（车辆工程专业论文）基于advisor的混合动力汽车再生制动控制策略仿真研究.pdf

摘要 混合动力汽车结合了传统内燃机汽车和纯电动汽车各自的优点，保持了优 良动力性，同时，相对传统汽车，有效降低了汽车排放污染物。因此，在倡导 节约能源的今天，其上分析的混合动力汽车的优点决定了在今后今后较长一段 时期内，它将作为汽车新生代的主要发展方向。再生制动是混合动力汽车的一 项关键节能技术，它能在车辆减速或制动过程中，在保证车辆制动性能的条件 下，将车辆动能或位能通过带动电机发电，转化为电能储存在电池中，实现能 量回收，同时产生车辆所需全部或部分制动力。 考虑到电机的制动能量回收率受多方面影响，为了确保制动的安全性以及 稳定性，当前的混合动力汽车虽然设置了再生制动系统，但同时也保留有传统 的液压制动系统，即再生制动和液压制动相结合。因此，如何有效地分配再生 制动力和传统液压制动力，以及如何确保传统摩擦制动系统和再生制动系统协 调稳定工作，并保证汽车制动时的稳定性和安全性，成为混合动力汽车的关键 技术问题。 本文以红旗牌混合动力汽车c a 7 2 2 0 e 为研究对象，分析了混合动力轿车制 动系统的工作特点之后，由理想制动力分配曲线拟合出多段定比例制动力分配 组线，考虑到电机在回收制动能量时受多方面因素的影响，基于这些因素，对 a d v i s o r 中自带的混合动力汽车再生制动分配策略进行修改，基于最大制动能量 回收的思想，提出一种新的制动力分配策略。并在不同的制动强度制动下进行 仿真数据的分析。 在a d v i s o r 环境下对再生制动系统关键部件( 整车、车轮、主减速器、变速 器、发动机、电机、蓄电池) 进行建模，并选取不同的制动工况，对该动态联 合仿真模型进行仿真，对仿真结果中的一系列仿真数据和曲线进行分析后，可 以得出结论，在考虑制动能量回收的诸多影响因素后，根据本文所制定的新的 制动力分配控制策略，电机制动和液压制动能够协调工作，保证了制动时的安 全稳定性，而且能够获得最大化制动能量的回收。因此，该控制策略不仅可以 为实车综合控制策略的制定提供参考，而且对以后相关的台架实验或者实车实 验都有相当的指导意义。 关键词：混合动力，再生制动控制策略，a d v i s o r ，系统建模与仿真 a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cc a r sc o m b i n et h em e r i t so ft h ec o n v e n t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n ev e h i c l e sa n de l e c t r i cv e h i c l e s ，i tm a i n t a i n e sg o o dm o m e n t u ma n dm e a n w h i l e r e d u c e st h e p o l l u t a n t s f r o mv e h i c l ee m i s s i o n s e f f e c t i v e l yc o m p a r e d w i t ht h e c o n v e n t i o n a lv e h i c l e s t h e r e f o r e ,i np r o m o t i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nt o d a y , i t s d e v e l o p m e n tr e p r e s e n t st h ed i r e c t i o no fn e wg e n e r a t i o nc a r sd e v e l o p m e n ti nal o n g e r p e r i o do ft i m em t h ef u t u r e r e g e n e r a t i v eb r a k i n g , i sak e ye n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yo f h y b r i de l e c t r i cc a r s i tc a ns l o wd o w no rb r a k et h ev e h i c l ed u r i n gv e h i c l eb r a k i n g p e r f o r m a n c e u n d e re n s u r i n gt h eb r a k i n gc o n d i t i o n s ，t h ev e h i c l ek i n e t i ce n e r g yt h r o u g h t h ed r i v em o t o rp o w e ro rp o s i t i o n , i sc o n v e r t e di n t oe l e c t r i c a le n e r g ys t o r a g ei nt h ec e l l t oa c h i e v ee n e r g yr e c o v e r y , a n dg e n e r a ta l lo rp a r