（载运工具运用工程专业论文）公共汽车制动能量再生系统电控装置的研制.pdf

山东理工大学硕士学位论史摘要 摘要 本论文阐述了一种公共汽车制动能量再生系统的电子控制装置，以中通客车控股股 份有限公司l c k 6 8 5 0 c h d d 型公共汽车的制动能量再生系统为控制对象，结合计算机控制、 传感器技术，实现了对公共汽车制动能量再生的智能控制。 论文讨论了公共汽车制动能量再生系统的研究现状，分析了液压式制动能量再生系 统的工作原理，提出了对电子控制装置的控制要求。论文分析了驾驶意图和道路环境条 件的识别方法，为实现基于 、车一路闭环系统的公共汽车制动能量再生的智能控制奠 定基础，并选择了系统的控制参数，确定了公共汽车制动能量再生电控装置总体方案， 进行了控制系统主要工作模式的分析。论文对电子控带9 装置所使用的主要传感器进行设 计和选择，详细阐述车速测量的原理、传感器结构设计和测量过程，设计了电子控制单 元硬件电路，选用a t 8 9 c 5 2 单片机作为控制核心，并进行了模拟信号和数字信号输入输 出电路、信号调理电路、a i d 电路以及电源电路等设计。采用汇编语言的编程方法，完 成了电子控制单元的软件设计。论文阐述了主控、初始化、a d 转换、车速测量、工作 模式识别以及r s 2 3 2 c 串口通信等各软件功能模块，说明了电子控制装置的抗干扰设计及 调试过程。通过对电控单元的模拟调试，表明所研究开发的电子控制系统运行正常。 关键词：公共汽车，制动能量再生，智能控制，单片机 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 曼曼詈鼍目曹罡曼曼! 皇舅舅日奠皇皇岂皇寰曼量量堂皇曼蔓兰皇舅量量皇曼量曼曼舅审舅曼| 皇曼璺笪皇曼量奠皇皇曼皇曼罾暑磷i i ii 些 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , at y p eo fe l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c ef o rc i t yb u sb r a k i n ge n e r g yr e g e n e r a t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e d , w h i c hc o m b i n e st h et e c h n o l o g yo fc 0 【n p u t e rc o n t r o la n dg m o lt h eb u sb r a k i n ge n e r g y r e g e n e r a t i o ns y s t e mi n s t a l l e di nz h o n g t o n gb u sh o l d i n gc o 1 t d sc i t yb u sl c k 6 8 5 0 c i - i ) dw a su s e da s c o n t r o ld 研毗t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo f c a a e r g yr e g e n e r a t i o no f c i t yb u sb r a k i n gi sa r c h i e v e d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e v e h i c l e b r a k i n ge a e r g yr e g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y b o a r d a n da b r o a d i s i n t r o d u c e d b a s e d o n t a l ) 面g t h e p r i n c i p l e o f w o r k o f t h e b r a k i n g e n e r g y r e g e n e r a t i o n o f d r y b u sa n d i t s c o n t r o lr e q u e s t s ， 1 1 1 ee l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c ef o rc i t yb u si sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d r e c o g n i t i o nm e t h o d sf o rp r o c e s s i n g t e c h n i q u ed r i v ei n t e n ta n dm a dc o n d i t i o na r ea l s od i s c u s s e d a l lo f t h e s e m l y z e dl a i dt h eg r o u n dw o r kf o r c i t yb u sb r a k i n ge n c c g y s 