（车辆工程专业论文）混合动力汽车制动能量回收与abs集成控制研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 摘要 混合动力汽车制动能量回收与a b s 集成控制研究 摘要 制动状态下的能量回收是提高混合动力汽车( h e v ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 燃 油经济性和延长其行驶里程的一项重要技术，在制动过程中，电动机作为发电机来 使用，回收的能量以电能的形式存贮到电池中。制动能量回收技术是目前混合动力 汽车制造商广泛采用的一项技术，通过电机的辅助制动，通常情况下可以将制动过 程中车辆的部分动能回收到蓄电池，极大的提高了能量利用率。考虑到电机的制动 效能以及制动稳定性，当前的混合动力汽车大都采用电、液制动相结合的混合制动 方案，即保留了原有的a b s ( a b s ：a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 液压制动控制系统。 因此，如何在确保制动安全性的前提下，使能量回收制动和a b s 液压制动协同工作， 最大限度回收能量就成为混合动力汽车研究的关键性技术之一。本文以国家“8 6 3 计划”混合动力轿车项目及其整车控制系统子课题为背景，主要研究混合动力汽车 的电、液混合制动控制策略及其在实车上的应用。 制动控制策略的设计是混合动力汽车制动控制系统开发的关键环节，是一个涉 及复杂问题决策和非线性时变系统控制的复杂问题，由于混合动力汽车的制动系统 涉及电、液两个系统的协同工作，因而建立能够反映制动系统实际情况的仿真数学 模型非常困难，同时，由于路面附着条件的影响以及驾驶员制动意图的不确定性， 也增加了制动控制策略设计的难度。本文从制动安全性和能量回收效率两方面出发， 做了如下几个方面的工作：混合动力汽车制动控制系统仿真建模；制动控制系统综 合控制策略( c b c s ：c o m b i n e db r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g y ) 的设计和研究；基于最 优滑移率及制动力矩动态分配的模糊控制策略( f c s ：f u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y ) 的研究以及制动控制策略的实车试验研究和验证。 本文建立了适合混合动力汽车制动系统仿真分析的动力学模型。这是混合动力 汽车制动系统控制策略开发的重要组成部分，直接关系到制动控制器的开发效率和 精度。制动系统动力学模型主要包括整车模型，非稳态半经验轮胎模型，a b s 液压 系统模型，电机及其控制系统模型，电池及其控制系统模型。建模过程采用实验建 模与理论建模相结合的方法，其中对轮胎非稳态半经验模型和基于a b s 液压调节器 的液压系统模型进行了较为深入的研究，为扶取必要的计算参数进行了相应的试验 测试。通过电机和电池的台架试验分别获取了电机和电池的输入输出特性。仿真和 试验结果都表明文中建立的制动系统动力学模型正确且稳定有效，能够满足实时控 制精度要求及后续研究工作需要。 在建立制动系统动力学模型的基础上，搭建了整车制动系统仿真平台，基于此仿 真平台，分析了混合动力汽车在制动状态下的能量管理策略，对制动模式和能量回 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ea b o v ew o r kh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no ff u z z yl o g i cc o n t r o li nt h e r e a l h e v t h el a s tp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h er e s u l t so ft h er e a lv e h i c l ef i e l dt e s to n c h a s s i sd y n a m o m e t e ra n dp e r f o r m a n c er o a d t h ee x p e r i m e n to nc h a s s i sd y n a m o m e t e r v a l i d a t e st h ec o m b i n e db r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g y ( c b c s ) f o rn e d cd r i v i n gc y c l e ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h ec b c sc o n t r o ls t r a t e g yc a nc o n t r o l t h eb r a k i n gt o r q u e e f f e c t i v e l y , t h ew e l la g r e e m e n to f t h er e g e n e r a t i v ee f f i c i e n c