純電動汽車ABS制動能量回收

1、基于自尋優(yōu)控制的純電動汽車制動能量回收策略可行性分析 倪蘭青，南京航空航天大學 本課題應從三部分入手，一是汽車建模部分；二是ABS自尋優(yōu)控制部分；三是再生制動部分。一：車輛動力學建模（以單輪模型為例）1.1 單輪車輛模型車輛運動方程：車輛運動方程：車輪縱向摩擦力：N其中，M:汽車質量，F(xiàn)x:輪胎和底面間的附著力，I：車輪轉動慣量，：車輪角速度，r:車輪有效半徑，Tg:地面制動力矩，Tb：制動器制動力矩，：地面摩擦系數(shù)，N：車輪對地面壓力1.2 輪胎模型由于主要研究縱向制動特性,可以選用參數(shù)較少并能反映縱向附著系數(shù)b與滑移率S關系的Burckhardt模型。式中c1、c2、c3為參考系數(shù),下表給

2、出了其在不同路面條件下的取值及該路面最佳滑移率Sopt和最大附著系數(shù)max。雙線性模型 在一些情況下,為了獲得一種解析解,用這種雙線形模型來簡化輪胎模型,如下圖所示:，其中，：最佳滑移率，：滑移率為1時的附著系數(shù):s:車輪滑移率;:峰值附著系數(shù)。1.3 液壓制動系統(tǒng)部分 液壓制動系統(tǒng)包括兩部分：一部分是液壓傳動系統(tǒng)；另一部分是制動器。為進行實時模擬計算，可以建立經(jīng)驗式的l、2階模型系統(tǒng)。為簡化系統(tǒng)，忽略了電磁閥彈簧的非線性因素及壓力傳送的延遲，其傳遞函數(shù)為：式中：K為系統(tǒng)的增益，K=100；T為系統(tǒng)時間常數(shù)，T=001。制動器力學模型描述了制動輪缸壓力輸入及制動力矩輸出間的力學特性。為了簡化仿

3、真研究，在進行仿真時假設制動器為理想元件，如果忽略非線性和溫度的影響，制動力矩瓦可以看作是制動壓力P的線性函數(shù)：Tb=kP式中：Tb為車輪制動力矩；k為制動器制動效能因數(shù)(通過試驗可以得到)；P為液壓傳動系統(tǒng)輸出壓力。1.4 滑移率的計算滑移即為汽車制動時出現(xiàn)車輪速度小于汽車車身速度而導致車輪即滾動又滑動的現(xiàn)象。車輪的滑移率定義為： 二:自尋優(yōu)控制在汽車ABS控制中的應用 王紀森等首先針對常規(guī)車輛首次提出了ABS系統(tǒng)的自尋優(yōu)控制策略,針對不同路況自動搜尋到輪胎和路面之間的最大附著系數(shù),使系統(tǒng)在最大附著系數(shù)附近工作,并在單雙輪模型中進行仿真驗證。通過仿真分析,驗證了自尋優(yōu)防抱死策略在制動時間和制

4、動距離上都優(yōu)于邏輯門限值控制。2.1 自尋優(yōu)防抱死制動控制邏輯 防抱控制就是要通過控制制動力矩Tb使路面可利用附著系數(shù)維持在最大附著系數(shù)附近,這樣即可避免車輪抱死,同時還可獲得最大附著力。輪胎附著系數(shù)與滑移率有如下關系,如下圖所示：該圖中，曲線的峰值點為最佳滑移率點,此時S=Sc,附著系數(shù)取得最大值。在A區(qū),SSc,滑移率小于最佳滑移率,在增大,Tb還可繼續(xù)增大,在C區(qū)則相反,Tb應該減小。因此將A區(qū)稱為增壓區(qū),C區(qū)稱為減壓區(qū)。根據(jù)得Tg=。Tg的變化反映了附著力的變化,也即附著系數(shù)的變化。若已知前一時刻的Tb和當前時刻的角加速度,由上式即可得當前時刻的Tg,因此用Tg-S曲線代替-S曲線進行

5、自尋最優(yōu)。若Tb增大時,Tg增大,說明曲線在A區(qū),Tb還應繼續(xù)增大;若Tb增大時,Tg減小,說明曲線在C區(qū),Tb需要減小;Tb減小,滑移率S減小,因而Tg的大小也發(fā)生變化,Tg開始逐漸增大,此時曲線仍在C區(qū),Tb仍要減小;當過了最優(yōu)點即峰值點時,Tg又要隨著滑移率S減小而減小,當Tb減小,Tg也減小時說明曲線已經(jīng)在A區(qū),此時Tb又要增大。系統(tǒng)不斷重復地進行這種周期性的搜索過程,直到找到最優(yōu)制動力矩,并在它附近循環(huán)工作。根據(jù)上述思路,得出如下關系：從上式可以看出,當Tb、Tg符號相同時應增加制動力矩;當符號相異時則應減少制動力矩。根據(jù)上述策略，可得到相應的自尋優(yōu)控制流程圖如下： 根據(jù)上述車輛單輪

