（机械电子工程专业论文）纯电动汽车新型电液复合制动系统研究.pdf

中文摘要 摘要 随着我国汽车工业迅猛发展和汽车保有量的快速增加，我国的能源和环境面 临严峻挑战。由于电动汽车能满足整车低排放或零排放和低油耗的综合要求，开 发以电动汽车为代表的新能源汽车已成为汽车工业技术创新的重要方向和汽车产 业可持续发展的必然选择。电动汽车再生制动技术是汽车节能与环保的关键技术 之一。 电动汽车的再生制动系统是一个多目标条件下的动态变换系统，电动汽车实 现整车安全制动条件下最大化回收制动能量的前提是基于优良的电液复合制动系 统和综合控制技术。 论文以小康某纯电动汽车为应用对象，以提高回收制动能量为目标，以保证 良好的制动性能为约束条件，系统地研究了电动汽车电液复合制动系统，进行了 新型电液复合制动系统的方案设计、理论分析与系统综合建模、联合仿真分析和 性能评价，主要工作内容如下： 为满足电机再生制动力与液压制动力的协调控制要求，通过对传统汽车具 有a b s 防抱死功能的制动系统的分析，设计了基于a b s 硬件的电动汽车新型电液复 合制动系统。该系统采用a b s 硬件中的高速开关阀组进行前轮制动压力的动态调 节，前轮制动系统的动力源由a b s 匾油泵提供，制动主缸中原来接前轮制动系统 的接口与所设计的行程模拟器相连，该系统能满足电动汽车各种制动模式的工作 需求，实现各工作模式下压力协调控制与整车制动力分配。 基于a m e s i m 仿真平台，建立了电液复合制动系统的关键零部件，进行了 关键零部件的动静态特性分析；建立了电液制动系统的仿真模型，进行了系统的 动静态特性仿真分析，完成了基于并联制动力分配策略的功能性仿真验证。 为满足最大化回收制动能量和制动安全性的需求，根据制动法规和制动动 力学进行了电动汽车前、后轴制动力的分配，确定了制动强度的门限值，制定了 小强度和大强度制动工况下的电液制动力分配控制策略；基于a b s 防抱死制动过 程的分析，制定了基于逻辑门限值的a b s 防抱死控制策略和再生制动与a b s 防抱死 制动的协调控制策略。 针对电液复合制动系统及其控制策略对仿真平台的需求，提出了a m e s i m 软件与m a t l a b s i m u l i n k 软件联合仿真的解决方案，设计了联合仿真平台的结构方 案，建立基于m a t l a b s i m u l i n “s t a t e n o w 的整车模型、电池模型、电机模型、轮胎 路面模型和控制策略模型；完成了a m e s i m 中的液压制动系统模型与 m a t l a b s i m u l i i l k 模型的联合，构建了电液复合制动系统的联合仿真平台。 重庆大学硕士学位论文 二一 在不同的制动强度和路面条件下，基于舢衄s i i n 与m a t l a b 联合仿真平台， 对所设计的新型电液复合制动系统及其控制策略进行了能量回收效果和制动安全 性能初步的离线仿真分析。 本文进行了电动汽车新型电液复合制动系统的设计与理论分析，提出了电液 复合制动系统的控制策略与控制方法，为电动汽车电液复合制动系统提供理论依 据，具有较大的工程应用价值。 关键词：电动汽车；再生制动；电液复合制动系统；压力协调控制；防抱死控制 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t l lr 印i dd e v e l o p m e n t so fc h i i l a sa u t o m o b i l ei n d u s 缸y 觚dt h er 印i di n c r e a s ei n n u n l b e ro fc a r s ，c h i n a f se n e 略ya 1 1 de n v i r o m n e n tf a c es e r i o u sc h 甜1 e n g e s s i n c ee l e c t r i c v e l l i c l e sc a l lm e e tt h ec o i l l p r e h e n s i v er e q u i r e m e n t so ft h ev e h j c l es u c ha s1 0 w e m i s s i o n ， z e r oe m i s s i o na n dl o w 向e lc o n s 硼】m i o n ，d e v e l o p m e n to fn e w e n e 玛yv e l l i c l e ss u c ha s e l e c 仃i cv e h i c l e sh a sb e c o m ea i li n e v i t a b l ec h o i c e 矗ws u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fm e a u t oi n d u s t r ya n di ti sa l s oi m p o r t a n td i r e c t i o no ft e c l l l l i c 出i i l l l o v a t i o nf o ra u t o m o t i v e i n d