to f t h ev e h i c l eb r a k i n gf o r c er e q u i r e d t a k i n gi n t oa c c o u n t st h a tt h em o t o rr e c o v e r yo fb r a k i n ge n e r g yi sc h a n g e db ya n u m b e ro fi m p l i c a t i o n s i no r d e rt oe n s u r et 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 ec u r r e n t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s i n t r o d u c et h eh y d r a u l i cb r a k em o t o rb r a k i n gu n d e rt h e p r e m i s eo fc o n v e n t i o n a lb r a k i n gs y s t e m ，i tm e a n st h a tt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n d h y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m ss h o u l dw o r kt o g e t h e r s o ，h o wt od i s t r i b u t ec o n v e n t i o n a l b r a k i n ga n dm o t o rb r a k i n g i st h ek e yt e c h n i c a li s s u e s i nt h i sp a p e r , w es e l e c c th y b r i de l e c t r i cc a r sr e df l a gc a 7 2 2 0 ef o rt h es t u d y s u b j e c t a f t e ra n a l y s i s i n gb r a k i n gs y s t e mw o r k i n g f e a t u r e so fh y b r i de l e c t r i cc a r s ，w e f i to u tam u l t i - s t a g ef i x e dp r o p o r t i o no fb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ng r o u pl i n e sf r o m t h ei d e a lb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nc u r v e 1 1 1 er e c o v e r yo fb r a k i n ge n e r g yi sa f f e c t e d b yv a r i o u sf a c t o r s ，b a s e do nt h e s ef a c t o r s ，w ec h a n g et h ea d v i s o ro w nr e g e n e r a t i v e b r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nm o d u l e ，a n dr a i s ea n e wb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g y c o m b i n e dm u l t i s t a g ef i x e dp r o p o r t i o no fb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ng r o u pl i n e s ，a n d u n d e rd i f f e r e n tb r a k i n gb r a k i n gs t r e n g t h ，w em o d e l i n gk e yc o m p o n e n t s ( v e h i c l e , w h e e l ，m a i ng e a rb o x ，t r a n s m i s s i o n ，e n g i n e ，m o t o r , b a t t e r y ) o 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 mi 1 1t h ea d v i s o r t h e ns e l e c td i f f e r e n tb r a k i n gc o n d i t i o n s ，a n dm a k e s i m u l a t i o nu n d e rt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l a f t e ra n a l y s i