托窘删0 n 8i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fd r i v e r - v e h i c l e - m a ds y s t e m t h ec o n t r o l p a r a m e t e ba s p e c i f i e da n dt o t a ls c h a eo fc i t yb u sb r a k i n ge n e r g yr e g c m e r a f i o ns y s t e mh a sb e e ni s s u e d f m f & e rl i l o r e ，t h ew o r km o d 格o fc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d i n1 h ed e s i g na n d 豫i e c 矗o no fs e n s o r s , l a y d t e s s0 1 1t h ep r i n c i p l eo fv e h i c l es p e e dm e a s u r e m e n t , t h ec o n s t r u c t i o n a ld e s i g no fs e t l s o ra n dm e a s u r e m e n t p r o c e s s 。a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f w o r ko f h y d r a u l i cc o n t r o lp a r ta n dc o n l m lr e q u i r e r n e a t s ，t h eh m d w a c i r c u i ti sd e s i g n e d , i n c l u d i n gc o n t r o lo 啪a d o p t i n ga 8 9 c 5 2s i n s t h i pm i c r o c o m l 腑, a n a l o g u ea n dd i g i t s i g n a l s i n p u ta n d o u t p u t c i r c u i t ，t h es i 倒p r o c e s s i n g e k c u i t , a d c a m v e r s i o n c i r c u i ta n d p o w e r c i r c u i t a s t h e e o u n t n v a a , t h es o f t w a r ef b n c o nm o d u l ei s “p l a i n e d w e l l 。w h i c hc o n s i s t so f m a i nc o n t r o lm o d u l e , i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e a dc o n v e a m i o nm o d u l e , v e h i c l es p e e dm s u m m tm o d u l e , w o r km o d er e c o g n i t i o n a n dr s 2 3 2 cs 砌c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h ea n d - j a m m i n gd e s i g na n dd e b u g g i n gp r o c e s sa r es t a t e d t h r o u g h t h e a n o l o g y d e b u g o f e c u ，t h e e l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m c a n w o r k w e l l k e y w o r d s ：c i t y b u s , b r a k i n g e n e r g y r e g n e r a t i o n ，i n t e l l i g e n t c o n t r o l ，s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r 独创性声明 y - 8 6 0 1 7 墨 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：7 争、岛时间：删年多月j 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 研究生签名：疹当时间：孤弼年月y 曰 删签名：膨孑移帆枷年舌月y 日 1 ，1 课题的背景及意义 第一章绪论 汽车工业的发展，带动了城市经济的发展和城市产业结构、形态结构发生变化；反 过来，城市的发展、结构的变迁，又刺激了汽车消费，使交通流量的增长比率以几倍于 交通设施建设的速度增长。