u s 仃i e s r e g e n e r a t i v eb r a k i n go fe l e c t r i cv e m c l ei so n eo f 1 ek e yt e c l l n o l o g i e so ft h e a u t o m o t i v ee n e 玛y - s a v i n ga n de n v i r o m e n t a lp r o t e c t i o n r e g e n e r a t i v eb r a 妊n gs y s t e mo fe l e c 仃i cv e l l i c l ei sad y n 锄i c 仃a n s f o m a t i o nu n d e r c o n d i t i o n so fs e v e r a lt a 玛e t ss y s t e m ，t 1 1 ep r e m i s eo fm a x i m i z et 1 1 er e c o v e 巧o fb r a l ( i n g e n e r g yu n d e rc o n d i t i o n so fs a f e 够b r a k i n gi st h ee x c e t l e n te l e c 臼0 一h y 血a u l i cb 蹦渤g s y s t e ma 1 1 dn e 伊a t e dc o n l t 0 1s 订a t e g y e l e c t r i cv e b i c l eo fx i a o k a l l gi ss e l e c t e dt ob es t u d yi nt h i sp a p e r ，i no r d e rt o i m p r o v et h er e c o v e 巧o fb r a b n ge n e 略yu i l d e rc o n s 仃a i n t so fe n s 证n gg o o db r a 恼n g p e r f o n l l a n c e ，as y s t e mo fe l e c 仃d h y d r a r u l i cb r a k i n gs y s t e mf o re l e c 仃i c i t yv 6 1 1 i c l ei sp u t f o r v ，a 旧t h e o r ya n a l y s i sa n dm o d e l i n g ，c o s i m u l a t i o na n dp e r f o n n a l l c ee v a l 删i o no f t h ee l e c 协o - 1 1 y d i a u l i cb 址i n gs y s t e mi sc o n l p l e t e d t h em a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： 1 1 1o r d e rt om e e tt l l ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h em e c h a l l i s m h y d r a u l i cb 戊瞄n gf o r c ea n de l e c t r i c a lb r a l 【i n gf o r c e ，e l e c 仰- h y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e mo f e l e c t r i cv e l l i c l e sb a s e do nt 1 1 ea b sh 莉w a r ei ss u p p o s e do nt l ：l eb a s i so fd e s i g 芏1a i l a l y s i s o ft 1 1 ef h i 州o no fa b s 枷i l o c kb 蹦( i n gs y s t e mi nt r a d i t i o n a lc a r s 1 1 1 es y s t e mu s e s h i 曲- s p e e ds 谢t c h i n gv a j v eo ft 1 1 ea b s t oa d j u s t sb 溅n gp r e s s u r ei nt h e 矗o n tw h e e l ， p o w e r s o u r c eo ft h e 舶n t w h e e lb r 出n gs y s t e mi sb a c k - p u i 】叩o ft l l ea b s ，i n t e 血c eo f b r 出m a s t e rc y l i n d e ri n 舶n t - 、：h e e lb r a 垴n gs y s t e mi sc o m l e c t e dt oas t r o k es i 瑚【u l a t o r ， l e s y s t e mc a nm e e tt h eb r d b n gn e e d so fe l e c