（车辆工程专业论文）新能源汽车ehb系统算法与控制器实现研究.pdf

摘要 摘要 燃料电池汽车由于采用燃料电池发动机为动力源，驱动则采用电动机驱动， 因而传统制动系统在燃料电池汽车上使用时，存在真空助力装置失去可靠的真 空源和无法实现摩擦制动和再生制动的融合两个明显的不足。因此，可以说汽 车线控制动系统b b w ( b r a k e - b y - w i r e ) 技术是燃料电池和混合动力汽车的必然 选择，而作为b b w 实现的第一步，电液制动系统e h b ( e l e c t r o h y d r a u l i cb r a k e ) 在混合动力汽车和燃料电池汽车快速发展的今天必然有非常广阔的实际应用前 景。 本文基于超越3 号燃料电池汽车制动系统平台，在充分掌握电液制动系统 ( e h b ) 原理的基础上，形成了e h b 系统的总体设计方案；就目前的e h b 系统 和三通式比例减压阀，建立了e h b 系统数学模型，并对系统的未知参数进行了 辨识；设计了电液制动系统的控制器模块，采用了f r e e s c a l e 的h s c l 2 系列1 6 位 e c u m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 作为电液制动系统e h b 控制器的主芯片，并且完成了p c b 板的制作和调试：利用v b 开发上位机软件，通过串h r s 2 3 2 ，对数据信息进行 分析处理；建立了液压站一比例减压阀制动轮缸为主体的试验台架，形成了非线 性液压系统控制算法，在实验和分析的基础上，基本完成液压系统的控制功能， 达到了良好的控制效果，为以后课题的发展打下了结实的基础。 关键词：电液制动系统，脉宽调制，参数辨识，模糊p i d 控制 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s ef u e lc e l lv e h i c l e su s ef u e lc e l le n g i n ef o rp o w e rs o u r c e ，a n du s e e l e c t r i c a le n g i n ef o rd r i v i n g ，t h e r ea r et w oo b v i o u sd e f i c i e n c i e sf o rt h et r a d i t i o n a l b r a k i n gs y s t e m ：v a c u u mb o o s t e rd e v i c el o s e sr e l i a b l ev a c u u ms o u r c ea n dv e h i c l ec a n n o tb ea c h i e v e df r i c t i o nb r a k i n ga n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gi n t e g r a t i o n t h e r e f o r e ， b b w ( b r a k e - b y - w i r e ) i st h ei n e v i t a b l ec h o i c ef o rf u e lc a l la n dh y b r i dv e h i c l e s o w i n gt or a p i dd e v e l o p m e n t so fh y b r i dv e h i c l e sa n df u e lc e l lv e h i c l e sn o w a d a y s ， e h bh a sab r o a ds p a c ef o rd e v e l o p m e n ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s b a s e do nb r a k i n gp l a t f o r mo ff c vs t a r ti i ia n daf u l lg r a s po fe h b ( e 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 m ) ，t h ep a p e rf o r m se h bd e s i g np r o j e c t ；e s t a b l i s h e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe h b ，a n di d e n t i f i e ss y s t e m su n k n o w np a r a m e t e r s ； d e s i g n st h ec o n t r o l l e rm o d u l ew h i c hu s e sf r e e s c a l e sm c 9 s 12 d p 2 5 6 ba sm a i n c o n t r o l l e rc h i p ，a n dc o m p l e t e st h