s i n gt h ed a t aa n dc x l r v e s a f t e ras e r i e so fs i m u l a t i o n ，i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h en e wv e h i c l eb r a k i n gf o r c e d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yt h i sa r t i c l ed i s s s e dc a ng e tah i g h e rr e c o v e r yo fb r a k i n g e n e r g ye f f i c i e n c y , s oi tc a ng i v et h er e f e r e n c ef o rt h er e a lc a ri n t e g r a t e dc o n t r o l s t r a t e g ya n dg i v es o m eg u i d a n c ef o rt h eb e n c ha n dr e a lv e h i c l et e s t k e yw o r d s ：h e v , r e g e n e r a t i v eb r a k i n gf o r c ec o n t r o ls t r a t e g y , a d v i s o r , m o d e la n d s i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉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。 签名： 学位论文使用授权书 日期：翌_ i 一! 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 慧黧挂鲶丽、翩c ：刁彤日期卯 ( 注：此页内容装订在论列扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 混合动力汽车简介 随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，混合动力汽车及电动汽车将 成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。 我国政府也已经在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中专门开列了包括混合 动力汽车在内的电动汽车重大专项。目前，我国在新能源汽车的自主创新过程 中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立 了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵 ，以整车控制系统、 电机驱动系统、动力蓄电池燃料电池为“三横 的研发布局，通过产学研紧密 合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。 h e v ( h v b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ) 汉译过来名为混合动力汽车。所谓混合动力 就是指汽车有两种或两种以上的动力源。目前所指的混合动力汽车的驱动方式 一般是指汽油驱动方式以及电力驱动方式。当车辆启动停止时，因为发动机此 时工作效率较低，因此关闭发动机，只靠发电机带动。只有当汽车达到一定指 定稳定速度之后，发动机才开始工作，因此，可以通过一系列的控制使发动机 工作在最佳工况状态，这样既保证了较好的动力性，同时排放污染也可以得到 有效降低。 混合动力汽车的整车性能的好坏很大程度上决定于其混合动力系统，经过 数十年的发展之后，混合动力系统由原先的独立离散结构发展为集成化的总成 系统。发动机电机和变速箱一体化结构取代了原来的发动机与电机离散结构。 当前的混合动力汽车上的动力总成装置根据动力传输路线的不同，可分为串联 式、并联式和混联式三种不同的结构。 串联式动力总成结构：发动机、发电机和电动机三部分动力装置通过串联 方式连接在一起组成动力总成系统。工作过程中，发动机首先驱动发电机发电， 电能通过一些列的控制装置输送给电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车或 者直接将电能储存在蓄电池中口1 。小负荷工况运行时，当电池电量充足，混合动 力汽车由电池驱动电动机进而驱动车轮转动。大负荷工况运行时，混合动力汽 车由发动机带动发电机发电进而驱动电动机。当车辆处于启动、加速和爬坡工 武汉理工大学硕士学位论文 况时，由于汽车所需功率较大，为了满足动力性需求，电能由发动机、电动机 组和电池组三者共同提供；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电 池组驱动电动机。如果电池组电量不足，首先由发动机一发电机组对电池组进行 充电，电量充足之后再由电池驱动电动机进而驱动汽车行驶。在经过一些列的 对比实验之后，串联式动力总成系统在城市内低速运行以及频繁起步等工况下 优势相对比较明显。