t r i c v e l l i c l e si i le v e r yb 哦k i n gm o d e ， 础i i e v i n gm ep r e s 沁ec o o r d i n a t ec o n t r o la n db r a k i n gf o r c ed i “b u t i o ni na 1 1w o d d n g m o d e k e yc o m p o n e m so ft h ee 1 e c 伽o - h y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e d o na m e s i ms i m u l a t i o np l a t f o r m ，s t a t i ca n dd 脚i cc h a r a c t e r i s t i c s 趾a l y s i so ft h ek e y c o m p o n e n t si sa l s oc o m p l e t e d ；s i m u l a t i o nm o d e lo fe l e c t r o - h y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e mi s f i n i s h e da tl a l s t ，s 协t i ca i l dd y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 a l y s i so ft h es y s t e mi sc o i n p l e t e d ， i i i 重庆大学硕士学位论文 劬c t i o n a ls i l l l u l a t i o nb a s e do nt h ep a r a l l e l b r a b i 培f o r c ed i s t r i h l t i o ns 缸l e g yi s e s t a b l i s h e da tl a s t t om a ) 【i i n i z et 1 1 er e c o v e r yo fb f a k i n g 铋e 唱ya n dm e e tn e e d so f l eb 脚d n g s a f 夸t ya tt h es 锄et i i n e ，t h r e s h 0 1 do fb r a ：k i n gi n t e n s i t yi si l e l t e m i n e db ym ea i l a l y s i so f p o w e rd i s t r i b u t i o no n 舶n ta i l dr e a ra 寸e ，h i l 【i n gr e g i l l a t i o n s 锄db r i 蚯n gd y n a i n i c s 锄m y s i so ft h ee l e c t r i cv e l l i c i e ，c o n t r o l 蚰a 1 i e g yo fb r a l 【i i 培f o r c ed i s t r i b u t i o ni nl o w b r a k i i 培i n t e n s 匆蛆dl l i g hb ra ：i 【i n gi n t e n s i 毋i sf o n 】谳a t l e d ；也r o u 曲也ep r o c e s sa n a l y s i s o f 恤a b s 肌t i l o c k b r a k i n g ，a b s 趾t i l o c kb r a 玉【i i l gc o n 们1s 仃乏l t e g yb a s e do n 恤1 0 垂c n l r e s h o l d ，c o o r d i 彻t ec o n 臼0 1s 臼铽e g yo fr e g 伽唧嘶v e 蛐n g 锄da b s 枷- l o c k b i 心n g i se s t a ：b l i s h e da t 恤s a m et i l l l e i no r d e rt om e e t l es i m l l l a t i o np l a t f o n nr e q u i r e m e n to fm ee l e c 仃。一h ) 恻i c 蛐n gs y s t e ma n l dp r e s s u r ec o o r d i n a t ec o n t r 0 1 蚰r a t e g yo fb r a 虹n gs y s t e m a m e s i i l l a n dm a a b s i m u l i l l l 【c o - s i i l l u l a t i o np l a t f o 册i sp r o p o s e dt os 0 1 v et 1 1 ep r o b l e m ， s 协1 j 嘶毗ep r o g r a mb 弱e do nc o - s i m u l a t i o np l a t f o mi sp r e