yb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n d r e a lt e s td e m o n s t r a t e st h eh e vm o d e ld e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni se x a c te n o u g hf o r a n a l y s i sb r a k i n gc o n t r o ls y s t e m t h ee x p e r i m e n to np e r f o r m a n c er o a di se x e c u t e do nt h r e e k i n da d h e s i o nc o e f f l c i e n t sr o a d ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h ec b c sc o n t r o ls t r a t e g y c a na c h i e v eag o o db r a k i n gp e r f o r m a n c ew i t he m e r g e n c yb r a k i n gc o m m a n d ，t h e e f f e c t i v e n e s sa n ds t a b i l i t yo fb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o v e dt or e a c ht h a to fo r i g i n a l b r a k i n gc o n t r o ls y s t e m a so n eo ft h em a j o rk e yt e c h n i q u e so fh e v , t h er e s e a r c ho fb r a k i n gc o n t r o lt e c h n i q u e p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nh e vs t u d ya n dd e s i g n ，t h es i g n i f i c a n c e o ft h ew o r ki nt h i s d i s s e r t a t i o nl i e si ni m p r o v i n gt h ed o m e s t i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eh e vb r a k i n g c o n t r o ls y s t e m k e y w o r d ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，a n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e mi a b s ) ，b r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g y , f u z z yl o g i c c o n t r o l ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ，v e h i c l ef i e l dt e s t v 上海交通大学博士学位论文 符号说明 符号说明 ( 按章节顺序排列) 整车质量( 堙) 簧载质量( 七g ) 前轴非簧载质量( 堙) 后轴非簧载质量( 堙) 质心到前轴的距离( 肌) 质心到后轴的距离( 肌) 后轮距( 掰) 前轮距( 肌) 车身绕：轴转动惯量( k g m 2 ) 车身绕工轴的转动惯量( k g m 2 ) 车身关于船轴的惯性积( k g m 2 ) 第 ，个车轮的轮胎纵向力( i = f ，r ，= 厶r ) ( ) 第i 个车轮的轮胎侧向力( i = f ，r ，j = 厶r ) ( ) 第i j 个车轮的角速度( f = 尸，r , j = l ，r ) ( t a d 8 - 1 ) 前、后轮胎总纵向力( ) 前、后轮胎总侧向力( ) 滚动阻力( j ，) 第i 个轮胎转动惯量( f = f ，r ，j = 厶r ) ( k s m 2 ) 轮胎动力半径( 肌) 车辆沿算，y 方向速度伽s 以) 车身横摆角( r a d ) 和车身横摆角速度( r a d $ - 1 ) 自回正力矩( 等于四个车轮回正力矩m 以，m 撇，m 皿，肼枷之和) ( 埘) 转向轮转角( 左前轮和右前轮转角相同皖= 靠= 硝 分别绕毛工轴力矩( m ) j ，y 方向的空气阻力( ) 车轮滚动阻力矩( i = f ，r , j ；厶r ) ( m ) 制动力矩( i = f ，尼_ ，= l ，r ) ( 脚) 空气阻力系数 迎风面积( 埘2 ) 整车质心高度( 珊) 簧载质量质心到侧倾中心距离( 肼) 前轴侧倾中心距离地面高度( m ) 后轴侧倾中心距离地面高度( m ) 前轴非簧载质量质心距离地面高度伽) 后轴非簧载质量质心距离地面高度( 肼) 侧倾角( t a d ) 和侧倾角速度( r a d $ - 1 ) 前后轴的侧倾角刚度( i v r n 一) v i f r 冒 瑚 醇 矿 扩 m鸭0露办厶k如岛吩 一讪乃墨”m艿一一q 4吃-以k蚴 上海交通大学博士学位论文 符号说明 s g n o 缈 v m , v ，m r o a x ，q f ”f ，f z 气。