ep r o d u c t i o no fp c b ；u s e sv ba n dr s 一2 3 2t o a n a l y z ea n dp r o c e s si n f o r m a t i o n ；b u i l d st h et e s tb e n c hw h i c hi sc o m p o s e do ft h e h y d r a u l i cs t a t i o n - - p r o p o r t i o n a lv a l v e - - - - b r a k ec y l i n d e r , a n df o r m sn o n l i n e a rc o n t r o l a l g o r i t h mo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m b a s e do ne x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，t h ep a p e r c o m p l e t e sc o n t r o lf u n c t i o n sb a s i c a l l y , s oa st oa c h i e v eg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：e 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 m ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ，f u z z y - p i dc o n t r o l i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝储虢删砰 。 硝年夕月7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 3 年 、p 夕月1 日 第1 章引言 第1 章引言 汽车制动性能是安全行驶的重要保障。特别是近年来随着汽车技术的发展 以及车速的不断提高，这种重要性越来越明显。制动的概念早已不仅仅是人们 通常印象中的减速停车，而且参与到汽车行驶控制中，使汽车具有更良好的行 驶性能。此外，在能源问题日益严峻的形势下，人们开始研究新能源汽车，替 代传统的内燃机汽车，混合动力汽车已经为广大消费者所接受。这对汽车的各 个系统提出了新要求。在这种情况下，传统的制动系统对此越来越难以适应， 只能通过新型系统的研究来解决。 1 1 线控制动系统的背景及意义 电子化、智能化、网络化是现代汽车发展的重要标志。目前，世界汽车电 子产业正处于汽车技术大革命和汽车产业大调整的关键发展时期。随着科学技 术的发展，人们对汽车的动力性、经济性、安全性、操纵性以及舒适性提出了 更高的要求，汽车中的机械系统正在逐渐向机械电子系统转换【l j 。各种新的 电子装置已经广泛应用在汽车中，汽车电子化程度越来越高。在国外，特别是 一些欧美发达国家，电子设备已经占据整车价格的3 0 左右，在高级轿车上的比 例更高；在国内，中高级轿车电子装置的配置己经接近或达到了国外汽车工业 发达国家的水平。据权威人士预计，不久的将来，汽车电子技术在汽车制造成 本中所占的比例将超过6 0 【别。 从汽车诞生之日起，制动系统在汽车安全方面就扮演着至关重要的角色。 汽车制动系统的种类很多，形式多样。传统制动系统的结构形式主要有机 械式、气压式、液压式、气液混合式。它们的工作原理基本相同，都是利 用制动装置作用时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制 动减速，或直至停车的目的【引。伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动 力系统发生了很大的改变，出现了很多新的结构形式。新型动力系统的出现也 要求制动系统结构形式发生相应的改变。例如电动汽车没有内燃机，无法为真 空助力器提供真空源【4 】。 第1 章引言 汽车制动系统的发展和汽车性能的提高及汽车结构型式的变化密切相关， 制动系统是汽车的重要组成部分之一，是汽车安全行驶的重要保证，它直接关 系着人们的生命财产安全。因此，汽车制动系统要不断更新换代来完善结构、 提高性能，进而满足人们对汽车产品同益增长的要求。传统制动系统的制动管 路长，阀种类多，结构复杂，尤其对于轴距较长或带有挂车的车辆，制动传输 路线长，常产生反应慢等制动滞后现象，安全性降低，且制动系统的成本较高。 汽车线控制动系统是一种新型的机电一体化系统，解决了传统汽车制动系 统存在的制动管路长、阀类元件多、反应慢、安全性差等问题，与传统制动系 统相比具有很多优点：它用电子元件取代部分机械元件，并通过电线来替代部 分或全部制动管路，缩短了制动响应时间，提高了制动性能；省掉了很多制动 系统的阀类元件，节省了空间，质量轻；安装测试更简单快捷( 模块结构) ；制动 踏板特性一致。线控制动系统采用全新的电子制动器对汽车实施制动、电子控 制单元e c u 对系统进行整体控制，每个制动器都有各自的控制单元【5 】。 