城市的交通资源是有限的，汽车保有量的直线上升，使人类 在享受汽车文明的同时，也给人们带来了诸多问题。能源问题和环境问题是其中最突出 的【1 3 1 。 汽车运输长期以来主要以石油及石油制品作为主要燃料。目前，世界上各种汽车的 保有量超过6 亿辆，每年新生产的各种汽车约3 5 0 0 万辆，按平均每辆汽车年消耗1 0 1 5 桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到6 0 7 0 亿桶，约占世界石油产 量的一半以上，石油资源的开采每年达到几十亿吨。经过长时期的现代化大规模地开采， 石油资源日渐枯竭，按科学家预测，地球上的石油资源如果按目前的消耗水平，仅仅可 以维持6 0 1 0 0 年左右。能源危机曾经对世界经济的发展带来严重影响，为了争夺石油 资源，在国际上已发生众多石油资源纠纷，甚至爆发争夺石油资源战争。2 l 世纪，人类 将面临更加严竣的石油资源的挑战，石油资源是亟待解决的重要问题之一，也是当前世 界不稳定的因素之一。从1 9 9 3 年起，我国已成为石油净进口国，进口量逐年增加，2 0 0 3 年进口原油量8 0 0 0 万吨，2 0 0 5 年估计进口量约为l 亿吨，我国的经济发展对石油进口 的依赖越来越严重。 机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。在世界卫生组织确认的6 类大气污染物质：一氧化碳( c o ) 、铅( p b ) 、二氧化氮( n 0 2 ) 、悬浮颗粒物( p m ) ( 包括尘土、 烟灰、烟雾和烟尘) 、二氧化硫( s 0 2 用对流层臭氧( w h ol9 9 9 ) 及温室气体中，机动车辆 污染物排放主要有其中5 项。城市噪声的污染主要来自于机动车。根据美国e p a l 9 9 4 年 公布的资料，在大气污染中，6 1 3 的c o 来自于汽车，3 1 9 的n o x 来自汽车，2 8 3 的p b 来自于汽车，1 畅的s 伤来自汽车，0 7 的p m 来自汽车。 在城市环境中，机动车排放的c o 和n o x 是城市大气污染的最主要来源，城市大气 污染是环境污染的一个很重要的方砸，全球4 7 的人口生活在城市，并且世界城市化还 在以每年2 的速度增加，越发达的地区城市化水平越高，欧洲城市化水平达到7 0 ； 同时城市建筑物、人口密度大，空气流通差；世界机动车中保有薰的绝大多数在城市， 机动车辆的运行和排放水平极大的影响了城市大气质量水平。 优先发展城市公交是实现城市环保与节约资源的重要途径之一。研究表明：在相同 道路条件下，同一单位时间内，假设乘公交出行的人均占用道路面积为1 ，则骑自行车 出行的人均占用道路面积为5 ，乘出租车出行为1 0 1 3 ，有的小汽车甚至高达2 0 。而在 同一单位时间内公交车排出的尾气污染物仅是出租车的l 6 ，摩托车的l 9 。 同样的客运量，公共交通所需的道路面积仅是其它交通方式的几分之一乃至几1 卜分 之一，公共交通的比重越大，道路上的车流量就越少，交通问题越好解决。因此世界各 大城市，几乎无不把优先发展公共交通，压缩小汽车交通需求，作为解决城市交通问题 的重要措施，把“公交优先”作为发展城市交通的重要原则1 4 i 。 城市公共交通主要有三种形式：公共汽车、地铁、轻轨。随着城市规模越来越大， 轨道交通在城市公共交通中的地位也越来越为人们所重视，它快捷、安全的特点，改变 了城市的格局和市民的生活方式。但与公共汽车交通系统相比较，轨道交通系统有几点 不足：轨道交通昂贵，即使轻轨交通系统的每公里造价也是公共汽车交通系统的l o 倍 9 j 6 j ；建设工期长，很难在短期中解决城市交通的拥堵问题，所以公共汽车仍然是我国绝 大多数城市公共交通的主要方式。 1 1 1 城市公交汽车运行特点“ 1 车辆平均时速不高 由于城区公交车停靠的站点多，站与站之间的距离不长，以济南市为例，公交车平 均站距在1 h i 左右，目前站点的平均滞留时间为l 1 5 m m 站。城区交通拥挤，行驶时速 不高，再加上交通道口红灯停车，起步、停车十分频繁，造成了大部分发动机产生的牵 引能量在制动过程中以摩擦产热的形式消耗掉了；存在长时间的停车工况，使发动机长 时间地处于怠速运转状态，耗油率高。现在上下班商峰时，济南城区的公交车平均车速 为1 6 k m h 。 2 车辆负荷率变化大 随着城市规模的逐步扩大，城市交通网也日趋复杂，城市公交线路众多，每条线路 的长度也不同，每条线路途径地区的行驶速度、道路特点、乘客数量各不一样，高峰时 段和中心城区乘客拥挤，在非高峰期和边远城区部分站点乘客稀少。正常行驶时由于时 速较低，载荷不大，车辆负荷率低，造成了能源的极大浪费。而在夏季，汽车长时间在 烈日下曝晒，车内空调高负荷运行，在高峰时段、爬长坡时车辆负荷率高，动力系统易 出现过热和过载。 上述行驶条件决定了公共汽车的燃油经济指标较差，为提高公共汽车的经济性必须 针对其行驶条件采取改善措施。 1 1 2 燃油经济性指标改善途径 根据城市公交客车的运行特点，提高燃油经济指标的改善途径主要有： 2 1 降低燃油消耗 针对车辆经常处于低档、低速工况，在进行车辆的传动系匹配计算时，应尽可能使 该工况的油耗低；针对车辆频繁起动、制动情况，回收并利用车辆的制动能；针对发动 机频繁、长时间处于怠速状态，消除或减少发动机的怠速运转状态。 