乙 q ， 暖 正 仉 南 3 t 3g 厶 q z ，正： 3d 乃 f 西z ，j - 置 q l f z 删 以o ，d i ，d 2 ，d | 口l 一嘞， 6 i - b , c l c l o d p s ”s y l l y k ，k p k 。k 计 么，钐 屹 地面垂直反作用力( i f f ，r ，= l ，r ) ( 尬一， 车轮侧偏角( i = 只足，= l ，r ) ( r a d ) 符号甬数 风速与行驶速度方向的夹角( t a d ) 沿x 方向和】，方向的风速( 用s - 1 ) 非惯性坐标系下车辆质心处加速度分量( m s - 2 ) 地面总纵向力( ) ，总侧向力( ) ，总垂直反作用力( ) 发动机稳态输出力矩( m ) ，发动机实际输出力矩( m ) 发动机节气门开度( 呦，发动机曲轴转速( r a d $ - 1 ) 发动机力矩修正系数 传递到差速器壳上的力矩( m ) 曲轴到差速器的传动效率( 呦 变速器传动比 主减速器减速比 发动机飞轮转动惯量( k g m 2 ) 变速器齿轮副转动惯量( k g m 2 ) 变速器壳转动惯量( 堙m 2 ) 差速器壳回转角速度( r a d $ - 1 ) 分配到左前轮和右前轮上的发动机力矩( n m ) 差速器行星齿轮的转动惯量( k g m 2 ) 差速器行星齿轮的角速度( t a d $ - i ) 差速器行星齿轮半径( 册) 半轴输入端半径( 册) 差速器摩擦阻力矩( 哟 轮胎总切向力( j ) 无量纲轮胎纵向相对滑移率和侧向相对滑移率 轮胎模型的曲率因子 路面附着系数 气胎拖距沏) 无量纲标称载荷 轮胎在标准充气压力下最大载荷( ) 轮胎模型拟合参数 轮胎模型拟合参数 轮胎模型拟合参数 轮胎模型拟合参数 轮胎垂直载荷横向偏距( 朋) 轮胎纵向滑移率和侧向滑移率 无量纲轮胎纵向和侧向松弛长度 轮胎纵向和侧向刚度( m _ 1 ) 轮胎纵向和侧向平移刚度( m - 1 ) 轮胎纵向和侧向滑移速度( m j 1 ) 车轮转速( 脚s - 1 ) i x 上海交通大学博士学位论文 符号说明 f h e | ，t | u i u d 4 k l k b q r 圪 瓯 q r e r r e 巴 只 只 k 。 轮胎阻尼刚度比 车轮稳态滚动阻力矩( i = f ，冠_ ，= l ，尺) ( 历) 滚动阻力系数 滚阻增长系数 轮胎临界转速( t a d $ - 1 ) 轮胎滚动阻力矩松弛角度( r a d ) ，滚动阻力矩松弛时问( s ) 增，减压过程中轮缸压力变化率 节流阀口的通流截面积( 卅2 ) 制动液体积弹性模量( m p a ) 制动器综合刚度( m 一) 由节流阀口形状、液体流油液性质等因素决定的系数 由节流阀口形状决定的节流阀指数 制动轮缸容积( 历3 ) 轮缸的连续流量( 小3 s _ 1 ) 制动轮缸的等效液容 液压阀口的等效液阻 增压时集中等效液容 增压时集中等效液阻 减压时等效液阻 主缸制动压力( m p a ) 轮缸制动压力( m p a ) 低压蓄能器压力( m p a ) 轮缸的等效体积弹性模量( m p a ) 沿程阻力系数 圆管长度t i n ) 和圆管直径( 肼) 液体的密度( k g m _ 3 ) 液体的平均流速墨。1 ) 局部阻力系数 电磁阀和管路传输滞后时间( j ) 电磁阀控制指令信号 减压时节流指数 制动器活塞上的正压力( ) 制动器摩擦系数 轮缸活塞的位移( 历) 等效制动器刚度( m - 1 ) ，粘性阻尼( 小m 。) 等效到轮缸活塞上的运动质量( 姆) ，活塞横截面积( 辨2 ) 系统干摩擦力( ) 制动器阻尼系数 制动器固有频率( 胁) 制动效能因数 有效制动半径( 研) 车辆动能( ，) x p ，p 一 一以 缶埘p v f铀地f心弓 兰海交望奎堂堡主堂垡笙奎 丝兰亟塑 - - _ _ _ _ l _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - l - _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - - _ - 。- - _ _ _ _ _ l - _ 。_ l - _ - - 。l _ 。一一一 瓯一 ， c p 衙，cp 阚州 制动起始车速和结束车速( m $ - i ) 一 电机发电电能( j ) 电机转动惯量( 姆m 2 ) 电机的转矩( 州) 电机当前转速下可用的最大扭拒( 坍) 电机当前转速下连续工作最大转矩( 用) 电机当前转速下短时间工作的峰值转矩( m ) 电机温升转矩修正系数 电机温升常数 电机转速( r a d s 一) 电机电流c a ) 电机，控制器工作状态的最大电流c a ) 电机的效率( 呦 电机的电功率( 形) 电机电压( 矿) 电池等效电动势( 矿) 电池回收的电能( j ) 电池负载电压( 矿) 电池充放电电流( a ) 电池组等效内阻( 锄 电池温度( k ) 荷电状态( ) 和初始荷电状态( 呦 电池用掉的电量( 彳1 1 1 ) ，电池的安时容量( 彳j 