s 即【t e d ，v e m c l em o d e l ，t i 陀m o d e l a n d 也ec o i 蜘l a t e g ym c 成li s j o 硫b 勰e do nm a n a b s 硫u l 址l t e f l 0 w ；m o d e l o fp r e s s u r ec o o r d i l l a ：t ec o 曲的ls y s t e mi 1 1a 汜s i n la n dc o 劬吣1s 仃a t e g yn l o d e li nm a u a b i sc o m b i n e d ，e l e c t r o - h y d r a u l i cb r a 虹n gs y s t e mb a s e do nc o s i m u l a t i o np l a t f o 衄i sb u i n o nd i 位n tb r a l 【i n gi n t e n s 时a n dr o a dc o n d i t i o n s ，o 昏l i n es i m u l a t i o n 趾a l y s i s f o rt h ee n e r g yr e c o 、他r ye 任e c t 锄dt h eb 1 蛐gp e r f b 册锄c eo ft h en e we l e c 仃o - h y 删i c b i m d l 玛s y s t e ma n dc o n t r 0 1 蛐西e sd e s i g n e da ：b o v ei sc o n l p l 酏e db 嬲e do na m 匣s i l n a 1 1 dm a t l a bc o - s i i n u l a t i o np l a t f o m s i 衄l l a t i o nm l d i e sa n dr e s e a r c ho fm ee l e c 仃。一h y 血n d i cb r 狄i n gt e c l l l l o l o g ya 1 1 di t s c l 蛐g y r e s e a rc _ h e di nt h i sp 叩e rp r o v i d es o i n e l e o r e t i c a lb 懿i sa n dt e c h i l i c a l r e 诧r e n c ef o re l e 嘶cv e h i c l e ；i ti so fg r e a tp r a c 廿c a ls i g l l i f i c a n c ef o rd e v e l o p m e n to f e l e 矧cv e h i c l e k e y w o r d s ：e l e c t r i cv b l l i c l e ；r e g e n e r a t i v eb 试【i n g ；e l e c 仃。一h y d r a u l i cb r 出n gs y s t 锄； p r e s s ec o o r d i n a t e dc o n t t d l ；a n t i _ l oc _ kb | 矗b n gc o n t r 0 1 i v 1 绪论 1 绪论 为了提高能源利用率、节约能源和改善生态环境，研究开发电动汽车己成为 当今世界瞩目的课题【。电动汽车包括纯电动汽车e v ( e 1 c t r i cv e h i c l e ) 、混合动 力汽车h e v ( h y b r i de l c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电池汽车f c v ( f u e lc e l lv e l l i c l e ) 三 种形式。各主要经济发达国家纷纷投入大量的人力与物力，积极开发不同方案的 电动汽车，并已取得重大进展。我国从“九五”期间便也开始了该领域的研究，“十 五”和“十一五”期间重点支持了以混合动力汽车为代表的电动汽车的研发，并将电 动汽车技术列入了国家中长期科技发展规划【2 ，3 。 但是由于电池、电机等技术的限制，电动汽车的续驶里程短和高成本这两个 问题严重地阻碍了电动汽车的商品化。再生制动可以通过电机将汽车的动能或者 势能转化为电能储存在蓄电池中以各下次驱动所用，这样就可以降低电动汽车的 能耗，提高电动汽车汽车的经济性能，因此，在目前的电动汽车关键技术研究中， 再生制动已成为一种降低能耗、提高续驶里程和汽车节能与环保的关键技术手段， 而再生制动的实施要基于良好的电液制动系统和有效的综合控制策略，而本文的 研究工作就是基于这样一种大背景下进行的，开发一套新型电液复合制动系统并 确定与其配套的综合控制策略。 1 1 电动汽车再生制动概述 1 1 1 再生制动的意义 与传统汽车相比，能够进行再生 制动是电动汽车的一个显著优点，这 样即可以提高电动汽车的续驶里程， 又可以减轻传统制动系统的工作负 荷。汽车在工作过程中消耗的总能量 主要包括附件能耗、内燃机损失、变 速器能耗、离合器滑动能耗、制动能 耗、传动轴及轴承能耗、空气阻力和 滚动阻力所消耗的能量。