2 提高平均车速 提高车辆的稳定运行车速能提高平均车速，但是对城市公交汽车没有实际意义，因 为公共汽车受到允许行驶车速的限制；提高起步加速能力能提高平均车速。但是对于普 通车辆，提高加速能力必然要增加后备功率，燃油消耗增大，从而导致燃油经济陆下降。 提高平均车速的另一途径是通过回收车辆制动能，在车辆起步和加速时利用储存的能量 辅助加速；减少车辆的减速运行过程；适当加大制动减速度。 由以上的分析发现，通过回收公共汽车制动能量并在起步和加速时释放，可实现在 确保制动安全性的前提下，使汽车制动过程中的动能充分吸收和储存，并在起步过程中 充分释放，以改善公共汽车运行的燃油经济性和减小废气排放和噪声排放性能，节约燃 油能源消耗和改善城市环境，具有节能、环保、提高经济效益和社会效益等意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究概况 美国或斯康星大学n o r m a nh b e a e h l e y 等学者较早开展了汽车制动能量再生系统的 研究。经多年的研究，他们的研究小组研制出飞轮式、液压式和蓄电池式等三种储能形 式的制动能量再生系统 8 - 1 2 l 。1 9 7 9 年，丹麦p b u e h w a l d , g c h r i 蝴等比较详细地研究 了制动能量回收理论，同时针对f o r de s c o r t v a n 车研制出液压储能的制动能最再生系统， 节省燃油可达3 0 【1 3 】。瑞典沃尔沃公司1 9 8 4 年进行了制动能量回收实验【1 4 1 。他们是在 总质量为1 6 t 的城市客车上装了具有双动无级变速及液压容积式传动的飞轮式蓄能器。 飞轮总质量3 2 8 k g ，转速1 0 0 0 r p m ，在发动机功率1 0 5 k w 情况下，该装置可储能2 2 5 k w h 。 在蓄能器工作的情况下，此客车最高车速为8 0 k m h ，加速度1 6 r n s 2 ，节省燃料1 5 2 0 5 ，而制造成本仅增加2 0 * , 4 2 5 。沃尔沃公司从1 9 8 5 年起已有2 0 多部客车在伦 敦、斯德哥尔摩和哥本哈根进行了实验。这些客车上装有1 5 4 k w 柴油机和容积式液力传 动装置，即使在柴油机不工作及在蓄电池完全放电情况下，蓄能器所储存的能量也足够 使客车加速到3 0 k m h 。装有该种蓄能器的公共汽车，可节省燃料2 8 3 0 ，减少有害 气体排放5 0 。虽然车辆质量增加6 0 0 k g ，但是制造成本仅提高1 5 。1 9 8 6 年英国列依 安特公司研制出一种与制动能量回收联动工作的无级变速传动装置，可节油3 0 4 0 ， 其中无级传动节油2 2 ，能量回收装置节油8 1 8 。该传动系由无级变速器和行星 齿轮机构组成，由微型计算机控制，借助于液压执行机构变换导轮斜度可改变无级变速 山东理工大学硪士学位论文 第章鳍论 器的传动比。无级变速器无保养行驶里程可达3 0 00 0 0 k m ，传动系质量仅为3 0 0 k g 。1 9 8 7 年，f 三j 本m i t s u b i s h i 公司的的技术人员开发了一种液压储能系统，并在实际公交汽车中 证实此种系统可节油3 0 1 ”。1 9 9 0 1 9 9 1 年，前苏联专家根据无污染高速运输科研计 划，对各种制动能量再生系统的前景进行了研究和比较，并为装有飞轮式制动能量再生 系统的客车制定了数学模型，用电子计算机对n u a 3 5 2 5 6 型城市客车，通过典型的城市 循环实验，对制动能量再生系统工作性能进行了计算研究。美国格埃列特公司设计了总 质量为1 3 t 带有制动能量再生系统的无轨电车。在线路停电时飞轮蓄能器还能保证电车 行驶5 6 8 3 k m ，最高车速7 0 k n - g h ，加速度达1 6 r w s 2 。该系统的飞轮式蓄能器由飞轮 和单极感应交流发电机组成。飞轮用人造纤维制成，外装有铝制轮毅，其直径为8 9 c m ， 最大转速为1 6 0 0 r p m ，质量3 0 0 k g ，使用成本比一般电车和柴油客车低2 0 3 0 。 以上资料分析表明，国外对汽车制动能量再生有较深入的研究，并且取得了一定的 成果。 1 22 国内研究现状 在国内，原吉林工业大学在8 0 年代中期也开展了高速飞轮储能得复合传动系统的研 究。1 9 9 6 年原吉林工业大学和哈尔滨工业大学利用二次调节静液传动技术设计一种液压 储能的传动系统，试验表明比常规液压传动能量转化效率提高将近一倍f 1 6 1 。1 9 9 7 年，青 岛大学一中国重型汽车集团公司车辆电子技术研究所研制的z k l 4 1 a 公共汽车用飞轮蓄 能器与液压机械无级变速器，通过仿真和台架试验证明燃油消耗可节约达3 5 1 。1 9 9 9 年，湛江海洋大学以e q l 4 0 1 l 型东风5 吨自卸载重货车为实验研究对象，设计制造了 一套车辆制动能景回收实验装置，并对其进行了初步的实验，实验的初步结果证明能量 回收式车辆制动装置能有效提高车辆的制动效率，增加车辆行驶时的安全性；该装置能 根据车辆工作的不同状况，自动完成吸收或释放车辆能量的工作过程，因而该装嚣工作 时发热少，制动过程平稳，工作可靠性高；该装置可使车辆达至u 节省燃料，降低维修和 运输成本，减少环境污染的目的 1 8 1 。