发动机可以经过一定的调整之后，运行在最佳工况点附近， 通过调整电池和电动机的输出改变车辆行驶速度。实际过程中，发动机很难以 固定点工作，通常将工作区间控制在一个狭小的范围内( 扭矩变化较小，但是 转速可以再较大范围变化) ，工作区域的选择一般以燃油消耗最低或者排放水平 最低、噪声最低等为目标。在经过一定的调整之后，怠速和低速等工况发动机 可以尽量避开，效率得到一定程度的提高，排放污染物也有所降低。但是它的 缺点是能量在逐级转换过程中损失较大，机械效率较低口1 。 并联式动力总成结构：并联式动力系统设计中，动力源发动机和电动机共 同驱动汽车。设计时发动机与电动机两套系统相互独立，可以分别单独向汽车 传动系提供扭矩。也就是说，发动机和电动机既可以单独驱动车辆行驶，也可 以共同驱动汽车行驶。当汽车所需驱动功率较大( 加速或爬坡工况) ，电动机和 发动机能够同时向传动机构提供动力，以满足动力性需求。当汽车车速达到巡 航速度时，由发动机维持该速度。在并联式动力系统中，电动机的特性比较特 殊，它可以作电动机工作，又可以作发电机工作，因此在并联式动力总成结构 中又称电动一发电机组口1 。因为结构中没有设置单独的发电机，因此发动机可以 直接通过传动机构驱动汽车行驶，典型的并联式混合动力系统中，发动机以常 规模式工作，但是只提供部分驱动行驶所需要的功率。单独驱动汽车行驶时， 其驱动系统和机械效率损耗和传统的汽车工作模式一样。 混联式动力总成结构：混联式动力装置的优点在于结合了串联式和并联式 的特点，可以设计成双轴驱动系统。双轴驱动系统中，车辆前后轮分别与独立 的驱动系统相连，因此传动系总质量得到很大程度的减轻( 省去了传动轴) 。另 外，在混联式设计中，四个车轮可以同时实现再生制动，显著提高了整车的燃 油经济性。混联式动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置的不 同，可以设计发动机为主动力源或者电机为主动力源两种情况。丰田的p r i u s 属 于以电机为主的形式。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 再生制动原理及关键问题 再生制动又称再生回馈制动，混合动力汽车制动时，制动能量在储存到电 池中之前需要依次经过车轮、半轴、差速器、传动轴、变速器、电动机发电机、 功率变换器。同时，在制动过程中，汽车行驶的惯性能量也经由车轮及传动系 统传递给电机，此时电机充当发电机，以发电形式工作，为动力电池充电，实 现制动能量的回收。而电机在发电过程中产生的电机制动力矩又可以对驱动轮 施加制动，产生制动力，即所谓的再生制动。电动汽车制动时，不是所有的制 动能量都能被回收利用，制动能量在传递的途中需要除去克服传动系的机械摩 擦，损耗的转动惯量，电动机发电机发电过程中、电池充电过程中损耗的能量 囱譬 1 9 守 。 相对传统汽车，混合动力汽车能够回收实现再生制动，但不是所有的动能 或者制动能量都可以再生，也不是所有车轮上都能实现再生制动。在纯电动汽 车或混合动力汽车上，再生制动只有在驱动轮上方可实现，也就是说，从动轮 上仍然需要依靠传统的摩擦制动系统来实现制动。制动时，驱动轮上的制动能 量经过与之相连接的驱动轴逐级传递传送n i l 量储存系统( 如蓄电池中) 中储 存。由此看来，处于安全稳定性的考虑，传统的摩擦制动必不可少。一方面， 单纯的再生制动提供给驾驶者主观上的制动感觉有别于传统汽车制动时的感 觉，容易因为错觉产生制动安全隐患：另一方面，在汽车需要紧急制动时，制动 强度较大，从驾驶安全性的角度考虑，摩擦制动仍将起到关键性的作用，必要 时不开启再生制动。因此只有将再生制动与摩擦制动有效结合，才能形成一个 高效安全的制动系统。因此，要实现安全有效的减速制动，电动汽车的再生制 动必须与传统的摩擦制动协调配合工作。那么，在制动过程中，如何在传统摩 擦制动和再生制动之间进行合理分配，使得混合动力汽车在保证制动稳定性和 安全性前提的同时，又能尽可能多地回收制动能量，成为再生制动系统的关键 问题。 有资料表明( 以p r i u s 混合动力实验结果为例) ，在对日本、美国和欧洲的 常见市区行驶工况研究之后，因为制动能量回收技术的存在，燃油经济性提高 比例超过了2 0 1 6 。这一点相对没有制动能量回收的传统汽车以及其他驱动系统的 车辆相比，存在很大优势。因此，混合动力的再生制动系统成为提高燃油经济 性的重要因素。 再生制动系统参与制动时仍然需要以保证车辆制动效能为前提，车辆制动 武汉理工大学硕士学位论文 或减速时的一部分动能经过转换变为其他形式的能量储存于储能器( 如蓄电池， 飞轮等) 中，同时产生一定的负荷阻力使车辆减速制动。当车辆再次启动或加 速时，或者需要较大功率运行时，储存在储能器中的能量又可以转换为车辆行 驶所需的动能( 驱动力) 。这样，再生制动系统既实现了车辆所需的减速和制动， 又能够将能量回收再利用，燃油经济性得到提高的同时并减少污染物排放。对 于本文所研究的红旗牌c a 7 2 2 0 e 混合动力汽车，能量的回馈和储存是通过发电 机和动力电池组来实现的。 混合动力汽车制动系统是由传统摩擦制动器提供的制动力和再生制动系统 提供的电机制动力复合而成的。制动过程中存在下列三个主要关键问题： 制动过程的稳定性 由于电制动力矩( 即再生制动力矩) 的大小随车速变化影响比较大，这一 特性和只有传统摩擦制动器的制动过程有所不同。