汽车线控制动系统，简称b b w ( b r a k e - b y - w i r e ) ，b r a k e - b y - w i r e 是x - b y - w i r e q b 的一种，指一系列智能制动控制系统的集成，它提供诸女i a b s 、车辆稳定性控制、 助力制动、牵引力控制等现有制动系统的功能，并通过车载有线网络把各个系 统有机的结合成一个完整的功能体系。它不同于传统的汽车制动系统，其特点 是：以电子元件代替部分机械元件，机械连接少，制动踏板和制动器之间动力 传递分离，取而代之的是电线连接，电线传递能量，数据线传递信号，并在电 子控制系统中设计编写相应程序，通过对电控元件的操控实现制动力的分配及 大小调节，可方便地实现a b s 及a s r 等功能。原有的制动踏板采用一个模拟发生 器替代，用以接受驾驶员的制动意图，产生、传递制动信号给控制和执行机构， 并根据一定的算法模拟反馈给驾驶员【6 】。 b b w 将是继a b s 之后汽车制动系统的又一次重大变革，对汽车技术的进一 步发展具有及其重大的意义。从常规制动系统的供能装置、控制装置、传动装 置、制动器4 个组成部分的发展历程来看，都已经不同程度地实现了电子化。人 作为整个控制系统的控制源，输出控制信号、启动制动系统、发出制动意图； 制动能源来源于蓄电池或其它供能装置；线控制动系统采用全新的电子制动器 和集中控制的电子控制单元e c u 进行系统的整体控制r 7 1 。目前，根据供能装置的 不同，线控制动系统分为两种类型：一种是电液制动系统e h b ( e l e c t r o h y d r a u l i c b r a k i n gs y s t e m ) ，另一种是电子机械制动系统e m b ( e l e e t r o m e c h a n i c a lb r a k i n g 2 第1 章引言 s y s t e m ) 。电液制动系统是将电子系统与液压系统相结合的制动系统。e h b 由电 子系统提供柔性控制，液压系统提供制动动力，是从传统制动系统到电子制动 系统的过渡：而电子机械制动系统( e m b ) 则以电能作为制动能量来源，由电机驱 动制动钳块，整个系统内没有液压管路，因此也就没有制动液体。传统制动系 统中的液压油或空气等传力介质完全由电能所取代。就目前b b w 的发展状况而 言，e h b 是实现汽车线控制动的第一步，e m b 则是未来线控制动系统的主要发 展方向【8 】。 1 2 电子机械制动系统( e m b ) e m b 以电能作为能量来源，由电机驱动制动钳块，整个系统内没有液压管 路，因此也就没有制动液体，机械连接很少，由电线传递能量，数据线传递信 号，所以又被称为线控制动系统。电子机械制动是一种全新的制动理念，它简 捷的结构，高效的性能极大的提高了汽车的制动安全性【9 j 。 历史上，e m b 首先应用在飞机上，现在正处于向汽车领域应用的研究和改 进阶段。e m b 与常规的液压制动系统截然不同，它的供能、执行和控制机构全 部需要重新设计，特别是执行机构，由电机驱动，要实现将转动转化为平动、 减速增矩等功能，是e m b 中机械零件集中的部分【l 们。从2 0 世纪9 0 年代起，一些 著名的汽车电子零部件厂商陆续开始了与e m b 相关的研究，从发表的专利来看， 现在b o s c h 、s i e m e n s 、c o n t i n e n t a lt e v e s 公司已经取得了部分研究成果，但仍然 只是处于研制试验阶段，并无批量装车产品进入市场，只有部分研究人员做过 一些系统仿真、装车试验等工作，申请的专利也比较零散【l 。 1 2 1e m b 的工作原理及特点 如图1 1 所示：当驾驶员踩下制动踏板，踏板位移传感器将制动意图发送到 中心控制模块。由它根据踏板位移，车速等车辆及驾驶员信号，控制安装在四 个车轮上的电机运动，再通过机械结构将电机输出力转化为推动制动钳的力， 从而实现汽车制动【1 2 】。 3 第1 章引言 图1 1e m b 的典型结构 其优点主要在于： 1 、机械连接少，没有制动管路，结构简洁，体积小。 2 、载荷传递平稳、柔和，制动性能稳定。 3 、采用机械和电气连接，信号传递迅速，反应灵敏，“路感 好。 4 、传动效率高，节省能源。 5 、电子智能控制功能强大，可以通过修改e c u 中的软件，配置相关的参数 来改进制动性能，易于实现a b s ，t c s ，e s p 等功能。 6 、模块式结构更加整体化，装配简单，维修方便。 7 、利于环保，没有液压制动管路和制动液，不存在液压油泄漏的问题，e m b 系统没有不可回收的部件，对环境几乎没有污染。 1 2 2e m b 系统的应用前景 电子机械制动系统有着传统液压制动系统无法比拟的诸多优势，在未来最 终取代液压制动系统已经成为汽车业界的一个共识。因为节能环保一直是汽车 新技术、新成果应用的主题，e m b 系统完全符合这一趋势【1 3 1 。电机控制技术和 电子技术的快速发展，尤其是大功率电子器件的小型化和大容量化以及集成电 路技术的应用，使得e m b 系统的技术平台更加先进，可靠性和经济性不断提高。 