2 0 0 2 年北京理工大学以皮囊式液压蓄能器为能量储 存装置、轴向柱塞式变量泵为能量转化元件韵系统方案，建立起一套车辆制动能量回收 系统的台架试验系统，对能量回收的原理和方法以及配套的控制方法进行比较深入的研 究【瑚。 目前国内对汽车制动能量再生的研究，在以下方面还有待深入研究：汽车制动能量 再生系统动力释放转矩合成机构的数学模型；汽车制动能量雨生系统的能量逆变与控制 策略：基于能量再生系统与摩擦制动系统的汽车制动动力学的动态建模与仿真；制动能 量再生系统与整车主制动系统匹配技术；装有制动能量再生系统的整车制动性能分析方 法；汽车制动能量再生系统的优化设计理论与系统匹配方法等。 4 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 研究课题的来源 本文的研究来源自山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目：公共汽车制动能量 再生智能控制技术与产业化开发。 1 4 论文的主要内容 本课题的研究目标是研制一种适合公共汽车的液压式制动能量再生系统，课题选用 中通客车控股股份有限公司生产的l c k 6 8 5 0 c h d d 型公共汽车为试验样机。作者主要进 行公共汽车制动能量再生系统计电子控制系统的研制与开发。本论文主要研究内容如下： 1 电子控制系统总体设计：对液压式制动能量再生系统的组成和工作过程进行系统 地研究，分析驾驶意图和道路环境条件的识别方法，为实现基于人一车路闭环系统的 公共汽车制动能量再生的智能控制奠定基础，确定了制动能量再生电子控制系统的总体 设计方案； 2 电子控制系统中需要的传感器进行设计和选择； 3 完成电子控制单元的硬件电路设计：对输入电路、信号处理电路、输出电路、功 率放大电路和电源电路进行了详细的设计： 4 完成电子控制单元的软件设计：设计了主程序和初始化、a d 转换、车速测量、 工作模式识别以及串口通信等模块； 5 对电子控制单元进行模拟试验调试，检验开发出的系统是否达到设计要求，运行 是否可靠。 生查望三查兰堡兰兰焦论文 第二章电子控制系统总体方案的设计 第二章电子控制系统总体方案的设计 21 液压式制动能量再生系统的基本结构 液压式制动能量再生系统的组成分为传动系统、液压系统和电子控制系统三部分。 传动系统仍使用原车的传动系统，在不改变原有车辆传动系统增加制动能量再生系统： 液压系统完成汽车制动能量的回收和再利用，并能在汽车爬坡、加速等大负荷工况时， 辅助发动机克服短时间的大负荷或超负荷工况，尽可能使发动机工作在经济工况下；电 子控制系统根据汽车工况的不同，控制液压系统适时进行制动能量的回收和利用。 2 ，1 1 系统的主要组成 液压式制动能量再生系统的原理图如图2 - i 所示。 i 发动机：2 一主离合器；3 变速器：4 动力接口；5 传感器；6 _ 电控单元；7 方向控制阀：8 高压 蓄能器：9 * 泵，马达离台器；i o 泵冯达；il 槛流阀；1 2 - 节流阀；1 3 ，换向阀a ：1 4 换向阀b ；1 5 q 氐压 蓄能器 图2 - 1 液压式制动能量再生系统的原理图 1 液压系统 制动能量再生系统的液压部分由下列部件组成：泵马达离合器、定量泵，马达、溢 流阎、换向阀、高压蓄能器、低压蓄能器、节流阀、卸压阀以及单向阀、过滤器、油箱、 6 管路等辅助装置。泵马达离合器9 安装在变速器的动力接口和泵马达之间，它的作用 是在储能和释能时传递扭矩。具有可逆作用的泵马达l o 在储能时作为泵，将汽车制动 的动能转化为液压能；释能时作为马达，将液压能转化为汽车行驶所需要的动能。方向 控制阀7 控制液压油流动方向，实现蓄能器中的液压能与车辆动能之间的转换。高压蓄 能器8 的作用是储存液压能。低压蓄能器1 5 作为缓冲装置，以缓冲瞬间加在马达上的高 压油所产生的冲击。当系统进行维护和修理时，因液压系统的工作压力高达3 5 m p a ，为 人员的安全和维修方便，由电控系统控制换向阀使高压油经过节流阀1 2 流入油箱。 液压系统主要有下列四种工作模式： ( 1 ) 能量释放泵马达离合器的电磁线豳和电磁铁1 y a 、3 y a 通电，泵马达离合器 结合，使换向阀7 以其左位接入系统，液压油的流向为：高压蓄能器8 一换向阀7 一泵 马达1 0 一油箱。蓄能器中的高压油推动泵，马达转动，通过离合器和动力接口将扭矩传 递给汽车。 ( 2 ) 能量回收泵，马达离合器的电磁线圈和2 y a 通电，使换向阀7 以其右位接入系 统，液压油的流向为：油箱一换向阀7 一泵，马达l o 一高压蓄能器8 。变速器带动泵将油 箱中的油液送入蓄能器，车辆动能以液压能的形式存储在蓄能器中； ( 3 ) 压力保持所有电磁体和泵马达离合器的电磁线圈都不通电，泵马达离合器断 开，高压油被封闭在蓄能器。 ( 4 ) 强制卸压3 y a 、4 y a 通电，蓄能器8 的高压油流入油箱。 表2 - 1 是各工作模式时电磁铁和泵马达离合器的电磁线圈的通电状态。 表2 - 1 电磁铁和离合器线圈的通电状态 注：卜表通电，o _ 表那断电 2 电子控制系统 电子控制系统按功能主要分为三部分：传感器，电控单元和执行器。