如图1 1 所示 彭钐彩彩移蓼彩缎麟舅彭彭彩髟形彭勿 鍪羹测i1 4 小能岛出选择内燃概l 一况 薯番鬻i9 m a 内燃机怠逮土况 嚣目7 3 附件能耗 o 。9 离台嚣澍动能耗 攀、| 4 5 变速器麓耗 刭2 4 传动轴段轴承能耗 鬟粼鍪蘩羹i j8 5 制动对的能鼙损耗 霜霭蘑圈瞄豳豳豳豳隧豳g 豳豳4 5 6 滚动阻力和空，气阻力诮耗的能麓 图1 1 汽车能量消耗分布图 f i g1 1a u t o m o t i v ee n e 烬yc o n s u m p t i o nm a p s 为n e d c 循环工况下仿真得出的各部分能耗占总能耗能量中的比例刚，其中制动所 消耗的能量占了总消耗能量的1 8 5 ，如果能够高效的回收这部分制动能量，将大 大提高汽车的燃油经济性。 研究表明，在典型的循环工况下，制动能量占总驱动能量的很大部分，如表 重庆大学硕士学位论文 1 1 所示，由表1 1 可以看出大约只有一半左右的驱动能量用于汽车正常行驶所需 的能量。如果能将这些制动消耗的能量回收再利用，同样的距离将只需要大约一 半的驱动能量，汽车的能耗经济性将得到很大的提高。然而传统的机械摩擦制动 使得这一部分能量都以热能的形式耗散掉了。因此在电动汽车的制动系统中实现 再生制动功能具有非常现实的意义 5 】o 表1 1 典型城市循环工况下制动消耗能量与总能量的对比关系 ，i a b l e1 1r e l 鲥鲫s h i po f b 础= i l l g 朗e 四锄dt o t a le n e 蝌 在实际应用中，丰田p 血s 混合动力汽车在1 0 1 5 循环工况和l a 4 循环工况中，利 用再生制动系统可使汽车的燃油经济性分别提高2 4 和2 0 【6 ，7 ，8 】。因此再生制动系 统的研究对于提高电动汽车的能量利用率和提高燃油经济性都有非常重要的意 义，也是电动汽车开发的关键技术之一。 1 1 2 再生制动的工作原理 再生制动就是汽车制动时，保持电机与传动系的有效连接，利用电机的回馈 制动特性将汽车的动能或势能转化为电能储存到电池等储能装置中用于下一次汽 车驱动加速所用，同时通过传动系向驱动车轮提供制动力矩【1 ，8 】。 虽然电动汽车有不同的结构形式，但其制动系统都由再生制动系统和摩擦制 动系统组成，其制动的工作模式有纯机械制动模式，机电复合制动模式和纯电机 制动模式( 如图1 2 所示) ，其再生制动的具体工作原理如图1 3 所示。 瓜庶瓜 一前进方向 + 一液压制动力矩 - 卜制动需求力矩嚼霹p m 电机制动力矩 图1 2 再生制动的工作模式 f i g1 2r e g e n e r a t i v eb 冰i n gm o d e s 2- l 绪论 驱动轮 ( 轴) 输出机械能厂、 输出电能 - _ 一_ _ 输山机械能 能量转换 装置 输出电能 图1 3 再生制动系统工作原理简图 f i g1 3r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw o r k sd i 赠哪l 储能装置 再生制动系统一般是由液压制动系统、控制器、电机制动系统、再生制动操 纵机构、电池系统等组成( 如图1 4 所示) ，其中电机制动系统与液压制动系统合 称为电液复合制动系统。控制器的作用是根据驾驶员的制动意图利用再生制动力 分配控制策略实现电机制动力和机械制动力的分配并控制相应的执行机构追踪目 标信号；再生制动操纵机构负责正确识别驾驶员的制动意图即制动强度和保证驾 驶员的制动感觉与传统制动系统的感觉相一致，并且当再生制动系统失效时能保 证液压制动系统能够正常工作；液压制动单元要能够提供由控制器输出的机械制 动力的大小；电机和电池系统负责提供控制器输出的电机制动力和回收并储存制 动能量。 图1 4 再生制动系统的组成 f i g1 4t h ec o m p o s i t i o no f 1 er e g e n e r a t i v eb r a l 【i n gs y s t e m 事实上，并不是所有的电动汽车制动能量都可以通过再生制动的功能来实现 回收与利用，在电动汽车上，只有驱动轴上的制动能量可以沿着与之相连接的驱 动轴通过电机的发电特性将制动能量转化为电能并传送至电池装置中，而制动能 量的另一部分将由非驱动轴上或驱动轴上的的车轮通过机械摩擦制动以热能的形 式浪费掉。驱动轴上的制动能量也不能通过再生制动来完全回收：制动能量回收 时还受到许多因素的限制，例如再生制动的回收功率不能超过电池当前的最大充 电功率、电机发电能力的限制、电池充电功率的限制、电机制动产生的最大制动 转矩不能超过当前转速和功率下电机发电能力、车速较高时电机再生制动扭矩就 不能满足大强度制动要求和驱动系布置方案的限制等。因此设计一套高效的电液 复合制动系统，并配套合理的综合控制策略将大大提高再生制动对整车燃油经济 重庆大学硕士学位论文 性提高的贡献嘲。 1 2 电液复合制动系统及其控制策略 由电动汽车再生制动的工作原理可知，电动汽车的再生制动系统是由电机制 动系统和液压制动系统复合而成的电液复合制动系统。由于电动汽车行驶过程中 存在着不同的制动状态，在小强度或中等强度制动时，为提高制动能量回收效果， 通常优先考虑再生制动，整车制动力不足的部分则由液压制动来补充；当车轮出 现抱死时或电池不允许回收制动能量时，为保证整车制动安全性，通常不采用再 生制动，只采用液压制动。