1 1 ) 电池的充放电效率( 呦 电池发热量( ，) 电池模块的总表面积( 所2 ) 电池模块的导热系数( w m 2 k ) 空气导热系数，空气流量( k g s ) 空气密度( k g m 3 ) 电池传递到电池箱的热量( ，) 电池箱内空气的温度( k ) ，电池箱外空气的温度( k ) 空气热容j k g k ) ，电池模块的热容量j ( k g k ) 驾驶员的请求制动扭拒( m ) 液压制动力矩( m ) 液压制动系统能够提供的最大液压制动力矩( r 用) 液压制动系统油门信号( 峋，电机制动系统的制动油门信号( 呦 目标滑移率 当前滑移率与目标滑移率之差 制动力矩的变化量( v 坍) 制动力矩的变化率( 呦 能量回收率( 呦 x i k 厶乙k h h鸟忽厶k名&一“一“成 m 一厦 k九竹p f 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立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， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彭栋 日期：2 0 0 7 年5 月11 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：彭栋指导教师签名：张建武 日期：2 0 0 7 年5 月11 日日期：2 0 0 7 年5 月11 日 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 1 混合动力汽车概述 1 1 1 混合动力汽车发展简介 第一章绪论 电动汽车一e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) 是一种电力驱动的、节能的、极少污染的新 型交通工具，是世界各国竞相发展的方向性、战略性项目，具有超前性、示范性、 综合性、整体性的高科技内涵川。电动汽车用电机驱动，从随车移动的电源( 如：蓄 电池) 中获取能量。早在世界上第一辆燃油汽车诞生之前，1 8 3 4 年，就出现了世界 上第一辆电动汽车，它是由t h o m a sd a v e n p o r t 研制的电动三轮车【2 】。此后，电动汽 车曾盛行一时，到1 9 世纪末，电动汽车几乎成为汽车产品的主流，1 8 9 9 年，第一 辆时速超过1 0 0 k m h 的电动车“j a m a i sc o n t e n t e 诞生【2 】；当时电动汽车在美国发 展的很快，2 0 世纪初在美国的汽车保有量中，以蓄电池为动力的电动汽车占3 8 ， 1 9 1 5 年，美国电动汽车的年产量达到了5 0 0 0 辆，这是电动汽车的一个辉煌时期【6 8 1 5 1 。 但是随着汽油机汽车技术的不断完善和发展，电动汽车逐渐的销声匿迹了，其原因 主要是因为电动汽车需要较长的充电时间，且行驶里程短，这限制了它的进一步的 发展和更为广泛的应用 1 7 , 1 8 2 0 , 2 5 。 2 0 世纪末，面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、 环境相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流【3 4 5 7 1 。与此同时， 随着汽车工业的发展，汽车尾气对环境的污染也越来越严重【1 5 彩，4 5 】。特别是近几年， 人们对日趋严重的环境污染问题的认识不断加深，为保护环境，减少城市中的大气 污染，世界各国都相继制定了严格的汽车尾气排放标准，为了适应这一形势的要求， 世界各国政府，尤其是大的汽车公司都致力于新型动力汽车的开发，电动汽车发展 再次升温。现在，世界许多国家都在燃料电池汽车【l o , 2 4 - 2 5 , 4 5 ( f c v ：f u e lc e l le l e c t r i c v e h i c l e ) 、纯电动汽车 1 0 , 2 5 , 4 5 】( p e v ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 和混合动力汽车( h e v ： h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 领域进行大量的研究与开发工作1 8 1 ”，将清洁型交通工具的 开发应用作为实现可持续发展战略的一个重要组成部分 1 5 , 1 8 , 2 5 , 4 5 】。 混合动力汽车( h e v ) 是指在同一辆汽车中同时采用了电动机( m o t o r g e n e r a t o r ) 和发动机( e n g i n e ) 作为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协 调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的一种新型汽车【1 1 l 】。 国际电工委员会( i e c i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 所属的电动 汽车技术委员会对混合动力汽车的定义为：有多于一种的能量转换器能提供驱动动 力的混合型电动汽车【2 5 1 。