纯电动汽车ABS制动能量回收

1、纯电动汽车ABS制动能量回收作者:日期:基于自寻优控制的纯电动汽车制动能量回收策略可行性分析倪兰青，南京航空航天大学本课题应从三部分入手，一是汽车建模部分；二是 ABS自寻优控制部分；三 是再生制动部分。一：车辆动力学建模（以单轮模型为例）1.1单轮车辆模型车辆运动方程： M；二-Fx车辆运动方程：I 二rFx 一Tb二Tg -Tb车轮纵向摩擦力：Fx =N其中，M:汽车质量，Fx:轮胎和底面间的附着力，I:车轮转动惯量，：车轮角 速度，r:车轮有效半径，Tg:地面制动力矩，Tb :制动器制动力矩，：地面摩 擦系数，N:车轮对地面压力1.2轮胎模型由于主要研究纵向制动特性，可以选用参数较少并能

2、反映纵向附着系数 血与滑 移率S关系的Burckhardt模型。二 q（1c3s式中c1、c2、c3为参考系数，下表给出了其在不同路面条件下的取值及该路面最 佳滑移率Sopt和最大附着系数pmax。路面C1C2C3/iiiiaxT沥青L28O23*990.5200J7l7湿沥占(X85733.820.350().130.8干水泥1.19725.170.5400.161.09干鹅卵石1.3716.460.6700.150.95湿鹅卵石0.40033.710.1200.140.38雪0J9594J30.0650.0&0.19冰0X)5()30640.0010.030.05双线性模型在一些情况下，为

3、了获得一种解析解，用这种双线形模型来简化轮胎模型 如下图所示：土Sc-h- S-乙-SI-g- g-，其中，SC :最佳滑移率，5：滑移率为1时的附着系1-Sc1-Sc数:s：车轮滑移率；：峰值附着系数。A BC1.3液压制动系统部分液压制动系统包括两部分：一部分是液压传动系统；另一部分是制动器。为 进行实时模拟计算，可以建立经验式的I、2阶模型系统。为简化系统，忽略了 电磁阀弹簧的非线性因素及压力传送的延迟，其传递函数为：KS(TS 1)式中：K为系统的增益，K=100; T为系统时间常数，T=0. 01。制动器力学模型 描述了制动轮缸压力输入及制动力矩输出间的力学特性。 为了简化仿真研究，

4、在 进行仿真时假设制动器为理想元件，如果忽略非线性和温度的影响，制动力矩瓦 可以看作是制动压力P的线性函数：Tb=kP式中：Tb为车轮制动力矩；k为制动器制动效能因数（通过试验可以得到）；P为 液压传动系统输出压力。1.4滑移率的计算滑移即为汽车制动时出现车轮速度小于汽车车身速度而导致车轮即滚动又滑动的现象。车轮的滑移率定义为：100%:自寻优控制在汽车 ABS控制中的应用王纪森等首先针对常规车辆首次提出了 ABS系统的自寻优控制策略，针对不 同路况自动搜寻到轮胎和路面之间的最大附着系数 ，使系统在最大附着系数附近 工作,并在单双轮模型中进行仿真验证。通过仿真分析，验证了自寻优防抱死策略 在制

5、动时间和制动距离上都优于逻辑门限值控制。2.1自寻优防抱死制动控制逻辑防抱控制就是要通过控制制动力矩 Tb使路面可利用附着系数维持在最大 附着系数附近，这样即可避免车轮抱死，同时还可获得最大附着力。轮胎附着 系数与滑移率有如下关系，如下图所示：图2轮胎附着系数特征曲线该图中，曲线的峰值点为最佳滑移率点，此时S=Sc,附着系数卩取得最大值。 在A区,S 0（C 区）减压几0.厶V 0（A区）增压从上式可以看出，当 Tb、 Tg符号相同时应增加制动力矩；当符号相异时则 应减少制动力矩。根据上述策略，可得到相应的自寻优控制流程图如下：増压图4-4自寻优控制策略流程图根据上述车辆单轮模型和自寻优控制策

6、略分析建立如下图所示的单轮ABS自寻优控制的仿真模型：图3自寻最优控制系统仿真模型在自寻优控制中制动转距的增长速率被理想化，增压和减压均是按固定的斜率均匀变化的，即流程图中所示的nUi和nUd。在自寻优控制法仿真试验过程中， 对于控制器部分采用按流程编写 m-function来实现，用m-function编写m语言 比较容易实现。如上图所示，m-function的输入为地面制动力矩的变化率 Tg,制动器制动力矩的变化率 Tb与制动器制动力矩Tb,输出为制动器制动力矩。仿真初始参数及路面特征参数如下所示：表1仿真程序的初始数揭制动初速度18m/s汽车总质量300kg车轮滚动半径0.3m车轮转动櫃