传感器部分作 用是检测的汽车工况信息和蓄能器压力。电控单元利用传感器所输出的信号，通过信号 处理和逻辑判断，控制液压系统的储能和释能。执行器按照电控单元传来控制信号，完 成制动能量的回收和再利用。 2 1 2 工作过程 公共汽车的运行状态主要分为起步、加速、制动、匀速行驶和滑行等。下面分别说 7 山乐理工大学硕士学位论文 第二章电子控制系统总体方案的设计 明在不同的运行状态下，制动能量再生系统的工作过程。 1 制动能量回收过程 当汽车制动时，如果驾驶员要求制动强度较小时，先使用制动能量再生系统液压部 分进行制动。制动强度较大时，汽车原有制动系统也同时工作。当减速开始时，司机轻 踩制动踏板，通过踏板上的传感器及电子控制单元，制动能量再生系统被激活。定量泵 马达作为泵，将油液从油箱泵入蓄能器。同时，泵，马达产生扭矩进行制动。在减速过程 当中，逐渐增加的液压油使蓄能器压力也随之增大并接近最大值。在这个过程中，泵 马达产生的制动扭矩也逐渐加大。当系统压力达到最大值时，泵马达也产生最大的制动 扭矩，同时液压系统的安全阀打开，使得系统压力不再增加，泵马达也将保持该制动力 矩，直到将车辆速度减至理想速度。 当紧急制动时，驾驶员踩动制动踏板，在液压系统产生最大制动力矩的同时，原有 的汽车制动系统也将起作用，两套制动系统一起动作将车速降低。如果液压系统的蓄能 器末达到最大压力而减速过程已停止，则系统将保持该压力，等下一个加速或减速过程 将储存的能量释放或回收制动能量。 2 制动能量释放过程 当汽车开始启动加速时，液压油经过开关阀驱动定量泵，马达，该元件作为马达再推 动驱动轴，使汽车启动加速。在这个过程当中，汽车发动机同时运转，汽车此时有两个 动力源，使得汽车能在更短的时间内启动和加速并减少发动杌耗油量。当在加速过程中， 液压系统内压力小于调定值时，由电子控制系统发信号自动断开与传动系统的连接，由 发动机驱动汽车继续前进。 3 蓄能器能量保持过程 汽车匀速行驶和滑行时，液压系统处于压力保持状态，回收的能量储存在蓄能器中。 2 2 对电子控制系统的要求 电子控制系统是制动能量再生系统中重要的组成部分，它控制液压系统自动回收和 释放制动能量。对电子控制系统的要求主要有以下几点： 1 自动完成制动能量的回收及再利用 电子控制系统应根据车辆不同工况，在不改变驾驶员驾驶习惯和车辆一般运动规律 的情况下，实现对制动能量再生的自动控制。 2 电子控制系统的实时性要好 能量回收与释放控制信号与驾驶员控制车辆工况变化动作随动，随动动作反应相当 灵敏，以l o o m s 计，并且以不分散驾驶员精力和防止意外操纵造成不良反应引发事故为 原则。所以，电子控制系统采用加速踏板位置等与车辆运行工况及运行趋势有关参数经 逻辑计算实现智能控制。 山东理工大学硕士学位论文 第二章电子控制系统总体方案的设计 3 能够适应恶劣的工作环境 汽车电子设备所处的环境十分恶劣复杂，除了湿度、温度、冲击、荻尘、泥沙、水、 油污、波动电压等环境外，电磁环境也是一个不可忽视的问题。因此要从电路设计、元 器件选择、焊接、调试、安装等一系列环节对系统精心设计，使电子控制系统在实际环 境下可靠地运行。 4 性价比要高 一般城市公共客车价格较低，对加速性和舒适性要求不是很高。因此在设计电子控 制系统的时候在保证满足其基本功能时尽量提高性能，但同时也必须考虑价格因素，这 样才能保证该产品的市场竞争力。 2 3 制动能量再生控制策略 制动再生能量技术的主要问题是在满足汽车制动安全性基础上，提高公共汽车制动 能量再生系统的能量回收效率。根据驾驶员意图、公共汽车的运行状态和道路情况等因 素，按照车辆某些性能参数最优的原则，实现制动能量的回收和利用。 制动能量再生控制方法可以分为两大类，一类是在以特定车辆的行驶工况为基础， 对道路条件和车辆负载等条件进行简化后，按照某些性能指标最优的方法求解制动能量 回收时液压系统需要产生的制动扭矩【1 9 1 ；另一类方法是利用驾驶员的驾驶意图和城市道 路环境及相关专家的知识形成模糊控制原则唧酩“，即基于专家的制动扭矩求解规律，其 系统结构图2 2 所示。前一种方法在车辆运行环境和车辆工况与求解最优制动扭矩规律 时的设定一致时控制效果较好，但是当在车辆运行环境和车辆工况与求解最优制动扭矩 规律时的设定条件有较大差别时，其给出的制动扭矩显然不是最优的或在某些区域内不 是最佳的。对后一类方法而言，如何根据驾驶员操纵意图、道路状况和车辆运行参数自 动地完成制动能量再生的控制，是实现公共汽车制动能薰再生智能控制的关键技术之一。 下面利用模糊控制原理来识别驾驶员意图和车辆运行环境。 图2 _ 2 智能控制的制动能量再生系统结构圈 9 生查堡三盔兰堡圭兰竺论文第二章电子控制系统总体方案的设计 23 ，1 模糊控制的特点 模糊控制是基于“专家系统”采用复杂工程语言规则来表达出定性的、“不精确” 和“不一致”的判断规则的人工智能控制策略，由于模糊控制能够在缺乏精确系统数学 模型的条件下，将人类一般性语言控制策略，吸收人类观察、识别、判断和处理的特点， 将有些语言直接编为“模糊算法”并转换为算法语言，通过计算机转换为自动控制程序。 多次重复这个模糊控制程序，来绕过建立精确模型的复杂过程，逐渐趋近控制目标，完 成对系统实现更加理想的控制。