与燃油汽车相比，混合动力汽车具有高性能、低能耗和低 污染的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。在正常情况下，混合动力汽 车不需要外部电源充电或只需较短的外部充电时间。混合动力汽车的内燃机还可以 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 改用压缩天然气、呷醇等代用燃料，这不仅降低了车辆对石油的依赖，而且有效地 减少了尾气中的有害物质。据丰田公司的测试数据表明，混合动力汽车与常规汽油 车相比，c 0 2 的排放大约降至后者的1 2 ，而c o 、h c 和n o x 的排放则大约降到 1 1 10 【4 9 】。由于混合动力汽车对电池的比能量要求较低，因而可以大幅度降低电池组 的重量和成本，串联式混合动力汽车的电池重量仅为纯电动汽车电池重量的1 ，3 。 此外，由于混合动力汽车可以不通过外部电源充电，从而节省了大量的充电基础设 施投资。基于上述特点，混合动力汽车被普遍认为是目前最具开发和推广前景的新 型交通工具之一【1 5 2 3 2 5 3 舢3 5 1o 相对于传统内燃机汽车和纯电动汽车，混合动力汽车具有诸多显著的优点。它 既继承了石油燃料发动机高比能量和高比功率的长处，弥补了纯电动汽车续驶里程 短的不足，又发扬了纯电动汽车作为“绿色汽车节能和低排放的优点，显著改善 了整车的燃油经济性能和排放性能，达到了两种车辆优点的统一( 3 , 1 9 。混合动力汽车 整车控制系统可以根据汽车的不同行驶工况，控制发电机或电动机的工作象限，保 证储能装置中的能量始终维持在一定的水平，无需停车充电或频繁更换电池。同时， 通过对电机的精确控制，混合动力汽车可以回收制动能量，以电能的形式重新存储 在储能装置中，实现了能源的再生 2 6 - 2 9 , 3 6 - 4 1 , 1 1 8 - 1 2 3 1 。这极大提高了车辆的能量利用率。 1 1 2 混合动力汽车的分类 根据动力系统的连接方式，当前开发研制的混合动力汽车可以分为4 类：串联 式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、混联式混合动力汽车以及复合式混合动力 汽车。 串联式混合动力系统是由发动机( e n g i n e ) 、发电机( g e n e r a t o r ) 、电动机( m o t o r ) 和电池组( b a t t e r y ) 等动力装置以串联的方式组成的 1 , 7 j 5 】。串联式结构由于断开了 发动机与后续驱动系统的机械连接，因而发动机与外界负载没有直接联系，可以在 一个特定工况区域内相对稳定地运行【1 8 2 5 , 4 5 。串联式结构尤其适用于市内常见的频繁 起步、加速工况和低速运行工况 1 7 - 2 0 , 3 0 - 3 4 l 。 并联式混合动力系统是由发动机( e n g i n e ) 、发电机( g e n e r a t o r ) 、电动机( m o t o r ) 和电池组( b a t t e r y ) 等动力装置以并联的方式组成的i l 4 9 - 1 1 l 。并联式结构中，发动机 和电动机是相互独立的，低速小功率运行时可以关闭发动机，利用电动机进行驱动； 在中高速平稳运行工况，可以只利用发动机进行驱动；高速运行或加速时，可以利 用动力耦合系统对发动机和电动机的输出动力进行叠加【1 5 - 1 7 1 。在开发市郊和城间交通 工具时并联式结构受到了高度重视【1 9 五”4 , 3 5 。 混联式混合动力系统是串联式结构与并联式结构的综合，混联式结构能够使发动 机、发电机、电动机等部件进行更多的组合，从而在结构上保证了在更复杂的工况 下使系统工作在最优状态，因此更容易实现低排放和低油耗目树1 之舢川1 1 。虽然混联 式结构在理论上最容易实现性能最优，但它也存在明显的不足，例如：系统过于复 2 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 杂，以及由此导致的可靠性难以保证；部件性能要求高，以及由此带来的设计加工 困难重重，造价高；因而其市场化还需要一个过程 5 a 7 2 0 - 2 2 1 。由于以上不足，混联式 混合动力汽车在研究、开发和应用中都受到很大的限制【3 0 捌。 复合式混合动力系统一般用于双轴独立驱动系统( 4 轮驱动) ，相当于一套完整 的串联混合动力系统加一套完整的并联混合动力系统2 2 2 2 3 2 5 ，4 5 j ，这种结构的工作模式 更为多样化，它可以有3 个动力装置( 1 台发动机和两台主电机) 一起驱动的工作模 式。这种结构最为复杂，成本最高，控制系统也最为复杂。 除了按照动力系统的连接方式进行分类之外，按照“混合度的分类在混合动力 汽车研究领域也被广泛采用。混合度的概念至今尚未有统一的定义【2 乃j ，使用较多的 一种定义是驱动电机功率与发动机功率的比值。根据混合度的分类，混合动力汽车 可以分为重度混合( 强混合) ，中度混合以及轻度混合( 弱混合) 。通常情况下，混 合度越高，燃油经济性和排放性能的提高就越多。本田c i v i c 混合动力轿车的混合度 为1 5 9 ，是典型的弱混合动力车型；而t o y o t ap r i u s2 0 0 1 型混合动力轿车的混 合度可以达到6 2 3 ，是强混合的典型车型。 