因此传统汽车的制动系统难于满足电动汽车的制动需 求，不能直接用于电动汽车中，否则会严重影响整车制动的稳定性和安全性。 传统汽车的制动系统无论是机械式、气动式、液压式还是气液混合式，它们 的制动原理都是相同的，那就是依靠制动器摩擦的方式来消耗掉车辆行驶的动能 或势能从而达到减速的目的【9 ，1 0 1 。电动汽车再生制动的基础是传统轿车的液压制动 系统，因此在达到能量回收目的的同时，不改变传统轿车制动习惯就显得尤为重 要。但是，传统的制动系统无法最大限度的配合电机进行再生制动，并且由于再 生制动的加入改变了驾驶员传统的制动感觉，这样制动能量的回收效果就会受到 限制，因此对传统制动系统做适当的改造来达到再生制动的功能是必要的。 随着汽车主动安全技术的发展，制动系统得到进一步改进，紧急工况下的制 动安全得到保证，例如e s p ( 电子稳定性控制装置) 、a b s ( 制动防抱死装置) 、 e b d ( 电子制动力分配装置) 和a s c ( 行驶控制系统) 等等。这些控制系统的最 大特点就是能够主动控制液压制动力，其中a b s 防抱死制动系统越来越多地应用 在传统车辆制动系统中，在国外已经成为汽车的一种标准配置。a b s 的核心部件 为高速开关阀，高速开关阀与脉宽调制( p w m ) 控制相结合后，可以通过控制一 定频率的脉冲宽度来实现对液压压力的连续控制【l 。所以本文将采用a b s 硬件单 元作为电液复合制动系统中液压制动力的控制元件，同时制定适当的综合控制策 略( 包括制动力分配策略、a b s 防抱死控制策略和再生制动与a b s 防抱死制动协调 控制策略) ，通过电液复合制动系统和综合控制策略的完美组合以实现最大限度 的配合电机进行再生制动，从而达到良好的能量回收率和制动安全性。 综上，先进的电液制动系统和良好的综合控制策略是电动汽车产品化过程中 必须解决的问题之一，具有极其重要的研究意义【1 2 】。 1 3 传统汽车a b s 系统简介 由于本文中所设计的电液复合制动系统和综合控制策略都涉及到a b s 防抱死 控制系统，所以有必要对a b s 防抱死系统做一些介绍。汽车防抱死制动系统实质 4 l 绪论 上是一种自动调节汽车制动力的装置，通过调节制动力使汽车在制动的过程巾滑 移率保持在最优滑移率附近，从而改善汽车的制动性能。a b s 防抱死制动系统的 组成主要由轮速信号采集单元、执行单元和控制单元组成。其中执行单元包括制 动主缸、制动踏板、液压调节单元和制动轮缸等液压部件，液压调节单元又包括 进油阀、出油阀、蓄能器、回油泵、阻尼器和节流阀等。液压调节单元是a b s 系 统的核心部件，其作用是通过控制器的指令，驱动其中的电磁阀和回油泵动作， 从而实现制动轮缸液压力的精确调节。目前，a b s 液压系统采用的高速开关电磁 阀可与脉宽调制( p w m ) 控制技术结合，只要控制脉冲的频率和脉冲的宽度，就能 像液压伺服阀那样对流量进行近似连续调节；而且驱动电路结构简单、功耗小且 成本低。目前，高速开关阀与p w m 控制技术结合，在a b s 防抱死制动、电控机械 式自动变速器( a m t ) 和主动悬架等汽车机电液控制系统中应用越来越广泛u 孓”j 。 本文所研究的电液复合制动系统所涉及到的a b s 类型为四传感器四通道形 式，其电磁阀的控制方式为p w m 控制方式。传统四通道a b s 液压调节单元的液压 原理图如图1 5 所示，包括四对用于汽车制动防抱死控制的高速开关阀，每对高速 开关阀包括一个常开型高速开关阀和一个常闭型高速开关阀。四个常开型高速开 关阀处于制动主缸和制动轮缸之间，四个常闭型高速高速开关阀处于制动轮缸和 回油泵之间。在防抱死制动过程中，当高速开关阀都不上电时，制动系统处于加 压状态；当只有常开型高速开关阀上电，系统处于保压状态；当常闭型高速开关 阀上电，常开式也上电时，制动系统处于泄压状态。防抱死控制系统就是通过这 三种状态互相切换来实现制动液压力的主动控制。 f 图1 5 传统制动系统的a b s 压力调节单元液压原理图 f i g1 5h y d r a u l i cs c h e m a t i cd i a 野瑚o f t h e 仃| d i t i o n a lb r a l 【i n gs y s t e ma b sp r e s s u r ea d j u s t i n g 吼i t 重庆大学硕士学位论文 1 4 电液制动系统及其控制策略的研究现状及关键问题 1 4 1 国外研究现状 国外对电动汽车电液复合制动系统及其控制策略的研究已经开展了十多年， 研究热点主要在以下几个方面：( 1 ) 电液复合制动系统及其控制策略的综合建模 与仿真；( 2 ) 再生制动、机械制动、a b s 制动和制动力分配的协调控制；( 3 ) 压 力协调控制、储能系统和c v t 系统的控制方法。 日本丰田公司于1 9 9 7 年推出了具有再生制动功能的混合动力轿车p m s 【1 6 】。该 款电动车的电液复合制动系统的压力调节机构是通过减压阀来实现的，而且在系 统中加入了行程模拟器来保证驾驶员的制动感觉和消除压力波动，同时配有a b s 防抱死装置，在制动回路中采用了双制动回路，有安全备份制动系统，但该系统 比较复杂，且成本比较高。