纯电动汽车再生制动控制策略研究

1、mamw生删殊omm究2016-12-22 09:45:59汽车工程学报2016年4期初亮何强富子丞刘哲潘俨文abl图1汽车制动时受力分析图(t.r®q ucs ：>oaav jnaor>10rr/equ<it««oj1du;匸 motor_tvt»' 1 叫 70匚 mccb.nw). plt 1f«que!j-i_ntc(aj«rqe<->mioyf80. iffraptflct«1««2 flmode 口 耳 |ma5e«4 moa«

2、1;2)mod«3iprl-plfl,电液制动力分配扌表1主要总成结构及技术参数j-整车质量加/kg1 600轴距/mm2 600srwed uc 匸 motor5 fkp" p_rl=cj>_rrs3;l>gcj；100 km h-brakepedal 15%151054565860626466时间t/s54565860626466时间t/s图7小强度制动时的车速、踏板开度和减速度摘要：对车辆制动动力学和ece法规进行了分析，提出一种基于全解耦式制动系统的串联式再 生制动控制策略。该策略考虑了车辆制动过程中关于车速和制动强度双维度下的电控系统失效安全 性，在保

3、证车辆制动安全性与电机制动失效安全性的同时，提高再生制动能量回收率和车辆经济性。 分别利用crulse和matlab/simulink搭建了整车模型和再生制动控制模型，进行联合仿真。仿真结果 证明，与原控制策略相比，该控制策略能提高车辆在大制动强度制动时的能量回收率，也能提高午辆 在高速、川大强度制动吋的电控系统失效安全性。关键词：电动汽车；再生制动；控制策略；制动安全性；仿真中图分类号：u469.72文献标识码：adoi： 10.3969/j.isn_2095-1469.2016.04.022i世纪是低碳经济的时代，混合动力汽车和纯电动汽车成为了汽车行业发展的趋势。制动能量 回收技术提高了能

4、量利用率，是新能源汽车实现节能减排的有效手段2。在车辆制动过程屮，由于 有电机的参与，会影响车辆安全性、经济性和舒适性。当前车辆上的再生制动控制方法分为两种：一是并联式再生制动，该方法是将电机制动与传统 的液压制动进行简单的叠加，能量回收率比较低，常见于半解耦式制动系统。另一种是串联式再生制 动，该方法优先使用电机制动力，不足制动力使用液压制动力进行补偿，再生制动能量回收率比较高。车辆在髙速和大制动强度需求制动时，如果电控系统出现故障导致电机制动迅速退出，如果因 为电机制动力所占比例过大导致液压制动力不能及时对其进行补偿，驾驶员和乘员会进入危险状态。为了解决上述问题，本文提出了i种考虑车速和制

5、动强度双维度下的电控系统失效安全性的串 联式再生制动控制策略，在保证车俩制动安全性与电机制动失效安全性的同时，提高再生制动能量回 收率和车辆经济性。1.车辆制动动力学以及ece法规1.1制动动力学分析首先，对车辆制动动力学进行分析，在忽略空气阻力的条件下，汽车在水平路面上制动时的受 力情况如图i所示。图中，wf与wr为汽车静止时的前后轴荷；风和r为汽车制动时的前后轴荷；a和6为汽车质 心到前轴和后轴的距离；h为汽车质心到路面的高度；l为轴距；w为汽车整备质量；fhf与fh为前、 后轴所受的制动力；a为车辆减速度。根据受力关系，车辆在制动时路面作用于前、后轴的法向反作 用力为：当各制动器制动力足

6、够大时，根据前后轴载荷分布、前后轴制动力分配和路而附看系数等条件, 制动过程中会出现前轮先抱死、后轮先抱死和前后轮同时抱死三种情况。在这三种情况中，前轮先抱 死是稳定工况，但是会导致车辆失去转向能力；后轮先抱死是危险工况，可能导致后轮侧滑英至甩尾; 前后轮同时抱死时附着条件利用较好，可避免后轮侧滑，前轮只有在最大制动强度时才会失去转向能 力。前后轮同时抱死的条件为：于理想情况，因此满足前后轮同时抱死的前后制动力分配系数为理想制动力分配系数，前后制 动力分配曲线为理想制动力分配曲线，按照式(门)做出的前后制动力分配曲线即为理想的前后轴制 动力分配曲线，即，曲线。图2为车辆在空载和满载时前后轴理想