1 2 混合动力技术国内外研究动态 1 2 1 国外开发动态及产品介绍 作为一项崭新的技术，9 0 年代初以来，混合动力汽车的开发得到了美、日及西 欧等许多发达国家的高度重视，并已取得了一些重大的成果和进展。 从9 0 年代开始，美国加强了政府与企业之间的技术合作与联合，并以混合动力 汽车为重点对象。由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各大汽车公司 和有关部门积极开展混合动力汽车的研究工作。1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与美国 通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国“新一代汽车合作伙伴计 划”( 简称p n g v 计划) ，旨在开发新一代高效节能汽车【1 2 , 8 , 1 5 2 1 2 2 0 5 4 5 1 。随着p n g v 计划的实施，美国各大汽车公司进行了一系列的整车技术开发和研制工作【1 8 ，”川。 1 9 9 8 年1 月，克莱斯勒汽车公司( c h r y s l e r ) 推出了他的道奇无畏e s x 系列串联 式混合动力汽车。通用汽车公司( g m ) 也在1 9 9 8 年推出了g mp e r c e p th e v 概念 车。福特汽车公司开发出了福特p 2 0 0 0p r o d i g yh e v5 座并联式混合动力轿车。表 1 1 列出了美国主要汽车生产商的混合动力产品。 日本的汽车公司一向热衷于混合动力技术的研究与开发，日产公司( n i s s a n ) 成 功开发出t i n o 混合动力汽车，t i n o 采用4 缸7 3 k w 汽油机，13 k w 永磁同步i s g ， 1 7 k w 永磁同步电机以及锂离子电池【8 】作为其动力系统。本田公司( h o n d a ) 则生产 出i n s i g h t 和c i v i c 两种混合动力汽车，i n s i g h t 动力系统为1 公升3 缸5 0 k w 直喷式 v t e c 发动机，1 0 k w 直流永磁无刷电动机，6 。5 a h 镍氢电池组，百公里油耗仅为 3 6 升【5 1 。丰田公司开发出了p r i u s5 座并联式混合动力汽车【9 l ，p r i u s 于1 9 9 7 年1 2 3 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 月推向市场，- 二面市就受到市场的好讯一1 9 9 8 年在日本国内销售达1 7 6 5 3 辆，截 至到2 0 0 2 年8 月，p r i u s 总共销售了1 0 0 2 0 8 辆。p r i u s 的动力系统为1 ，5 公升4 缸 1 6 气门4 3 k w 汽油机，3 3 k w 永磁电动机，2 8 8 v 镍氢电池组( 4 4 k g ) 。另外，丰 田的c r o w n 混合动力轿车、e s t i m a 混合动力客车、c o a s t e r 混合动力客车均已成功 的进行了商业化生产【1 5 2 恤l 。表1 2 列出了目前日本主要汽车生产商己批量生产的混 合动力轿车的结构及主要参数。 表1 1 美国主要汽车生产商的混合动力汽车产品 t a b l e1 1h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei nu n i t e ds t a t e sm a i nv e h i c l em a n u f a c t u r e 厂商车型 驱动 发动机 动力电池电机 系 表1 2 日本主要汽车生产商的混合轿车产品 t a b l e1 - 2h y b r i de l e c t r i cp a s s e n g e rc a r si nj a p a nm a i nv e h i c l em a n u f a c t u r e 1 2 2 国内开发动态 为了维护能源安全，改善大气环境，提高汽车工业的产品自主开发能力和核心竞 争力，我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车关键技术的攻关 和整车研制，但所研发的混合动力汽车大部分是串联式的，只是在原有汽车的动力 系统上简单的添加了电机和电池组，技术的集成度较低，缺乏高度自动化的控制系 统和能源管理系统，两种动力源只是简单结合，缺乏统一协调，与国外的先进技术 4 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 水平相比还有很大距离【1 5 捌。 2 0 0 1 年，国务院科教领导小组将电动汽车确定为“十五 国家1 2 个重大科技 专项之一，在1 2 个专项国家财政拨款总投入6 0 亿元的经费预算中，划出8 8 亿元 支持电动汽车专项，并于2 0 0 1 年1 0 月首批予以启动。该重大专项选择新一代电动 汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以 “官、产、学、研”四位一体的方式，联合攻关，计划在“十五”期问，以电动汽 车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及 整车技术上取得重大突破。