这款轿车制动的惯性能量能够通过再生制动系统得到 回收，回收的能量约能提供汽车5 2 3 的驱动力，从而能够提高轿车1 0 左右 的燃油经济性。 e c o 崎c l e 是日本国家环境协会主导研发的一款电动汽车，其电液复合制动 系统中设有制动压力控制阀单元，它的位置在主缸与前后制动器之间的液压回路 中。这个压力控制阀包括了制动主缸压力传感器和两个由制动控制器控制的电磁 调节器，压力控制阀单元有两个阀体，分别独立作用于汽车前、后轮制动轮缸， 同时每个阀配有一个电磁调节器，控制器通过电磁调节器来控制阀体输出压力的 大小；压力控制阀单元中还设有一种机械装置，该装置能补偿制动液从而减小制 动压力波动【l 川。 博世公司在1 9 9 8 年就申请了基于e s p 硬件的混合动力汽车电液复合制动系统 的相关专利，主要的工作原理是利用e s p 液压调节单元对再生制动系统进行压力 协调控制。博世公司还与丰田、福特等公司合作，为其相关的混合动力产品配备 具有电子稳定性功能的再生制动系统( 如图1 6 所示) 。大陆公司也在这方面推出 了自己的产品m k 2 5 e 5 ，并成功装备到了g o l f 混合动力版上。 图1 6 博士公司的压力协调控制系统 f i g1 61 1 l ep h dp r e s s u r ec o o r d i n a t e dc 咖仃o ls y s t e m 6 1 绪论 美国天合( t r w ) 公司在2 0 0 7 年研制出针对混合动力电动汽车的车辆稳定性 控制系统e s c r 【l8 | ，其产品实物图与压力协调控制原理图如图1 7 所示。该系统 同时具备e s p 功能和再生制动功能。e s c r 是基于e s p 液压单元的集成液压封闭 系统，在t r w 标准型号e s p 的基础上，结合了常规制动系统中的助力器、主泵和 真空泵等，并可以根据功能需求增加行程模拟器。该系统在不影响传统制动系统 的驾驶员制动感觉的前提下，可以根据驾驶者的需要，将电机制动系统和液压制 动系统完美集成。e s c r 系统还形成了一个很好的集成化平台，能够和其它技术 整合，例如，该系统可以和防滑移控制系统整合，能够提供全面的稳定性控制和 最优的能量回收控制。与该电液复合制动系统相匹配的压力协调控制原理为首先 由轮速传感器测量出车辆当时的运动状态和用压力传感器测量出驾驶员的制动需 求，然后通过c a n 总线将车辆运动状态信号与制动需求信号传到e c u 中，由e c u 做出电机制动力与液压制动力的分配关系，再将输出信号通过c a n 总线传输到电 机控制器和液压制动单元控制器的输入端口，电机控制器和液压单元控制器控制 相应的执行元件进行追踪控制。 鼹r 稀 e ( ：( ) f 、 一( ) i8 y 转 e ； r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一_ 曩 一c a ne o m m u 轴i c a t o n _ _ 叫- - 图1 7t r w 的e s c r 压力控制系统 f i g1 7t r w se s c - rp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m 在各大汽车企业加紧开发自己的电液复合制动系统及其控制策略的同时，各 高校及研究机构就再生制动系统的关键问题也进行了大量的研究。制动力分配是 电液复合制动系统首要研究的问题，它会直接影响到制动能量回收率以及驾驶员 重庆大学硕士学位论文 的制动感觉。美国t e x a s a & m 大学的m i ng a o 等提出三种制动力分配控制策略， 即：并联再生制动控制策略、理想再生制动控制策略和最大能量回收控制策略， 并在城市循环工况下对所提出的再生制动控制策略进行了仿真分析。美国斯卡奈 塔第联合太学( u i l i o nc o l l e g es c h e n e c t a d y ) 对纯电动客车的再生制动系统进行了建 模研究，该车满载质量可达1 2 ，4 7 4 k g ，通过飞轮储能装置回收制动能量，对所设 定城市循环工况下( 其特点是匀速行驶距离短，停车时间短，加速、减速比较快， 整个循环时间为5 6 秒) 的经济性进行了研究和分析，分析可知在此循环工况中汽 车制动时占总能量5 9 的惯性能量可以给予回收。并通过理想的能量回收系统可 以使每辆车的年燃油消耗成本从1 2 ，2 7 0 美元降到5 ，0 3 0 美元。1 9 9 7 年美国国家航 空与航天管理局路易斯研究中心( t 1 1 en a s al e 讪sr e s e a r c hc e n t e r ) 开发了一辆用 超级电容作为储能装置的能量回收制动系统的混合动力公交车【1 蛆2 1 。 综上所述，国外对电液复合制动系统及其综合控制策略的研究起步较早，目 前已经具备了一定的基础，同时取得了较快的进展。国外各大汽车公司，已经在 量产的电动汽车上广泛采用再生制动系统并取得了较理想的效果，显著提高了整 车能量利用率，降低了整车能耗，有效地延长了续驶里程。 