7、制动力分配曲线。1.2 ece法规分析车辆制动系统要在满足驾驶员制动需求的同时保证车辆制动过程中的安全性。为了保证车辆在 制动过程屮的安全性，联合国欧洲经济委员会制定了 eceri3制动法规，e0eri3制动法规对双轴汽 车前、后轴制动力分配提出了明确要求，规定了前后轴制动力分配系数的范围。车辆在空载和满载情况下以不同制动强度制动时，满足上面不等式组式(15)的前后轴制动力 分配系数即可满足eceri3法规要求，ece法规下限如图2所示。2制动能量回收控制策略新能源汽车制动能量回收控制策略研究应考虑车俩的安全性、经济型和舒适性，其屮车俩安全 性尤为重要。根据制动能量回收硕件系统方案，制动能量回

8、收控制策略可以分为并联控制策略和岀联 控制策略。针对全解耦式制动能量冋收系统，为了提高制动能量冋收率并且保证车辆制动安全性，同 时能够保证算法开发简单，本文采取串联式再生制动控制策略。具体控制策略包括电液制动力分配策略和前示轴液压制动力分配控制策略，描述如下:（1）整车控制单元监测车辆当前状态和驾驶员输入，车辆状态信息包括车速、轮速，驾驶员输 入包押;加速踏板、制动踏板、主缸压力以及挡位信息。（2）根据当前车辆状态信息和驾驶员输入，对驾驶员的驾驶意图进行识别。在车速不为0的前 提下，如果制动踏板开度不为0,则车辆进入制动模式；如果制动踏板开度为0,车速大于vmin （vmin 为车辆能够持续维

9、持的最低稳定车速，即本策略中的电爬稳定车速，取vmin=10knl/h）且加速踏板开 度为0,则车辆进入滑行模式；加速踏板开度大于0,车辆进入驱动模式；如果加速踏板开度与制动 踏板开度都为0,且车速不大于vmin时，车俩进入电爬模式。（3）在制动模式下，根据车速、制动踏板开度以及主缸压力这儿项车辆状态和驾驶员输入进行 制动意图识别，判断车辆需求制动力，并对电机制动力和液圧制动力进行分配。该步骤需要在电池非 满电且电池与电机状态正常的基础上进行，否则，单独使用液压制动，不使用电机制动。在滑行模式 下，液压制动力不起作用，电机输出i/2f”制动力（局为车辆在冰、雪等低附附着系数路面上的最大 附看力

10、）。（4）由于该再生制动控制方法采用出联式，优先使用电机制动力，所以需要根据车速、制动踏 板开度、电池以及电机状态信息先确定最大电机制动力。如果最大电机制动力大于需求制动力，则车 辆制动力全部由电机提供；如果报大电机制动力小于需求制动力，则不足制动力使用液压进行补偿， 液压制动力按照定比例关系分配给前后轴轮缸。（5）在制动模式下，当车速小于vmin时（图3屮a区域），全部使用液压制动，不使用电机 制动；当车辆在中、低车速，中、小强度制动（图3中b区域）时，根据步骤（4）输出电机制动力 和液压制动力；当车辆在高速、大强度制动（图3中c区域）时，为了防止电控系统突然失效导致车 辆失控，保证电机制动

11、失效时液圧能够及时对制动力进行补偿，考虑液压系统的增压速率，对电机输 出的制动力进行限制。此时电机输出制动力不再是沿电机外特性曲线输出，电机制动力大于l/2femax（fvemax为电机最大制动力）的部分，电机输lb femax制动力，电机制动力小t l/2femax的部分，根据 步骤（4）进行输出，不足制动力由液压进行补偿。该控制方法增大了车辆在高速、大强度制动时的 液圧制动力比例，提高了系统在电控失效情况下的响应能力，保障车辆的安全性。（6）在滑行模式下，液压制动系统不起作用，考虑到车辆在不同附着系数路面上的滑行稳定性 以及回收部分车辆滑行动能，电机输出1/夺附制动力仆肝为车辆在冰、雪等低