4 2 伏电源技术的不断进步和应用，能够进一步提高e m b 系统力矩电机的功率， 4 第1 章引言 增大了其可靠性和应用范卧1 4 1 。 1 2 3 发展e m b 系统需要解决的难题 目前发展e m b 需要解决的难题主要有以下几个： ( 1 ) 力矩电机的设计。在制动时，当制动垫块和制动盘接触后，e m b 中的力 矩电机将工作在“憋死”这样的恶劣工作条件下。e m b 不仅要求电机性能优越， 反应迅速，可以提供足够大的力矩，而且必须结构紧凑，体积小巧，能够安装 在狭小的制动空间内，还需要在冷、热、泥水、振动、电磁干扰等恶劣环境下 能够可靠工作【1 5 j 。 ( 2 ) 制动执行机构的设计。执行机构中的机械零件较多，结构复杂，如何有 效的传递扭矩，增大扭矩，并且保证体积小巧是一个难题。 ( 3 ) 成本的降低。有效降低e m b 中的力矩电机，4 2 伏电源，诸多传感器、m c u 、 集成电路等器件的成本将会更快推动e m b 的发展和应用【l6 1 。 1 3 电液制动系统e h b 的发展与应用 电控液压制动系统采用了电子式制动踏板，替代了传统的液压制动踏板， 取消了体积庞大的真空制动助力器。这种集成电子踏板单元传感器能精确地感 知驾驶者控制踏板的轻重缓急，并转换为电信号传递给电控单元e c u ，同时e c u 会根据不同的驾驶工况自动调节车轮的制动压力。制动系统动作迅速，缩短了 反应时间，减少了制动距离。 作为一种较为新型的制动系统，e h b 发展时间较短，但是具有很大的应用 潜力。目前各大汽车厂商和研究机构都在积极的开发e h b 系统1 1 7 】。 1 9 9 4 年，a n a l o g y 公司用s a b e r 仿真模拟的方法，开发出了一套电控液压制动 系统的控制系统。该系统由一个直流电动机带动的液压泵提供制动压力，制动 管路由电磁阀的开关进行制动压力的调节。同时，电子液压传感器检测实际的 轮缸制动压力，再汇集驾驶者控制制动踏板的动作信号以及轮速信号，对电磁 阀的控制加以反馈修正，保证对车轮施加合适的制动压力。 1 9 9 6 年，b o s c h 公司开发出一套全新的e h b 系统，该系统装在了试验车型上， 得到了满意的制动效果。 5 第1 章引言 该系统制动管路中液压的产生是靠一个高压蓄能器，其内储存的高压制动 液由电动机带动的液压泵提供。各个车轮制动器的制动管路相互独立，分别设 有各自的进液阀、回液阀、液压传感器和相应的控制算法，组成自己的闭环压 力控制系统。各控制部分的动作噪声低，迅速并具有高精确度。可以实现a b s ， a s r 以及v d c 等功能。该系统还设有备用制动系统，一旦e h b 系统失效，驾驶 者可以直接踩踏板驱动液压主缸，对车辆进行制动【i 引。 b o s c h 公司开发的这套系统在实际应用中也取得了巨大的成功，无论在缩短 制动距离还是保证车辆稳定性方面都得到了市场的认可，其结构上全新的设计 理念，立刻成为各大汽车研发部门争相学习的对象。t r w ，d e l p h i ，c o n t i n e n t a l t e v e s 等公司继而也开发出了类似的e h b 系统，并于2 0 0 0 2 0 0 2 年前后发表了一系 列的专利【1 9 1 。 2 0 0 1 年9 月，b o s c h 为b e n s 公司开发的传感器制动控带l j ( s e n s o t r o n i cb r a k e c o n t r 0 1 ) 的e h b 系统在法兰克福国际汽车展上首次展出，当时装备在b e n s 的新型 的m e r c e d e ss l 跑车上。继而在2 0 0 2 年装备在新型的m e r c e d e se 级车上，并力求 将s b c 作为该型车的标准配置。2 0 0 3 年装备在e s t a t e 型车上，并在同年首次推出 了加装在e c l a s s4 m a t i c 型车上的四轮驱动s b c ，这是首次将此项技术应用在系列 化生产的汽车上。 b o s c h 公司与戴姆勒克莱斯勒( d a i m l e r c h r y s l e r ) 公司共同合作开始批量 生产e h b ，2 0 0 5 年已普遍装备在各式中高档车型上。c o n t i n e n t a lt e v e s 也在2 0 0 3 年开始了其e h b 的计划，e h b 系统结构如图1 2 所示。美国专利号6 8 1 7 6 8 1 。 图1 2t e v e s 公司的e h b 系统 6 第l 章引言 大众公( v o k s w a g a n ) 的某些g o l 斜既念车型也配备t c o n t i n e n t a l 开发的，正处 于实验阶段的e h b 系统。 2 0 0 3 年，t r w 公司通过应用m a t hw o r k s 公司的m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 和d s p a c e 公司的硬件平台加快了e h b 的功能开发，有资料表明e h b 将被欧 洲大的汽车生产商应用在其旗舰车型上。 