在后轮驱动的混合动力电动 汽车上，后驱动轮上进行制动能量的回收。电机产生的制动力矩作用于后轴， 如果电制动力矩过大，后轴可能出现提前抱死，严重时甚至出现后轴侧滑现象， 从而丧失行驶稳定性，行车安全存在隐患【3 】。前驱型混合动力电动汽车上，电机 产生的制动力矩作用于前轴，如果电制动力矩过大，前轴相比后轴提前抱死， 从而前轮失去转向能力，同时附着利用率急剧下降引。 制动能量回收的充分性 制动能量回收的充分性要求尽可能多的回收制动能量，但仍然要求以制动 的安全性和稳定性为前提。混合动力汽车再生制动能量的回收受诸多因素的影 响，包括电池s o c 、电机工作特性、充电速度等口1 。再生制动作用时常存在过充 电及急速充电等情况，这些情况对电池寿命存在极大影响，同时电机和蓄电池 的工作情况因而变得十分复杂，因此，要求充分回收制动能量需要提高短时间 系统充电效率，同时保证系统的安全性，这才是保证制动能充分回收的关键暗3 。 制动过程的平顺性 混合动力电动汽车制动时，因为电制动力矩的加入，在一定程度上减少了 摩擦制动力矩，因此在一定意义上提高了传统摩擦制动器的耐久性。然而因为 电机制动力的加入，驾驶员主观制动感觉，制动踏板的行程以及驾驶过程中的 平顺性都会受到影响。因此需要优化控制电制动力矩的大小，使得驾驶员在在 驾驶过程中对混合动力电动汽车的制动与常规汽车制动的感觉保持一致【l6 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外混合动力汽车再生制动研究发展成果 再生制动技术真正在混合动力汽车上得到应用始于上世纪6 0 年代，一直以 来，由于混合动力汽车的电池技术没有得到突破，关于再生制动的发展也非常 缓慢。上世纪8 0 年代，随着能源短缺的呼声越来越强烈，混合动力汽车理所当 然成为节能汽车新生代的领军角色，而再生制动这项技术作为混合动力汽车的 一项关键技术随着人们的呼声也越来越受重视。 在产品方面，日本丰田公司开发了混合动力汽车“p r i u s ”，相对于原先的混 合动力汽车而言，其特色之处在于再生制动系统搭载电子伺服装置。制动能量 的分配动态变化，实时根据车辆具体情况控制，即通过电液比例控制调节液压 制动力。这样，在保证制动安全稳定性的前提下，更能够有效实现再生制动与 摩擦制动的综合控制。有数据显示，该款混合动力汽车在搭载丰田h t s i i 混合 系统，引入新的再生制动系统及其控制策略之后，整车能量利用率提高达2 0 以上【1 6 1 。本田汽车公司其开发的i n s i g h t 混合动力汽车，其特色在于开发的一 种双制动力分配系数控制再生制动系统。该系统在综合控制i s g 电机、液压系 统的同时结合发动机节气门开度控制，实现了混合动力汽车制动能量的高效回 收【1 7 】。在i n s i g h t 混合动力汽车推出之后，本田公司于1 9 9 7 年推出了电动车 e vp l u s ，因为引入能量回馈制动系统，u d d s 工况下实验数据显示，能量消耗 降低2 6 左右【1 8 1 9 1 。本田公司和福特公司推出的混合动力款的e s c a p e 应用了线 传电液系列再生制动系统，极大地提高了制动能量回收效率。实验数据表明， 这款福特e s c a p e 混合动力车与传统型福特e s c a p e 相比，城际公路综合燃料经济 性提高约5 0 【2 0 2 1 1 。 在研究方面，美国t e x a sa & m 大学的y m a i ng a o 等提出了三种分配控制策略， 针对每种制动力分配策略，在典型城市行驶循环工况下对中度混合动力汽车进行 了仿真分析。此后，结合a b s 系统又进一步提出了一种不同制动强度下的再生制 动控制策略。在该控制策略依赖电子制动系统，可以实现了在不同制动强度下的 制动能量的最大化回收。s r c i k a n e k t 2 8 】和k e b a i l e y t 2 9 1 认为，电机制动力所占比 例越大，越有利于提高整车的能量回收率。y i m i ng a o ，a s a k a 和h o o ny e o 分别 发表了各自设计的制动能量回收系统以及相应的前后轮制动力分配模型3 0 3 1 3 2 1 。 日本交通研究所的h a y a s h i d a 等选取混合动力客车进行仿真分析和台架试验研 究，这些混合动力客车的储能系统由蓄电池和超级电容组合而成。韩国 s u n g k y u n k w a nu n i v e r s i t y 的k o n g h y e o nk i m 突破了轿车再生制动的研究，主要针 武汉理工大学硕士学位论文 对四轮驱动混合动力汽车进行仿真分析，制定了更适合越野车型即四轮驱动混合 动力汽车的再生制动系统制动力分配控制策略，并在再生制动系统、四轮液压系 统以及a b s 控制系统中引入模糊控制理论，最终实现了四轮驱动混合动力汽车再 生制动的综合控制1 3 引。 综上所述，国外各大汽车公司如通用、福特、丰田、本田等在混合动力汽 车再生制动系统的研究上已经取得了很大的进展和突破。在目前量产的混合动 力汽车上普遍搭载有再生制动系统，因此在一定程度上降低了整车燃油消耗、 提高整车的能量利用效率、延长了续驶里程。 