2 0 0 2 年1 月，电动汽车重大专项第一批课题正式启动， 共有5 个整车课题，分别为：东风电动车辆股份有限公司( 武汉) 的混合动力轿车 和混合动力大巴，第一汽车集团的混合动力大巴，上汽集团的燃料电池轿车，以及 北京的燃料电池大巴，另有两个整车培育课题，分别是上汽集团奇瑞汽车公司的混 合动力轿车和重庆长安汽车公司的混合动力轿车。表1 3 列出了目前开展混合动力 汽车整车研发的国内主要厂家及车型。 表1 3 国内厂商混合动力汽车研发情况 t a b l e1 - 3h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei nc h i n av e h i c l em a n u f a c t u r e 1 3 能量回收制动控制系统概述 通过控制混合动力汽车的动力元件，将制动时耗散的动能进行回收是提高混合动 力汽车燃油经济性和能量利用率的一项重要技术，在这一过程中，电动机作为发电 机来使用，回收的能量以电能的形式存贮到电池中【1 。3 , 9 , 1 9 2 6 - 2 9 , 1 0 7 , 1 0 8 。电动汽车研究过 程中所面临的关键问题之一就是当今市场上提供的电池的比能量较低，因此造成电 动汽车的续驶里程无法与汽油车相比，要解决这一问题，除了要在电池这一瓶颈技 术上有所突破之外，还应当优化电动汽车的总体设计和建立高效安全的能量管理系 统，因此电动汽车在研制和开发过程中如何合理使用和节约车载能源就成为设计人 员面临的一项重要课题，制动能量回收技术是目前国外电动汽车制造商广泛采用的 一项先进技术，通过电机的辅助制动，通常情况下可以将制动过程中部分车辆动能 回收到蓄电池，极大提高了能量的利用率。 因此，在混合动力汽车中，制动力矩分为两部分，一部分是由电机提供的能量回 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 收制动力矩，另一部分是由制动器提供的液压制动力矩，两者之和为总的制动力矩。 文献2 7 认为，当制动减速度小于1 4 7 m s 2 ( 0 1 5 9 ) 的时候，一般只有能量回收制 动力矩起作用，此时，液压制动力矩在控制策略的作用下为零。在实际的车辆行驶 过程中，大多数制动操作都属于正常制动或是缓制动，其制动减速度大都小于 1 。4 7 m s 2 ( 0 1 5 9 ) ，这有助于回收更多的车辆动能【2 7 1 。 r e = rl o r q 啪 ( b ) r e 挝t o r c 脚 l c ) 图1 1 混合动电动汽车制动过程力矩变化 f i g 1 - 1c h a n g eo fb r a k i n gt o r q u ed u r i n gb r a k i n gc o u r s ef o rh e v 1 t o t a lt o r q u e ：总制动力矩( n m ) ； 3 r e a rt o r q u e ：后轴液压制动力矩( n m ) 2 f r o n tt o r q u e ：前轴液压制动力矩( n m ) 4 r e g t o r q u e ：能量回收制动力矩( n m ) 能量回收制动力矩在不同的行驶条件下是不断变化的，它受很多条件和参数的影 响，例如：电机转速的变化，电池系统s o c 的变化，电池系统的电压、电流以及行 驶速度等。针对能量回收制动力矩不断变化的特性，制动控制系统必须能够提供相 应变化的液压制动力矩，以保证制动效果和驾驶员良好的制动感觉。图1 1 ( a ，b ，c ) 显示了随着能量回收制动力矩的变化，液压制动力矩的变化情况。首先，从图1 1 ( a ) 中可以看出，当能量回收制动力矩足够大的时候，作用到前轮和后轮的液压制动力 矩得到了很好的控制。从图1 1 ( b ) 可以看出，如果能量回收制动力矩由于某些原因 减小，那么作用在每个车轮上的液压制动力矩就会增加，以保证总的制动力矩不变。 再次，从图1 1 ( c ) 可以看出，即使能量回收制动力矩完全衰减，总的制动力矩在液 压制动力矩的作用下依然保持不变，这就如常规车辆的制动系统一样。因此，当能 量回收制动力矩变化时，在液压制动力矩的作用下，相同的踏板制动所产生的制动 力矩是可以恒定不变的【2 6 捌。对于液压制动和能量回收制动的协同控制，国外已经进 行了多年的理论及试验研究，以下是国外三款混合动力汽车能量回收制动系统简介： 冷e c o - v e h i c l e 制动控制系统 e c o - v e h i c l e 是日本国家环境协会主导研发的一款电动汽车，其制动系统有常规 制动系统所没有的制动压力控制阀单元，它的位置在主缸和前后制动器之间的液压 回路中。这个压力控制阀包括了主缸压力传感器和两个由制动控制器控制的电磁调 节器【2 7 1 ，如图1 2 所示。压力控制阀单元包括两个阀体，每个阀体独立的作用于前 后车轮制动器，同时，每一个阀体都有一个电磁调节器。电磁调节器的作用是使得 输出的压力不会被直接传送到轮缸，输出液压制动力的大小由制动控制器控制，其 6 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 制动力矩就如图1 - 1 ( a ) 所示；当电磁调节器不工作的时候，输出的压力和输入的压 力是相等的，其制动力矩就如图1 1 ( c ) 所示；这种输入输出特性是连续变化的，作为 这种连续变化的结果，图1 1 ( b ) 就可以实现了。