与一般控制技术相比较，具有以下特点： ( 1 ) 根据人类的直接经验，模拟人的判定意识和控制措施，把人的“不精确”、不 一致的主观控制规范化和模型化，形成模糊算法并转化为算法语言，而不需要建立精确 地数学模型。 ( 2 ) 所采用的模糊控制器，应具有良好的“鲁棒性”，对参数的变化有较好的适应 性。 ( 3 ) 模糊控制器的软件和硬件实现都比较方便，易于实现。模糊控制器的结构简单， 应用造价低廉。 2 ，3 2 驾驶意图的识别 在驾驶员车辆环境这一闭环系统中，驾驶员的操纵和车辆的行驶环境决定着车 辆的运行状态。驾驶员对车辆的操纵可归纳为三个过程：首先通过感觉器官来得到车辆的 运行状态和外界环境的信息，然后依据驾驶经验进行判断，决定采取什么样的操纵方式， 再根据判断的结果进行相应的操作。在车辆运行的闭环系统中，智能化制动能量控制应 体现仿人智能的行为。驾驶员对外界环境的感知相当于一个集成的多功能传感器，对感 知的信息进行判断和决策相当于车辆的控制器，对车辆的操纵相当于车辆执行机构。驾 驶员对车辆的操纵反映了其对车辆运行状态和外界环境的感知和认定，因而可以用车辆 控制系统的传感器通过对与车辆行驶状态和驾驶员操纵行为相关的信息( 加速踏板开度 及其变化率、制动频率、方向盘转角等) 的检测和推理判断，得到驾驶员操纵行为特征参 数和外界环境的特征参数，并利用这些参数来预测和描述驾驶员类型、驾驶意图和行驶 环境。通过对车辆运行参数的采集和处理，确定车辆状况。 公共汽车驾驶员意图可划分为：匀速行驶、加速、减速、超车、停车、滑行、冲坡、 进入弯道等。这些意图通过车辆运行参数以及驾驶员对加速踏板、制动踏板操作的不同 来体现。由于驾驶员的控制意识往往是以主观意识和操纵经验为基础来产生，在带恸能 量再生控制过程中，驾驶员的思维中有快速反应的主观性与机动性，和在控制操纵时的 随机性与灵活性，具有一种“不精确”的特性。对驾驶员的主观思维方式和灵活操纵方 法所采取的控制行为，很难用精确的数学模型来表达。因此可根据对驾驶员驾驶经验的 o 山东理工大学硕士学位论文 第二章电子控制系统总体方案的设计 总结，得到控制规则，通过模糊逻辑判断进行驾驶意图的识别。驾驶员意图的模糊特征 的划分见表2 2 表2 _ 2 驾驶意图模糊特征 加速踏板位置 驾驶员意图特征加速踏板位置车速加速度 制动强度 变化率 进入弯道负中正小 超车 正大 正大正大 加速正小、正中 匀速正中正小、零、负 小 减速负小、负中零、正小 滑行负大、负中正大、正中 譬 冲坡霉正中、正大正中、正大 停车正中、正大 2 3 3 行驶环境的识别 公共汽车的行驶环境差别很大。不仅路面类型复杂多样，有上坡、下坡、弩道行驶 等，同样的路面类型条件下，因交通流状况的不同，对车辆行驶有不同的要求。路面状 况的差异，对制动能量再生的要求产生较大差别。当路面状况良好，行人、车辆稀少时， 制动能量再生系统应提供较大的辅助动力，使公共汽车处于高速状态行驶，而在同样的 路面条件下，当人、车较多时，制动能量再生系统产生的动力应能保证车辆缓慢行驶条 件下，仍能使发动机处于经济运行状态。为了使制动能量再生控制系统能根据不同的路 面环境，采取不同的控制策略，实现基于路面环境条件下的智能控制，路面环境的识别 是先决条件，必须建立一种路面环境识别体系。 通过的不同路面状况下驾驶员操作经验的分析，得到根据驾驶员操作特征识别路面 状况的模糊逻辑表2 - 3 ，按照驾驶员操纵特征的模糊逻辑判断，便可对路面状况进行识 别。 表2 _ 3 路面情况与驾驶员操作特征表 上坡i e _ x 、i e ：p零 i e , i 、正小、零霉霉 下坡l e 小、零零 i e 大正中正中正大 2 3 4 车辆负载识别 车辆的负载会经常发生变化，直接影响起步和换档时对制动能量释放的控制，车辆 的负载通过输入轴速度、转速变化率和加速踏板位移量采用模糊逻辑的方法来识别，方 法如图2 3 所示。其中f l 、f 2 为输入信号加速踏板位移量幅值调节系数，将加速踏板的 位移量分别乘以调节系数后分别与输入轴转速和转速变化率信号叠加，作为模糊逻辑判 断的输入量i s ，i s ，输出量o l r r 为负载识别估计值。 图2 _ 3 车辆负载识别 输入输出量的模糊子集分别为： 输入： 正( p ) ，零( z o ) ，负中( ，负大( n b ) 输出： 正大( p b ) ，正中( 蹦) ，零( z o ) ，负( n ) 模糊规则如表2 - 4 ，设计相应的隶属函数并求解，便可得到对车辆负载的估计值 表2 4 负载估计模糊规则 pz oh b pnnn z 0nnz oz o n 7 0 f m p b n bnz op mp b 通过上面分析可知，准确识别驾驶员意图、道路环境和车辆负载需要较多传感器和 大量经验数据的总结。考虑到成本和系统的控制要求，在下面的电子控制系统设计中作 了适当的简化。 2 ，4 电子控制系统总体设计 2 4 1 控制参数的选择 控制参数足指汽车的工况信息以及蓄能器压力等参数，它们的选择对准确地回收和 释放制动能量起着重要作用。按整个系统的控制要求，选择的控制参数如表2 - 5 所示。 表2 - 5 电子控制系统控制参数表 表中所列的加速踏板位置、制动踏板位置作为控制参数，是因为驾驶人员对车辆速 度的控制是通过对油门、刹车的操作来实现，所以对这两个机构状态信息的采集就可以 判断驾驶人员的行为意图：“欲加速”、“欲减速 ； 起步或加速状态由加速踏板位置的变化情况确定。