1 4 2 国内研究现状 我国对电动汽车电液复合制动系统研究起步比较晚，各汽车厂商和科研院所 对这一领域进行了一些研究，但研究比较薄弱。 清华大学罗禹贡、李蓬等设计了一套电液复合制动系统的控制算法，该算法 能准确识别驾驶员的制动意图，显著提高了制动时制动需求的响应速度，并能回 收1 0 左右的制动能量幽j 。 吉林大学王庆年、王鹏宇等主要对再生制动与防抱死制动的集成控制进行了 相关的研究。建立了带有a b s 的气压制动系统的a m e s i m 模型，并进行了相关的 仿真分析，结果表明防抱死制动与再生制动集成控制的再生制动系统制动能量回 收率与制动安全性均优于并联再生制动系统。朱雅君、吕廷秀分别研究了客车和 轿车的再生制动系统，提出了再生制动与a b s 的集成控制策略【2 4 。2 8 】。 重庆大学秦大同、杨阳等研究了轻度混合动力汽车的再生制动系统，为充分 回收制动能量，提出了一种基于制动强度的的制动力分配控制策略，并进行了基 于s i m u l i n k 的建模与仿真分析。仿真结果表明，所提出的制动力分配控制策略能 满足整车制动安全性要求，且回收的能量达1 2 5 【2 9 】。杨阳、邓涛等根据电池、 电机的工作特性，利用电池效率与电机效率的变化规律，提出了一种基于电机电 池联合高效工作优化曲线并通过控制c v t 速比使电机再生制动时工作在该联合高 效曲线上的再生制动控制策略，其仿真结果表明，其提出的再生制动控制策略能 有效地回收电动汽车制动能量【3 0 】。江永泉、杨阳等通过高速开关阀实现再生制动 1 绪论 中压力协调控制，构建了d s p a c e 环境下的混合动力电动汽车再生制动压力协调 控制系统的硬件在环仿真试验平台并进行了各种制动强度下的仿真，验证了基于 高速开关阀的电液复合制动系统的可行性【3 1 。杨阳、刘松等设计了基于电液比例 减压阀的混合动力汽车用电液复合制动系统，并建立了基于a m e s i m 的电液复合 制动系统的仿真平台，仿真结果表明了该系统的正确性和可行性，为优化电液复 合制动系统提供了方案【3 2 】。 叶先军、赵韩提出了基于路面识别的电动汽车压力协调控制算法，通过动态 协调电机制动力和液压制动力实现了电动汽车在制动过程中其滑移率保持在路面 的最佳滑移率附近1 3 引。陈庆樟、何仁等提出了种基于制动防抱死系统的能量再 生制动集成控制方式，将电机制动有机的融入了a b s 防抱死制动，并进行了仿真 与试验，利用电机参与防抱死制动，不仅有快速的反应速度，而且可以高效的回 收制动能量【3 4 l 。 综上所述，国内对电液复合制动系统的研究还处于起步阶段，大多停留在仿 真分析层面，实车应用不多。 1 4 3 电液复合制动系统及其控制策略的关键问题 从国内外研究现状可以看出，电动汽车电液复合制动系统及其综合控制策略 的研究主要集中在机、电制动力分配方法、电液制动系统的硬件结构方案、驱动 电机与功率转换控制技术和机电复合协调等方面。目前电液复合制动系统急需解 决的关键问题主要有以下四个方面： 制动稳定性问题；由于电机的再生制动力矩随车速的变化而变化，它的制 动过程与传统制动系统的制动过程不同。对于前轮驱动的电动汽车而言，过大的 电机制动力矩会使前轮提前抱死并失去转向能力：对于后轮驱动的电动汽车而言， 过大的电机制动力矩会使汽车后轴出现侧滑，从而失去稳定性。 制动踏板平稳性问题；由于电动汽车加入了电机制动力矩，这将影响制动 踏板的跳动和驾驶员的制动感觉，所以需要对电液复合制动系统进行优化控制和 设计，尽量避免电机制动力矩对制动系统的影响，使驾驶员制动感觉尽量与传统 汽车的制动感觉一致。 制动模式协调转换问题；要在保证制动安全的条件下实现制动能量的充分 回收，那么电液复合制动系统就要求电机制动系统与常规制动系统、a b s 防抱死系 统能良好协调兼容，要合理设计电机制动力矩和制动器制动力矩协调的综合控制策 略，以实现纯电机制动模式、纯液压制动模式、机电复合制动模式与a b s 防抱死制 动模式协调转换。 重庆大学硕士学位论文 1 5 本课题研究意义和主要内容 1 5 1 本课题的来源和研究意义 本课题是重庆市科技攻关计划项目“小康纯电动微型物流市政汽车研发及示 范应用”( c s t c ，a b 6 1 2 6 ) 的研究内容，为了进一步提高汽车的续驶里程、制动安 全性和实现再生制动能量的合理回收，必须对电动汽车的电液复合制动系统及其 综合控制策略进行设计改进，以满足电动汽车的再生制动需求，本课题便在此背 景下进行的。 通过本课题的研究，提出了电动汽车电液复合制动系统的结构方案及其综合 控制策略，并对方案进行深入的仿真分析和探索，以实现纯机械制动、纯电机制 动、机电复合制动、a b s 防抱死制动与再生制动协调切换的有效集成，可应用于 现有电动汽车上，具有较大的实践意义。 1 5 2 本课题的主要内容 本课题以小康纯电动微型物流车为应用对象，进行了电液复合制动系统的软 硬件方案设计，制定了车辆各种制动模式切换的控制策略和综合控制策略。其主 要内容如下： 通过对传统汽车a b s 系统的分析，提出了基于a b s 硬件的电动汽车电液复 合制动系统的结构方案。基于a m e s i m 软件平台建立电液复合制动系统的关键零部 件的建模并进行其动静态仿真分析，最后建立整个电液制动系统的舢! s i i i l 仿真模 型，进行初步