在我国，一汽汽车集团，东风汽车集团，长安汽车集团，奇瑞汽车集团都 相继推出了自己的混合动力车型，对再生制动的研究也已经开展了1 0 年多的时 间，但其技术水平基本上还处于初级阶段，主要问题仍然集中在再生制动过程 中能量回收率较低和制动性能较差等问题上。国内目前对混合动力汽车的再生 制动的研究，和国外的研究状况相比，在以下方面仍然有待进一步深入： 再生制动能量管理和控制策略：在保证制动安全稳定性的前提下，针对 不同的行驶工况、不同的路面附着条件以及不同的制动强度要求进行具体分析。 着重研究如何对再生制动和摩擦制动进行合理的能量分配及管理，如何协调控 制再生制动、摩擦制动和a b s 从而获得最大程度的制动能量回收。 再生制动系统建模和车辆制动动力学建模：根据整车车速，制动踏板力 得来的制动力需求以及再生制动的要求，如何建立合理而有效的电机发电机联 合高效率控制模型、电池充电能量控制模型；在搭建各子系统模型以及再生制 动模型完成之后，如何根据不同工况，基于传统摩擦制动器制动模型、再生制 动模型，建立混合动力汽车综合制动动力学模型。 基于整车综合制动动力学仿真的综合优化：如何通过对再生制动过程中 电池、电机单独工作性能曲线变化规律分析以及相互关系分析，对其进行电池 电机联合高效控制，同时对各子系统工作参数不断进行调整和综合控制；在对 不同的工况仿真之后，对制动性能、制动能量回收率等，如何进行一个综合而 有效的评价分析。 再生制动系统的实验模拟、匹配控制和综合评价：如何构建物理模拟环 境，使其能够更贴切反映实际车辆运行状态；如何对混合动力汽车再生制动系 统进行参数匹配和性能优化；在借助搭建的仿真平台进行相关实验模拟之后， 如何依据实验数据提出更加合理科学的再生制动综合性能的测评方法。 因此，混合动力汽车再生制动的理论和实际应用研究还需要进一步深入， 6 武汉理工大学硕士学位论文 作为混合动力汽车的一项关键技术，再生制动技术的完善不但有着重要的理论 意义，而且还具有较高的实用价值。 1 4 本课题研究的主要内容 本文研究对象为红旗牌c a 7 2 2 0 e ，主要研究内容如下： ( 1 ) 对红旗牌c a 7 2 2 0 e 的结构特点以及再生制动系统的工作过程进行分 析，基于这些分析对能量回收的基本原理和电机制动能量回收过程进行研究。 ( 2 ) 分析了混合动力轿车制动系统的工作特点之后，由理想制动力分配曲 线拟合出多段定比例制动力分配组线，考虑到电机在回收制动能量时受多方面 因素的影响，基于这些因素，对a d v i s o r 中自带的混合动力汽车再生制动分配策 略进行修改，提出一种新的制动力分配策略。 ( 3 ) 利用a d v i s o r 仿真平台，对再生制动系统关键部件( 整车、车轮、主 减速器、变速器、发动机、电机、蓄电池) 进行建模。 ( 4 ) 分别选择在初始车速对其混合动力汽车进行小强度、中等制动强度、 紧急制动不同的制动模式下进行仿真，以验证控制策略的可行性。在紧急制动 工况中，为了验证汽车行驶的安全性，分别选取雪路面即小附着系数路面上中 等制动强度和土路面即中等附着系数路面上大制动强度另外进行仿真，。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力汽车再生制动系统控制策略研究 混合动力汽车的再生制动( 能量回馈制动) ，是指在汽车制动减速过程中， 在保证行车安全的前提下，将汽车的动能或位能通过电机发电机发电，转化为 电能储存在蓄电池中。同时为车辆提供制动力，这样既有效的提高了汽车的燃 油经济性，又改善了排放性能，而且减少了制动器摩擦片的磨损。 样车配置和主要参数 本文选用红旗牌混合动力轿车为研究车型，该车为并联双轴结构，其结构 简图如2 1 所示。并联混合动力汽车的发动机和电机通过机械形式叠加为整车提 供驱动能源，发动机和电机可以各自单独形成一条动力线驱动车轮，也可以复 合共同驱动。相对串联混合动力汽车可以避开发动机怠速工况和低转速工况， 工作效率相对较高，燃油经济性得到改善，相对混联结构，控制简单，整车成 本较低。 图2 1混合动力轿车结构简图 混合动力轿车整车参数和各部件参数如下： 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1混合动力轿车技术参数 整备质量( 堙) 1 3 0 0 总质量( 堙) 1 7 1 0 车轮滚动半径t ( m ) o 3 2 迎风面积a ( m 2 ) 空气阻力系数q 0 3 滚动阻力系数z 0 0 1 3 5 重心高度堙( m m ) 5 0 0 轴距l ( m m )2 6 8 7 前轮距e ( m m ) 1 4 7 6 后轮距b 2 ( m m ) 1 4 8 3 空载重心到前轴距离( 满载) ( m m ) 1 0 3 3 ( 1 6 5 3 ) 空载重心到后轴距离( 满载) ( m m ) 1 3 7 1 ( 1 3 1 5 ) 表2 - 2 动力性指标 经济巡航车速k ( k m h ) 9 0 最高车速k ( k m h ) 1 6 0 爬坡最低稳定车速( k m h ) 3 0 百公里加速时间t ( j ) 1 7 5 最大爬坡度k ( ) 3 0 传动效率仇 0 9 表2 - 3 发动机和电机参数例 参数名称发动机电机 最高转速 5 5 0 07 0 0 0 基速 2 2 0 0 最大功率 5 2 5 5 5 0 03 0 连续功率 1 5 最大扭矩 10 6 