1 4 电液制动系统e h b 的基本原理和结构 1 4 1e h b 的基本结构 e h b 是将电子系统与液压系统相结合的制动系统，主要由高压油产生部分、 电子踏板、电子控制单元( e c o ) 、液压执行元件( 阀类元件) 等组成。电子踏板主 要由制动踏板和踏板位移传感器组成【2 0 1 。 e h b 系统的主要组成部分简要介绍如下： ( 1 ) 高压油产生部分：主要由蓄油器，液压泵，电机，蓄压器，单向阀组成。 ( 2 ) 踏板位移传感器：识别驾驶员的制动意图，用于检测踏板位移并将位移 信号转换为电信号传输给e h b 的电控单元，也就是向e c u 传递信息，踏板位 移和力可按比例进行调控，实现e h b 系统的制动随动作用。 ( 3 ) 制动控制单元( e c u ) ：e c u 是系统的核心，接受各种电信号，识别车轮 运动状态，进而控制各车轮的制动力大小，实现制动过程的精确操控。 ( 4 ) 轮速、压力传感器：能够准确、及时、可靠地获得车轮的速度及制动油 压大小。 ( 5 ) 电源：为整个制动系统正常运转提供稳定、可靠的能源。 1 4 2e h b 的工作原理 e h b 采用电子踏板取代传统制动系统中的制动踏板，用来反映驾驶员的制 动意图，产生制动信号并将其传递给电控单元，电控单元向执行元件发出制动 指令的同时还将制动强度大小的信息反馈给驾驶员，保证驾驶员有足够的踏板 感。 在制动过程中，车轮制动力由e c u 和执行器控制，踏板位移传感器不断的 7 第1 章引言 将踏板位移信号转换为电信号，并将其输入到电控单元。e c u 将根据控制信号 调节电液制动阀的开度，进而调节轮缸上的制动压力。在制动过程中，e c u 还 可以根据轮速传感器，压力传感器等其它各种信号进行分析计算，实现a b s ， a s r 等功能。为了达到系统的安全性，系统中设计有后备冗余液压系统，以保 证控制系统在失灵时仍有制动能力，确保安全。 汽车e h b 系统是利用电信号，将驾驶员的制动命令传递到一个微控制器 e c u 中，由它同步处理其他各路传感器信号，并根据特定行驶状态计算每一个 车轮的最佳制动力。 首先，由电子踏板中集成的位移传感器感应驾驶者施加在踏板上的行程速 度及力的大小，以识别驾驶者的制动意图；然后，e h b 电控单元( e c u ) 根据系 统电气线路传输来的相关信号计算出各车轮所需的制动力；接着，液压执行单 元根据e h b 的e c u 输出的控制指令通过高压蓄能器分别向各车轮精确施加所 需的制动力，使得车辆更快速、更稳定地制动或减速。所以，e h b 制动是由感 应、计算、电控执行制动过程构成的线控制动系统。e h b 系统的制动力不是由 液压或气压装置控制，而是由电子控制的电机来实现。电子控制器发出控制信 号，控制制动驱动器电机，电机带动液压泵向蓄能器泵入高压油，实现制动所 需的制动力。在该系统中，每个车轮可以得到独立的控制，这样保证了汽车制 动过程中的稳定性【2 1 1 。 1 4 3 汽车e h b 系统与传统制动系统的比较 e h b 与传统制动系统的不同点： ( 1 ) 液压产生：在传统的制动系统中，驾驶员通过对制动主缸的作用，在制 动主缸与轮缸间建立制动压力；而电液制动系统则是通过液力蓄能器提供制动 压力，所储压力由电动液压泵产生。 ( 2 ) 液压分配：传统的制动系统只是均匀的分配制动所需的液体压力，当踩 下制动踏板时，制动主缸就将等量的制动液送往各制动器的制动管路，并通过 比例阀来分配前后制动器中的液体压力；而e h b 则根据传感器所采集到的各种 信息，通过e c u 计算出各制动器所需的最佳制动力，并将其分别施加于各制动 轮上，制动效果良好。 ( 3 ) 动力传递：电液制动系统的制动踏板和车轮制动器之间没有机械连接， 8 第1 章引言 制动过程时，制动力由e h b 电子控制单元提供柔性控制，替代了传统的纯机械 传递方式。 ( 4 ) 元件连接：e h b 用电线取代部分制动管路，缩短了制动管路的长度，并 可省去一些制动管路中的阀类元件，节省空间。 e h b 相对于传统制动系统的优点： ( 1 ) e h b 可以提供平稳的停车功能，使停车过程变得平顺柔和，大大提高了 车辆制动舒适性。 ( 2 ) 整个制动系统结构简单紧凑，省去了传统制动系统中的部分管路及液压 阀等部件，且不需要真空助力装置，使整车质量减小，腾出汽车前部的大量空 间，因此，提高了汽车碰撞安全性，同时还使发动机性能得到改善，提高了汽 车燃油经济性。 ( 3 ) 取消了部分液压部件而采用模块结构，汽车装配变得更加灵活，维护更 加方便。 ( 4 ) 传统汽车制动系统制动管路长，阀类元件多，制动系统反应慢，安全性 较差；而电液制动系统采用踏板模拟器，不仅踏板特性得以改善，而且有效地 缩短了制动响应时间，提高了制动灵敏度和制动安全性。 ( 5 ) e h b 不仅能缩短制动距离，而且能保持车辆良好的行驶方向稳定性；还 能弱化由制动器摩擦片磨损等原因造成的制动效果下降，提高了制动效能。 ( 6 ) e h b 所需的制动踏板力较小，踏板没有脉冲回振，从而提高了驾驶员的 驾乘舒适性。 ( 7 ) 易于改进，稍加改进就可以增加系统的功能。 ( 8 ) 此外，e h b 还具有清干功能，当车辆在湿滑路面上行驶，微弱的制动脉 冲可以清干制动片上的水膜，确保制动的有效性。 