12、附路面匕的最大附着 力）。（7）上述步骤中，当液压制动系统工作时，合理地对前后轴液压制动力进行分配，使其满足 ece法规要求。（8）上述步骤屮，考虑到电机在低速时，再生制动能量回收效率比较低，当车速降低到vmin 时，电机制动力完全退出，由液压系统对车辆进行制动。电液制动力分配策略如图4所示。3. 搭建模型使用matlab/simulink软件搭建车辆再生制动控制模型，汽车制动过程中，电液制动力分配的判 断逻辑如图5所示。使用cruise搭建整车模型，本文所采用的目标车型为前置前驱的纯电动轿车，电机输岀轴通过 主减速器与前轮克接连接，车辆技术参数见表1。利用cruise-interface模块

13、作为接口，将整车模型中的车速、制动压力、电机外特性等变量传递 给matlab/simulink，同时获得后者计算得到的控制信号，对车辆模型进行控制，其实际作用相当于 实车屮的整车控制器hcu。用cruise搭建的车辆模型如图6所示。4. 仿真结果分析下面以初始车速为80 km/h、100 km/h,在不同制动强度下的制动试验为例，对本文提出的控 制策略进行验证。图7为车俩在小强度制动时的车速和减速度，由图可知，当车辆在15%制动踏板开度下制动时, 车辆的制动减速度ffi-2m/s2左右，产生的制动强度为02图8为车辆在小强度制动吋的电机转矩和轮粧压力，由图可知，制动过程由t=54 s开始，到t

14、=66s 结束。制动开始后，电机输出转矩沿电机外特性曲线变化，但是电机制动力矩不能满足需求制动力矩, 因此前后轮缸进行主动增压，对电机制动力进行补偿，当电机输出最大制动转矩一 140n-m左右并保 持稳定时，前后轮缸压力也基本保持不变。当车速减小到10km/h左右时，电机制动力矩迅速减小， 开始退出再生制动，但是制动踏板仍然保持相对稳定，前后轴液压开始增大对电机制动力进行补偿， 电机制动力完全退出后，由液压单独对车辆进行制动，使车辆停车。图9为车辆在中强度制动时的车速和减速度，由图可知，当车俩在50%制动踏板开度下制动时, 车辆的制动减速度在-5m/s2左右，产生的制动强度为0.5。图10为车

15、辆在中强度制动时的电机转矩和轮缸圧力，此时制动强度车速点落在图3中c区域, 所以电机输出1/2fcmx电机制动力并保持不变，轮缸液压增大，输岀液压制动力对电机制动力进行补 偿。当车速减小到10km/h左右时，电机制动力矩迅速减小，由液压制动力完成车辆停车。在中高速、 屮大强度制动时，对电机输出转矩进行限制，提高了电机失效安全性。图伯为车辆在大强度制动时的午速和减速度，由图可知，当车辆在75%制动踏板开度下制动 时，-车辆的制动减速度在7m/s2左右,产生的制动强度为0.7,属于大强度制动。图12为车辆在大强度制动时的电机转矩和轮缸压力，此时制动强度车速点落在图3屮c区域, 所以电机输出1/2fcmax电机制动力并保持不变，轮缸液压增大，输出液压制动力对电机制动力进行补 偿。当车速减小到10km/h左右时，电机制动力矩迅速减小，由液压制动力完成车辆停车。车辆在大 强度制动时，对电机输出转矩进行限制，提高了5. 结论文本针对纯电动汽车再生制动控制策略进行了研究，提出了一种基于全解耦式制动系统构型的 串联式再牛制动控制策略，并搭建了控制策略模世和整车模世对