3 0 0 01 2 0 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 4 变速器速比参数 一档传动比 4 6 五档传动比 o 8 6 二档传动比 2 1 2倒档 4 5 三档传动比 1 4 6 主减速器 4 3 2 四档传动比 1 0 8 表2 - 5 镍氢电池参数嘲1 单体电压值 8 单节最小电压值 6 容量 6 单节最大电压值 9 单体数量 2 0 电池组总质量 1 3 0 2 2 混合动力汽车制动动力学分析 本文所研究的混合动力汽车，制动力来源有电机产生的电磁转矩，经传动 系转化的车轮制动力，我们称为再生制动力：有传统摩擦制动器制动时产生的 制动力；同时，车辆行驶时，由于受到空气阻力、滚动阻力以及爬坡时受到的 坡度阻力，这些也将对混合动力汽车产生制动力。 混合动力汽车的制动动力学方程如下：易：g m - - d u a 公式( 2 1 ) a t 式中：e 整车制动力( n ) ； m 汽车质量( 堙) ； 万汽车质量换算系数( 万 1 ) ； u 。车速( o n h ) 整车行驶时制动力如下：滚动阻力只、坡度阻力曩、空气阻力、前轮制 动器制动力乞。、后轮制动器制动力：、电机制动力，公式如下： 艺= t + e + e + 。+ 2 + 公式( 2 - 2 ) 滚动阻力，：耳= m g f c o $ o f 公式( 2 - 3 ) 式中：滚动阻力系数，f = 0 0 0 7 5 + 0 0 0 0 0 5 6 u 。； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 口坡道角； 空气阻力e ：e = 案 式中：a 迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积( 所2 ) ； c 二空气阻力系数； 坡度阻力巧：c = m g s i n a 电机制动力巴：f = 乏识r 式中：乙电机制动力矩( n m ) i d 主减速器传动比； f 。变速器传动比； ，车轮半径( 研) ； 珊传动系统效率 制动器制动力乞： b e f ：詈d ，2 弓勺 艺l = 互一 b e f 要d ，2 p e 2 = 厶一 式中：只前轮制动压力； 只后轮制动压力； 公式( 2 4 ) 公式( 2 5 ) 公式( 2 6 ) 公式( 2 7 ) d ，前制动轮缸有效直径m ； d ，后制动轮缸有效直径m ； 前轮制动器有效半径m ； 后轮制动器有效半径m ； b e f , 后轮制动器效能因数； b e f r 前轮制动器效能因数； b e f e ，腑：与结构有关。 因为本文主要研究混合动力汽车制动系统( 由制动器、电机组成) 中制 动力的分配问题，所以主要对制动系统产生的制动力研究。制动系统产生的制 武汉理工大学硕士学位论文 动力等于整车制动力减去行驶阻力： = e 一( 弓+ e + 互) = 乞。+ 乞：+ 巴 公式( 2 8 ) 车轮滚动时制动系统提供的制动力冗和地面制动力瓦相等，随制动踏 板位移的增长地面制动力或者制动器制动力成相应正比例增长，且不能超过地 面附着力，即瓦= c = 伊g 公式( 2 - 9 ) 式中：g 整车重力( n ) ； 缈附着系数； 巴地面附着力( ) 2 3 传统汽车制动力分配模型 传统汽车在制动减速过程中只有传统摩擦制动器提供的摩擦制力统起作用。 制动力的分配问题主要是考虑前后制动器制动力之间的比例分配。图2 2 是汽车 在制动过程中的整车受力图。 f z l lf 正 图2 2 汽车制动时整车受力图 汽车制动过程中前后轮所受地面法向反力e 和e ：可由下式表示： 武汉理工大学硕士学位论文 f g ( 6 + z h , ) 毛2 芋 f g ( a 一巩) e z5 芋 a u a t z = 。一 g 公式( 2 1 0 ) 公式( 2 1 1 ) 式中：f 。前轮所受地面法向反力n ； f ，后轮所受地面法向反力n ； 三轴距m ； h 。重心高度m ； b 重心到后轴的距离m ； 口重心到前轴的距离聊； z 制动强度 制动时前、后轮同时抱死，能有效利用附着条件，并保证制动时汽车的方 向稳定性，被定义为安全制动工况。此时的前轮制动器制动力f ，和后轮制动器 制动力只，：的关系曲线如图2 3 被称为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线。 在不同的附着系数妒路面上制动时，前后轮同时抱死需要满足的条件是：整车 路面能够提供的附着力等于前轮制动器制动力与后车轮制动器制动力之和。 前、后制动器制动力同时分别等于各自的地面附着力。 其关系可由式( 2 3 ) 表示： 乞l + 2 = 叩l 匕，= 幔 2 = c f , 2i 式中： 乞：后制动器制动力； 。前制动器制动力 将式( 2 1 ) 带入上式，前后轮同时抱死时有z = 矽， 器制动力的关系，如式( 2 4 ) 酬罢厅甄一睁。 公式( 2 1 2 ) 消去矽后可得前后制动 公式( 2 1 3 ) 由上式可得到前后轮同时抱死时的前轮制动器制动力兄。与后轮制动器制 武汉理工大学硕士学位论文 动力艺：的关系曲线，我们称这条曲线为理想的前后轮制动器制动力分配曲线， 简称i 曲线，如下图所示。 誊 穴 嚣 蓁 缤 o 瀚轮制动力f 娴 图2 3 理想制动力分配曲线 现在大多数汽车的前、后制动器制动力之比并非是曲线关系，而是设定为 一个固定值。