1 4 4e h b 系统研究现状及本文的研究内容 随着新能源汽车和混合动力汽车的异军突起，传统制动系统的弊端凸现出 来，主要有： 1 、真空助力装置将失去可靠的动力源。一般的真空助力装置的真空源来自 于发动机进气管负压，而新能源汽车，如氢燃料汽车，不存在负压的进气机构， 混合动力车也经常会工作在发动机不工作的纯电动状态。 9 第1 章引言 2 、无法实现摩擦制动和再生制动的融合。传统的制动系统只要制动踏板动 作则必然形成液压制动力，从而无法形成对再生制动能量的灵活控制。 因此，可以说b b w 技术是燃料电池和混合动力汽车的必然选择，而作为 b b w 实现的第一步，e h b 系统在混合动力汽车和燃料电池汽车快速发展的今 天必然有非常广阔的实际应用前景。 从以上的分析中，本课题主要研究根据新能源汽车对制动系统提出的新要 求，对应地比较传统制动系统不足之处。在此基础上对原车的制动系统进行改 进，以适应最迫切需要解决的传统制动系统对新能源汽车的制约之处，即实现 去除真空助力器，断开制动踏板与制动管路的连接，实现电子精确控制轮缸压 力，并且控制过程具备良好的动态响应。 本文的主要工作和章节安排： 1 、提出电液制动系统e h b 的总体设计方案，建立e h b 系统模型。对系统 的未知参数进行辨识，这部分内容将在第二章中详细介绍。 2 、从电液制动系统e h b 电控系统功能需求分析入手，在选定主控芯片的 前提下，设计电控单元e c u ，设计调理及驱动电路原理图，在考虑电磁兼容性 的基础上，展开p c b 板结构设计，这部分内容将在第三章中详细介绍。 3 、上位机的设计。可凭借上位机和p c 机的强大功能对实验数据进一步的 分析和处理，这部分内容将在第四章中介绍。 4 、针对电液制动系统e h b 的液压控制，提出行之有效的控制算法，并进 行实验验证，这部分内容将在第五章中详细介绍。 在以上的研究内容的基础上，本文最后将对全文工作进行概括和总结，并 对今后的工作提出展望。 1 0 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 2 1 电液制动系统e h b 设计方案 基于国家8 6 3 电动汽车项目超越系列燃料电池汽车为平台，开发出一套 电液制动系统，此系统是将电子与液压系统相结合所形成多用途多形式的制动 系统。e h b 由电子系统提供柔性控制，液压系统提供动力。整个系统组成框图 如图2 1 ，系统主要包括e h b 的e c u 、蓄压器、三通比例减压阀。其中e c u 是系 统的核心，它负责根据蓄压器压力、轮缸压力等参数来控制蓄压器电机、电磁 铁输入电压，从而达到最佳的轮缸压力，实现制动过程的精确操控。油路由蓄 油器、液压泵、电机、蓄压器、单向阀组成。 图2 1e h b 系统组成框图 主要部件按照功能分成3 个部分。 ( 1 ) 高压油产生部分 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 主要由蓄油器、液压泵、电机、蓄压器、单向阀组成。由直流电机驱动液 压泵将蓄油器中的低压油输入至高压蓄压器，油路中设置单向阀实现单向输送。 储压器中最高压力2 0 m p a ，最低压力1 2 m p a 。蓄压器为气体弹簧储压，储压过程 为等温压缩过程。液压泵可选择叶片泵或者柱塞泵，要求流量小，压力高，容 积效率高。 ( 2 ) 制动压力调节部分 主要由比例减压阀及相关油路组成，线圈的电流大小正比于电磁力。比例 减压阀打开后，制动管路的压力反馈到阀的后部，当反馈的液压力与电磁力和 两个弹簧力之和相等时，控制阀关闭，制动压力保持。 图2 2e h b 制动过程图 积 工作过程如图2 2 所示：驾驶员踩下制动踏板，踏板力经杠杆机构作用在踏 板导杆的左端，使导杆右移。在空行程c 内，平衡弹簧为自由长度，控制阀关闭， 制动管路中没有压力，制动力可以由再生制动产生。当踏板力较高，如果再生 制动的能力不足，则由电磁力克服滑阀的回位弹簧打开控制阀，高压的制动液 经p 口从蓄能器流入制动管路，制动管路压力上升。同时制动管路压力反馈到滑 阀的后部，产生反馈压力，当反馈压力与弹簧回位力之和与电磁力相等时，控 制阀关闭，制动管路产生相应的制动压力，实现制动过程。 当电气系统故障时，虽然电磁力不起作用，仅有踏板力经平衡弹簧作用在 控制阀上，但是仍然可以提供一定的制动管路压力，实现备份制动。 ( 3 ) 制动管路和轮缸部分 此部分的全部零件仍然采用原车方案，管路、轮缸等仍然不变。管路最高 工作压力为1 2 m p a 。 1 2 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 2 2 三通比例减压阀 本文采用a t o s 公司的r z g o 型三通式比例减压阀，其结构如图2 3 所示。 p 口通蓄压器的高压油。t 口为回油口，通油箱。a 口通向制动轮缸。为便于 分析，阀芯置于中位。当电磁铁通电，输出电磁力将阀芯拉向右，打开p 口， 高压油通向制动轮缸。制动管路压力从反通油道作用阀芯，形成反馈力。当反 馈力与电磁力平衡时，阀芯再次回到中位，轮缸压力保持。制动结束后，电磁 力消失。 