所以，在e c o - v e h i c l e 的制动系统中， 压力控制阀单元的作用是减小液压制动力矩的比例。压力控制阀单元中有一种机械 装置，它能够补偿制动液的损耗，这一机械 装置的作用是在压力出现波动的时候减小踏 板的震动。e c o - v e h i c l e 的制动控制器直接接 收主缸压力信号，而不是接收踏板压力传感 器输出的制动踏板力信号，基于得到的信息， 制动控制器会计算应该将多大的能量回收制 动力作用到车辆上，并将结果作为电信号发 送给车辆控制器，作为反应，车辆控制器将 实际参与能量回收制动，然后将结果反馈到 制动控制器。接着，基于反馈的信号，制动 控制器将会决定压力控制阀的调节器应该 处于何种工作状态，从而实现对制动压力 的控制。 t o y o t a p r i u s 制动控制系统 图1 - 2e c o - v e h i c l e 制动控制系统 f i g 1 - 2e c o - v e h i c l eb r a k i n gc o n t r o ls y s t e m t o y o t ap r i u s 是丰田汽车公司研制的一款混合动力轿车，p r i u s 的制动系统包括 能量回收制动和液压制动，能量回馈制动由p r i u s 的整车e c u ( t h s e c u ) 控制， 而液压制动则是由制动控制器( b r a k e e c u ) 控制。t o y o t ap r i u s 的液压制动系统 如图1 3 所示，包括常规制动系统，并且加装了踏板行程模拟机构( s t r o k e s i m u l a t o r ) ，压力传感器( h y d r a u l i cs e n s o r s ) ，压力控制单元( p r e s s u r ec o n t r o l u n i t ) 。p r i u s 具有a b s 的压力调节功能，四个压力传感器分别用于检测制动力矩( 2 个) 以及轮缸压力( 2 个) 【蚣6 j 。t o y o t ap r i u s 制动系统制动过程分析如下【2 6 1 ： 1 ) 在制动开始时，b r a k e - e c u 根据主缸的压力计算出驾驶员所需的制动力矩飞q ， 并将该制动力矩发送给t h s e c u ，t h s e c u 通过计算得到当前所能够施加的 能量回收制动力矩 m o t 的大小，并将其发送给b r a k e e c u 。 2 ) b r a k e - e c u 根据t m o t 的大小计算目标液压制动力矩t h y d 的大小，并根据瓦归的 数值确定电磁阀s l a 的通电电流的大小，通过s l a 来控制液压制动力矩的大小。 3 ) s l r 是减压电磁阀，在a b s 不起作用的时候可以通过s l r 和r e s e r v o i r ( 储液 器) 的配合来起到减压的作用。 4 ) s s 为沟通前后轮缸回路的电磁阀，当前轮的制动力完全可以由能量回收制动力 矩提供时，s s 是关闭的，当能量回收制动力矩不能够满足前轮制动需要时，s s 打开，前轮也进行液压制动。 7 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 5 ) 踏板行程模拟机构一( s t r o k e s i m u l a t o r ) 主要用来模拟踏板行 程，吸收多余的制动液，使得在 确保制动安全的前提下尽可能采 用能量回馈制动，减少液压制动。 6 ) r e g u l a t o r 的作用是防止制动踏 板在制动的过程中产生震颤( 它 和s t r o k es i m u l a t o r 协同工作) 。 7 ) s m c l 和s m c 2 为两个电磁阀， 在正常情况下它们是关闭的，截 断了两前轮的轮缸制动回路和制 动主缸之间的连接，当制动回路出 现异常情况时，如：s s 阀失效， 图1 - 3 丰田p r i u s 制动控制系统 f i g 1 - 3t o y o t ap r i u sb r a k i n gc o n t r o ls y s t e m 前轮无法获取液压制动力矩，这时s m c l 和s m c 2 打开，连通前轮的制动轮缸 和制动主缸，确保前轮制动。 8 ) 电磁阀s l a 和s l r 都有相关的机械开启装置( 在一定的开启压力下可以打开) ， 防止由于电信号失效导致制动轮缸的压力增减失效。当a b s 系统起作用时，s l a 全开，此后制动过程由a b s 系统控制。 9 ) 当a b s 系统不再起作用时，则转换为p r e s s u r ec o n t r o lp a r t 工作，通过s l a 来 控制液压制动力矩。 1 0 ) 压力控制单元( p r e s s u r ec o n t r o lu n i t ) 主要用于控制液压制动力矩，它包括液 压调节阀和制动主缸，同时实现a b s 功能。当a b s 系统起作用时，t o y o t ap r i u s 不进行能量回收制动，完全由液压 制动系统来完成制动过程。 h o n d a - e vp l u s 制动控制系统 h o