根据人体反应时间及一般驾驶员 操作情况，当油门开度在l o o m s 内增加大于3 0 时则认为其处于起步或加速状态口2 1 。 车速是代表汽车动能的最重要参数，它也是液压系统允许能量回收的门限，当车速 大于一定值时，液压系统才能回收能量。根据液压系统的设计，当汽车肯i 动时，车速 冀h m 系统进行能量回收。当汽车起步和加速时，如果车速3 0 h 1 ，l l ，系统进行能量释放。 蓄能器压力参数是蓄能器释放和回收能量的门限，当蓄能器压力值小于1 5 m p a 时， 液压马达无法完成驱动车辆的功能。压力大于3 5 m p a 时，停止制动能量的回收。 2 42 电子控制系统的总体结构 电子控制系统的总体结构如图2 - 4 所示，可分为传感器、电控单元和执行器三大部 分。 在变速器的输出轴上安装有转速传感器，通过测量转速间接检测车辆行驶的速度。 传感器由两部分组成，一部分是测速盘，一部分是霍尔接近开关。 加速踏板和制动踏板传感器，均由角位移传感器改装而成，分别检测加速踏板和制 动踏板位置信号。 蓄能器压力传感器，用于检测液压系统中蓄能器的压力。 山东砰i 人+ 半修 学位涂支 第二章电了控锄系统总体方案的世； r 一一、 乍速传感器 电磁线圈1 、a ! 动踹扳传感器 a功 信 率 电磁线圈2 y a 号 单 放 加速踏板传感器 处 d 片 大 习 电磁线圈3 y a 理 - -转 机 o 蓄能器压力传感器换 电 电 电 路 倒档开关 路i 电磁线圈4 y a 路 安_ 争计天 i 离含器的线圈i l ei 渡f日路 l 图2 - 4 电子控制系统结构框图 倒档信号用来检测汽车是否出于倒车状态。 获得。 安全开关的作用是当液压系统迸行维修时， 压。 倒档信号可以直接从变速器的倒档开关 通过特殊操作程序手动控制液压系统卸 电控单元由信号处理电路、a f t ) 转换电路、单片机、功率放大电路、电源电路等组 成，是整个控制系统的核心。 液压机构的电磁瞬是电控系统的执行机构，通过控制电磁阀的动作，实现液压系统 工作模式的切换。 泵马达离合器用于控制泵马达与传动机构动力传递。当液压系统进行能量回收和释 放时，离合器结合；当液压系统压力保持时，离合器分离。 本系统的电控单元安装在公共汽车的驾驶室内，电控单元接收各传感器的检测信号， 实时采样公共汽车的运行参数，通过软件的处理判断出液压系统应采用工作模式。根据 不同的工作模式，电控单元发出相应的控制信号，经过功率放大，驱动相应的电磁阀和 泵，马达离合器动作，实现制动能量再生过程的控制。 2 43电子控制系统工作模式分析 根据能量再生系统的总体控制目标和液压系统的设计参数，电子控制系统主要有以 fr ：作模式： 1 压力保持工作模式 汽车匀速行驶、滑行时，制动能量再生系统压力保持。当公共汽车停车时，制动能 量再生系统不工作，系统处于压力保持状态。 2 能量回收工作模式 山东理i 大学硕士学位论文 第二章电子控制系统总体方案的设计 当车辆制动减速时，铝4 动踏板行程超过2 0 0 o 和车速大于5 k m h 时，电控单元通过检测 安装在制动踏板下面传感器的信号，判断出驾驶员的制动意图，发出信号为蓄能器储能。 此时公共汽车行驶阻力增大，车速将很快降低直至停车。在紧急制动情况下，制动能量 再生系统与原车刹车系统同时起作用，共同完成制动。在汽车需要紧急制动时，原车刹 车系统将起到关键性的作用。 3 能量释放工作模式 公共汽车起步和加速时，并且车速小于3 蛐蓄能器压力大于1 5 m p a ，能量再生 系统启动辅助发动机n 作。 4 强制卸压工作模式 按下设置的安全开关，可以强制系统卸压，使液压系统压力降低至最小值。 5 倒车工作模式 在倒车状态下，系统不工作。 6 故障保护工作模式 当液压系统由于某种原因压力过大时，系统强制卸压，防止液压系统损坏，同时系 统停机和声光报警。各种工作模式对应的运行参数见表2 - 6 。 表2 _ 6 控制系统的各种工作模式对应的运行参数 2 5 本章小结 本章在研究公其汽车制动能量能量再生系统工作原理和系统控制要求的基础上，选 择了制动能量再生电控装置的控制参数，分析了驾驶意图和道路环境条件的识别方法， 为实现基于人一车一路闭环系统的公共汽车制动能量再生的智能控制奠定基础，提出了 公共汽车制动能量再生系统电控装置总体结构，并分析了电子控制系统的主要工作模式a 山东理工大学硕十学位论文 第三煮传感器的i 殳计和选择 第三章传感器的设计和选择 在电子控制系统中，传感器的作用是将车速、加速踏板位置、制动踏板位置和蓄能 器j 畏力等信息转变为电信号，输送给电控单元。 31 车速传感器 车速是系统控制的关键参数之一。由于汽车本身车速表的测量精度较低，故重新设 计了车速传感器。车速的大小是通过测量与车速成正比的转速信号间接得到的。转速的 测量方法有模拟式和数字式两种：模拟式采用测速发电机作为检测元件，得到的信号是 与转速成比例的模拟电压量：数字式通常采用磁电式、霍尔式等为检测元件，得到的信 号是频率与转速成比例的脉冲信号。 磁电式传感器结构简单、成本低，但存在下述缺点：一是其输出信号的幅值随转速 的变化而变化。若转