tp a 图2 3 三通比例减压阀的结构 三通式比例减压阀的核心部件比例电磁铁作为电液比例控制元件的电 机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移。 它推力大，结构简单，对油液清洁度要求不高，维修方便，成本低，衔铁腔可 做成耐高压结构，是电液比例控制系统中广泛应用的电机械转换器件【2 2 】。 比例电磁铁的结构如图2 4 所示，磁路为外壳，上轭铁经气隙6 进入衔铁， 之后分两路，一路氟穿过工作气隙进人盆底面，另一路拓经气隙进人盆底极靴 的锥面。最后都进入外壳。因衔铁被上、下轭铁所包围，衔铁与磁轭之间的漏 磁通仅产生径向力，磁轭与线圈间的漏磁通产生类似于“螺管力的力，但这 个力作用在磁轭上。因此，对于衔铁被导磁体包围的闭式螺管电磁铁、衔铁上 基本没有螺管力存在，可以忽略。电磁吸力主要是由在盆底极靴处分流的磁通以 和：产生。其中识沿轴向穿过工作气隙进入盆底产生端面力e ，而织穿过盆底 锥形周边，再通过端盖回到外壳，形成锥面力尼。综上所述，盆底结构螺管电 磁铁的螺管力可以忽略，而表面力由作用于盆底的端面力只以及作用于锥面的 锥面力尼构成，而水平吸力的产生是由于通过盆底面的磁通么和锥面的磁通拓 的分配不同而获得。 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 ( 1 衔铁，2 上轭铁，3 底面，4 隔磁环，5 锥面，6 盆底极靴) 图2 4 比例电磁铁结构 当衔铁运动时端面力与锥面力此消彼长，以致形成水平力特性，如图2 5 所示。 图2 5 比例电磁铁的力特性 由图2 5 可知，在比例电磁铁衔铁的整个行程范围内，控制特性并非全是水平 特性。它可分为三个区段，如图2 6 所示。在工作气隙接近零的区段，输出力 急剧上升，称为吸合区i 。这一行程区段不能正常工作。因此，在结构上加限 位片的方法将其排除，使衔铁不能移动到该区段内。当工作气隙过大时，电磁 力输出明显下降，称为空行程i 。这一区域虽然不能正常工作，但有时是需要 的。如采用两个比例电磁铁驱动的比例方向阀，当通电一侧的比例电磁铁工作 在工作行程区时，另一侧不通电的比例电磁铁则处于空行程区。除吸合区i 和空行程区外，具有水平位移力特性的区段i i ，称为工作区。工作区的 长度与比例电磁铁的类型有关。这种耐高压单向比例电磁铁一般为湿式直流电 磁铁，与普通直流电磁铁相比，根本的区别就在于二者是否具有水平的位移一 一力特性，如图2 6 所示。普通直流电磁铁的推力在其推动负载的全行程中发 生了很大变化，但根据开关控制的要求，只要其最小推力能克服阀芯上的最大 1 4 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 负载即可。 图2 6 比例电磁铁与普通电磁铁吸力特性比较 当然，在比例电磁铁中，衔铁与导套之间的摩擦力会影响比例电磁铁的滞 环大小。为了减小比例电磁铁的线圈磁滞和运动副摩擦力对比例阀控制精度的 影响，可以采用在控制电信号里叠加一定频率的交流信号作为颤振信号的方法， 使滞环明显下降。颤振信号的作用是在衔铁里产生一个幅值较小的连续的附加 振动，使阀芯始终处于运动状态，从而消除静摩擦力对控制性能的影响。实验 证明，颤振信号对减小铁磁材料的磁滞带来的滞环也同样有效。工程上通常取： 芘= ( o 0 7 5 0 1 2 5 ) i 。 f o = 1 0 0 - 2 5 0 h z 式中 i 。比例电磁铁额定电流( a ) ； f 。颤振信号的幅值的最大值。 颤振信号一般按以下原则叠加进行控制信号： ( 1 ) 波形采用正弦波或三角波，也可采用矩形波。 ( 2 ) 最大幅值以能消除滞环的影响、系统不出现颤动( 或高频抖动) 为原则。 ( 3 ) 颤振信号的频率要远大于比例阀的最大频宽，但其频率还受到比例电磁 铁中弹簧质量系统的惯性和铁磁材料的涡流损耗的限制，一般为比例阀宽频的 8 1 0 倍。 加上适当的颤振信号后，开环控制比例阀的滞环可减d , n3 5 。 2 3 制动系统数学模型建立 1 5 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 2 3 1 比例减压阀 2 3 1 1 比例电磁铁 比例电磁铁的简化电路如图2 7 所示： 图2 7 比例电磁铁的简化电路 ( 1 ) 线圈回路的电压方程 线圈上的电压方程为： 姒f ) _ ( r c + 谳) + 丘等 式中 “，( f ) 一输出电压( v ) ； 三，一线圈的电感( h ) ； 尺，一线圈电阻( q ) ； 名- 采样电阻( q ) ； 讹) 一通过线圈的电流( a ) 。 比例放大器通过取样电阻将流过线圈的电流砸) 形成电压信号后，反馈到 控制器的a d 输入端。取样电阻环节可视为比例环节，即 u t ，( f ) = 巧f i ( t ) ( 2 1 ) 式中 k i ，一采样电阻； u i f ( f ) 一线圈电流流经取样电阻勺产生的电压( v ) 。 1 6 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 在反馈通道中，反馈电压经过同相比例放大并n d , 电容滤波电路，如图2 8 所示。 c l 图2 8 滤波放大电路 根据控制理论算出其传递函数为： l + 鱼! 