7、量2.16kg*m增压貓率5292N*m/s减压鏗率15876N*m/s表2典型路面的附着系数函数路面尹一S的函数高附着系数跆面jU 0 Yes o.i3kO.2 + 0.9360.18 =Sf 1中附着系数路面 = 44ST0.15-0 2 + 0 630.15 = S 1h低附著系数路面乜ES 0.15-0.24-0.480.15 = S 1经过调试自寻优控制模块即可得较为理想的 ABS自寻优控制7三纯电动汽车ABS制动能量回收策略分析3.1再生制动，亦称为反馈制动，是一种使用在电动汽车上的制动技术。 在制动 时把汽车动能转化及储存起来，而不是变成无用的热。在制动过程中，把电动机 当作发电

8、机使用，由驱动轮的惯性作为动力源拖动发电机切割磁感线，讲动能转化为电能，电能经逆变器等附件进入电池将能量储存起来。动力制动通常只会把 产生的经过电阻转变成无用的热，而再生制动则会把电力储起来或透过电网送 走，再生循环使用。一般的再生制动只会把约 20%勺动能再生使用，其余的仍然 转变成热能。本文选用二轮车辆模型进行联合仿真，即在原来单轮模型的基础上要添加前 后轴载荷分配模块，电机模型和电池模型。已知制动时汽车前后轴载荷分配如下：Fzimgbmv hg- Lz2mga m vhgL11其中，L：轴距，m汽车质量，a：质心到前轴距离，b:质心到后轴距离, hg :质心高度。因此，汽车前后轮地面制动

9、力矩分别为:Tg1 二巴Tg2 二吧23.2电机模型：试验测得电机特性曲线， 将曲线数据输入simulink中查表。电 机模型根据当前转速查表得到该转速下所能提供的最大再生制动力。 如下图所示 为电机特性曲线。根据电动机的工作原理可知，当由于车速较低或车轮可能发生抱死而造成电 动机输出轴的转速很低时，电动机产生的反电动势很小，所以这时电动机很难给 储能装置充电。而且，在车速很低时，为可靠停车，有必要完全采用液压制动系 统，并且从再生制动到液压制动的转变应该实现一种逐步的过度，一面造成车速突然变化。为实现这一要求，引入电动机转矩影响因子k.，和SOC影响因子ksoc110(0 9-5f?C)00

10、.9SOC10=J(n-50)/50Itom 50 rad50 100 rad/s因此，在一定转速下，电动机的可利用转矩可表示为:其中，io：主减速器传动比，ig :变速器传动比，：传动系效率。3.3电池模型：试验测得电机发电效率数据曲线，在simulink中查表。电机发电效率曲线如下图所示。电池模型接收电机发电功率和消耗功率并输出电池SOC和能量回收率。电机还要对电池进行充电，电机和电池之间的数据接口为电机的充电功率p,P =Tmn m其中，n为电机当前转速，m为电机发电效率 电池SOC值可按照安时积累法确定，其关系式如下:SOC=SOCni其中SOCini为初始SOC Qtran为行驶过程

11、中传递的电量；Qcap为电池总安时容量 行驶过程中传递的电量可以利用下式计算：Qtran = /dtnessI为当前电流，ness为电池充放电效率 3.4再生制动控制策略对于前轴驱动的汽车，制动时，作用在前轮的制动转矩包括电动机再生转矩 和液压系统制动转矩，因此，当制动转矩需求一定时，存在制动转矩如何在两种 制动系统之间合理分配的问题。在传统汽车上，ABS由液压系统完成，由于电磁阀的开关延迟以及液压回路 的相应滞后，造成制动命令的响应存在 10 40ms甚至更大的延后，在紧急制动 时，这一延迟将严重影响汽车的安全性， 延长制动距离。采用电动机实现防抱死 制动功能，从控制角度看，由于电动机的转矩

12、响应迅速、准确，因此就可以在极 短的时间内以很高的精度控制电动机转矩的变化。另一方面，采用电动机实现制动也可以实现能量回收，并且能够有效减小对制动器摩擦片的磨损，防止因温度过咼而产生的制动衰退现象的发生。因此，制动过程中应在保证制动效能及制动 稳定性的前提下尽可能控制电动机提供的最大的制动转矩。为尽可能多的回收能量，本文采用最佳制动能量回收控制策略， 最佳制动能 量回收控制策略的思想是在制动力分配允许的范围内尽量增大电机制动的份额， 以达到多回收制动能量的目的。由第二部分自寻优控制求得的制动器需求制动转矩为几，电动机的可用转矩为Tm。对于前轮，1(1) 当Tbl-Tm时，则该轮的制动力矩完全由电动机提供，即：Tmi = Tbi ,Thi =0式中，Tmi :第i个轮子的电动机制动转矩；Thi :第i个轮子的液压制动转矩。1(2) 当Tbi丄Tm时，则该轮的电动机转矩为电机能提供给该轮的最大转矩，其2余部分将由液压系统提供，即：11Tmi - Tm, Thi _ Tb _ Tm22(3) 当 Tm =0时，为纯液压制动，则:Tmi - 0, Thi _ Tbi根据电动机原理及制动