮缸的压力就会保持不变。 3 、制动压力减小阶段 当制动轮缸内的制动压力处于保持阶段时，电子控制单元根据轮速传感器 输入的信号，经过计算分析，判定该车轮仍然处于趋于抱死的状态，就会发出 指令，让调压电磁阀总成中的出液阀通电开启，制动轮缸中的部分制动液经由 出液阀流回储液罐，此时制动轮缸的制动压力迅速减小。当电子控制单元对轮 速传感器输入信号进行计算分析后，判定该车轮趋于抱死的状态消除时，就会 发出指令，使