垒( 2 2 ) 1 + 马c l s ( 2 ) 衔铁输出的推力方程 比例电磁铁属于励磁式电机械转换器件，控制电流在线圈中产生磁通矽。 通过比例电磁铁特殊的结构设计，该磁通被隔磁环分成两路磁通办和办。衔铁 在磁场中受到的电磁力为： 以( f ) = ( 讹) ) 2 ( 2 r 譬，) ( 2 3 ) 式中 以( f ) 一电流在衔铁上产生的电磁吸力；该吸力就是推杆输出的推力； 一线圈匝数； r g 一气隙磁阻，r g = ，胁a ； ，一隙长度( 呻； o 一真空导磁率( h m ) ，o = 4 n * 1 0 ； 彳气隙部位垂直于磁力线的面积( m 2 ) 。 对式( 2 3 ) 进行线性化处理可得： 丘( f ) = k ，f ( f ) + k 。x o ) ( 2 4 ) 式中 k ，一比例电磁铁的电流力增益； k 搿一比例电磁铁的电磁弹簧刚度。 1 7 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 由于比例电磁铁具有水平的位移力特性，故k 。是一个极小值，忽略不计。 ( 3 ) 衔铁上的力平衡方程 衔铁需要克服的负载包括衔铁以及所驱动部件的惯性力、阻尼力、弹簧力。 因此，衔铁上的力平衡方程为： 肿) 巩了dz x ( t ) + e 警+ 即+ 小) ( 2 5 ) 式中 m ，衔铁以及它所驱动部件的质量5 艿。一比例电磁铁的综合阻尼系数； k , t 一弹簧刚度； 厶( f ) 一衔铁工作时需要克服的负载力。 对以上各式在初始条件为零的情况下进行拉氏变换，经整理得： u g ( s ) = ( 尺。+ 名) + 三。s 】j ( s ) ( 2 6 ) e o ) = k l ，( s ) ( 2 7 ) k j _ ，( j ) = ( m 。s 2 + b e s + k “) x ( s ) + 乃( s ) ( 2 8 ) 由式可绘出比例电磁铁( 含比例放大器) 的传递函数方程框图如图2 9 所 示： t f l n s i l t tf m 2 图2 9 比例电磁铁的框图 2 3 1 2 比例减压阀阀体 在建立比例电磁铁数学模型时，已将阀芯与衔铁看作一个整体，力平衡方 1 8 第2 章e i - - i b 系统的总体设计和建模 程已经列出。现只需写出流量方程。由于阀口在中位来回波动时，制动液流向 不同，故应有两个流量方程。以图示2 7 位置为零位，即x = 0 。右移为正向。 流量方程为： = 二嚣砧1= c ：幸彳- 牵x 吾p t ，x 。j ( 2 9 ) 式中 q 一为流量系数，取q = o 6 5 4 一为阀的开口面积； p 。一为蓄压器压力； p 一为液压阀腔内压力，也即反馈压力； p 一为油液密度。 由于流量方程是非线性方程，不便于求得系统的传递函数。因为阀芯实质 上只是在中位附近运动，流量的变化是连续的，最终的稳态位置在中位。因此 可以采取小偏差法，即在很小的范围内，将非线性特性用一段或几段直线代替。 对式( 2 9 ) 取线性化增量方程可得到： q = k q x k c p i ( 2 1 0 ) 式中 = 罢叫 2 ( p o - p 1 ) t：善：cd*a面i*x*矿2(po-p1)oplz t p o p l j = 罢吖4 宰历 t ：石o q ：c d * a i * x * 1 2 p 1 2 p l印1 1 9 x o x o 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 由于阀芯工作在零位附近，故后。和后。均应选择零位值。为了保持系统在零 位附近具有平稳的动态品质，最好使阀芯的进回油的零位系统相等，因此通过 活塞面积的选择使p 。= o 5 p 。此时零位流量系数 2 q t 叫告 ( 2 1 1 ) 忽略油液的泄漏，因为x = 0 ，所以后。= 0 为零。 故而阀口的流量方程可简化为 q = 尼。o 宰x ( 2 1 2 ) 2 3 2 制动管路 采用集中参数法，管道内的液柱看成是一个集中质量， 可压缩性并在一起考虑，层流。 油柱的受力平衡方程和液流连续性方程如下： p l = p 2 + r q 2 + l q 2 g = q 2 + 印2 其中： r ：望墼，l ：照，h ；一a 2 i t 翮：a 、k 管内摩擦力和油液 式中：a 制动管路的输入端压力，即制动主缸内油液压力； 岛制动管路的输出端压力，即制动轮缸内油液压力； 场制动管路的输入端流量，即制动主缸的输出流量； 踢制动管路的输出端流量，即制动轮缸的输入流量； 4 制动管路的截面积； 口2 制动管路的直径； r 制动管路的长度； k 油液等效体积弹性模量； 油液的动力粘度； p 油液的密度。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第2 章e h b 系统的总体设计和建模 2 33 制动轮缸 将制动轮缸视为一根弹簧，忽略其质量和阻尼，则力学方程如f ： a 2 p 2 = k 2 x 2 ( 21 5 ) g = 4 也 ( 2 1 6 ) 一：为制动轮缸活塞面积，p ：制动轮缸内的油液压力，0 2 轮缸的输入流量 五为轮缸括塞位移，k 为车轮制动器的刚度。