分配的比例常用前制动器制动力与汽车总制动器制动力之比来表 示，这一固定比值称为制动器制动力分配系数，用符号表示，即： ：孕 l h 式中，c 。为前制动器制动力； 兀：为后轮制动器制动力； c 为汽车总制动器制动力巴= 巴。+ 巴： 所以我们可以得到：巴。= ：= ( 1 一夕) 鱼：卫 艺： l 一 公式( 2 1 4 ) 公式( 2 1 5 ) 公式( 2 1 6 ) 若用c ：= 晖。表示，则巴：= 晖。为一条通过原点的直线，斜率为： t a n 秒：业 b 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 这条通过原点的直线称为实际前、后制动器制动力分配线，简称线。线 与i 曲线相交，交点b 处对应的附着系数我们称为同步附着系数，同步附着 系数所对应的制动减速度称为临界减速度。汽车的结构参数决定同步附着系 数值，同步附着系数是反映汽车制动性能的一个重要参数。前、后制动器制动 力为固定比值的汽车，制动时前、后轮才能同时达到抱死状态的前提条件是必 须行驶在同步附着系数路面上。 不考虑冰雪路面的情况，通常我们将前后轮制动器制动力分配关系设计成 斜率不同的两端直线，其转折点可按以下原则确定： ( 1 ) 第一个转折点设定为空载理想制动力分配i 曲线和制动强度z - - o 4 的 交点，这样的设计可以保证汽车在湿滑的土路路面( 矽= 0 4 0 5 ) 上制动时整车 的安全性。 ( 2 ) 第二个转折点设定为空载理想制动力分配i 曲线和制动强度z - - - - o 7 的 交点，这样可以保证汽车在湿滑的水泥路面( 缈- - 0 7 ) 上制动时的安全性。 由此可得混合动力汽车未采用再生制动时的实际制动力分配b 线( 如图 2 4 ) 。 耋 捉 赘 萎 窿 o 前轮铡动力( 图2 4 实际制动器制动力分配曲线 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 混合动力轿车再生制动系统控制策略研究 2 4 1a d v i s o r 再生制动控制策略 因本文中混合轿车力车为前轴驱动，可在前轴加入电机制动力，因此，该 制动系统制动力分配存在以下关系： 磊= ，+ + c f 够= p h f b f m 瓦= ( 卜孱) e f m = p m f 嗲 公式( 2 1 7 ) 式中：最总制动力； e 前轮再生制动力； e ，前轮液压制动力； e ，后轮液压制动力； 孱前轴制动力系数 图2 5 给出了a d v i s o r 制动力分配方案，基本原理是由传感器检测到的汽车 行驶速度查表得到前轮摩擦制动分配系数以及前轮电机再生制动分配系数。图 2 - 6 即为自带控制模块的控制算法。前轮制动力分配完毕后，剩余的制动力由后 轮的摩擦制动提供。 图2 5a d v i s o r 制动力分配方案 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6a d v i s o r 制动力分配方案控制算法 由图2 - 6 我们发现，a d v i s o r 提供的制动力分配方案，其制动力分配主要依 据汽车的行驶车速，其不足在于： ( 1 ) 由于制动力随车速变化，因此不便于对再生制动系统进行稳定性分析， 无法判别是否满足e c e 制动法规要求： ( 2 ) 制动能量的回收不能反映电池充电的限制，电机允许发出的电功率除 不仅和电机自身的性能相关，还受限于车载储能装置蓄电池充电时刻的s o c 值、 最大允许充电电流和比功率。其充电必须在s o c 值允许的范围内进行，发电功 率也不能大于线路损耗和储能装置允许的充电功率之和，电流不能大于储能装 置允许的最大电流。否则，有可能损坏蓄电池，或者因传输线路电流过大造成 线路因热量过大被烧坏，而且系统过热也可能引发其他的安全问题。因此，有 必要提出一种高效并切实可行的控制策略。 2 4 2 混合动力轿车制动力分配控制策略 混合动力汽车在制动过程中，轮缸压力、车轮转速、电池荷电状态s o c 、 电机转速将被作为输入信号反馈回制动控制单元，进行闭环控制。基于以上分 析，我们制定了以下混合动力汽车的再生制动控制策略，以期在保证制动安全 性的前提下获得最大能量的回收。 当车速较低时即车速低于最低稳定车速( v 0 8 ，即电池s o c 过高时，不启动 电机再生制动。制动强度z 0 7 即紧急制动时，为了实现车轮防抱死控制，也不 采用电机再生制动。 本文所采用的电机再生制动控制策略如图2 7 所示 图2 7 基于最大化能量回收的再生制动控制策略 武汉理工大学硕士学位论文 再生制动力受电机性能和电池充电功率的共同约束，因此要研究混合动力 系统实际再生制动力，就必须弄清楚电动机制动力、整车制动力、摩擦制动力、 电池充电功率之间的关系。 行车制动时，根据驾驶员施加的制动踏板力得出整车所需的制动力e ，进 而得出整车制动强度z ：z = e ( 万m g ) 公式( 2 1 8 ) 在计算实验车辆的最大制动减速度时，需要考虑到路面附着系数的限制， 在要求制动的稳定性时，一般制动强调z 要求小于同步附着系数编。 永磁同步电动机的发电工况外特性和电动工况外特性基本相似。在低速时， 电机转矩不变，即电机以恒转矩运转，电动机最大制动力不随转速变化而改变。 随