6、模型和自尋優(yōu)控制策略分析建立如下圖所示的單輪ABS自尋優(yōu)控制的仿真模型：在自尋優(yōu)控制中制動轉距的增長速率被理想化,增壓和減壓均是按固定的斜率均勻變化的,即流程圖中所示的nUi和nUd。在自尋優(yōu)控制法仿真試驗過程中,對于控制器部分采用按流程編寫m-function來實現(xiàn)，用m-function編寫m語言比較容易實現(xiàn)。如上圖所示，m-function的輸入為地面制動力矩的變化率Tg,制動器制動力矩的變化率Tb與制動器制動力矩Tb，輸出為制動器制動力矩。仿真初始參數(shù)及路面特征參數(shù)如下所示：經(jīng)過調(diào)試自尋優(yōu)控制模塊即可得較為理想的ABS自尋優(yōu)控制。三 純電動汽車ABS制動能量回收策略分析3.1 再生制動

7、，亦稱為反饋制動，是一種使用在電動汽車上的制動技術。在制動時把汽車動能轉化及儲存起來，而不是變成無用的熱。在制動過程中，把電動機當作發(fā)電機使用，由驅動輪的慣性作為動力源拖動發(fā)電機切割磁感線，講動能轉化為電能，電能經(jīng)逆變器等附件進入電池將能量儲存起來。動力制動通常只會把產(chǎn)生的經(jīng)過電阻轉變成無用的熱，而再生制動則會把電力儲起來或透過電網(wǎng)送走，再生循環(huán)使用。一般的再生制動只會把約20%的動能再生使用，其余的仍然轉變成熱能。本文選用二輪車輛模型進行聯(lián)合仿真，即在原來單輪模型的基礎上要添加前后軸載荷分配模塊，電機模型和電池模型。已知制動時汽車前后軸載荷分配如下：其中，L：軸距，m：汽車質量，a：質心到前

8、軸距離，b：質心到后軸距離，：質心高度。 因此，汽車前后輪地面制動力矩分別為： 3.2 電機模型:試驗測得電機特性曲線， 將曲線數(shù)據(jù)輸入simulink中查表。電機模型根據(jù)當前轉速查表得到該轉速下所能提供的最大再生制動力。如下圖所示為電機特性曲線。根據(jù)電動機的工作原理可知，當由于車速較低或車輪可能發(fā)生抱死而造成電動機輸出軸的轉速很低時，電動機產(chǎn)生的反電動勢很小，所以這時電動機很難給儲能裝置充電。而且，在車速很低時，為可靠停車，有必要完全采用液壓制動系統(tǒng)，并且從再生制動到液壓制動的轉變應該實現(xiàn)一種逐步的過度，一面造成車速突然變化。為實現(xiàn)這一要求，引入電動機轉矩影響因子和SOC影響因子。因此，在一

9、定轉速下，電動機的可利用轉矩可表示為： 其中，：主減速器傳動比，：變速器傳動比，：傳動系效率。3.3 電池模型：試驗測得電機發(fā)電效率數(shù)據(jù)曲線，在simulink中查表。電機發(fā)電效率曲線如下圖所示。電池模型接收電機發(fā)電功率和消耗功率并輸出電池SOC和能量回收率。電機還要對電池進行充電，電機和電池之間的數(shù)據(jù)接口為電機的充電功率p, 其中，n為電機當前轉速，為電機發(fā)電效率。電池SOC 值可按照安時積累法確定，其關系式如下： 其中為初始SOC，為行駛過程中傳遞的電量；為電池總安時容量。 行駛過程中傳遞的電量可以利用下式計算： dtI為當前電流，為電池充放電效率。3.4 再生制動控制策略對于前軸驅動的汽

10、車，制動時，作用在前輪的制動轉矩包括電動機再生轉矩和液壓系統(tǒng)制動轉矩，因此，當制動轉矩需求一定時，存在制動轉矩如何在兩種制動系統(tǒng)之間合理分配的問題。在傳統(tǒng)汽車上，ABS由液壓系統(tǒng)完成，由于電磁閥的開關延遲以及液壓回路的相應滯后，造成制動命令的響應存在1040ms甚至更大的延后，在緊急制動時，這一延遲將嚴重影響汽車的安全性，延長制動距離。采用電動機實現(xiàn)防抱死制動功能，從控制角度看，由于電動機的轉矩響應迅速、準確，因此就可以在極短的時間內(nèi)以很高的精度控制電動機轉矩的變化。另一方面，采用電動機實現(xiàn)制動也可以實現(xiàn)能量回收，并且能夠有效減小對制動器摩擦片的磨損，防止因溫度過高而產(chǎn)生的制動衰退現(xiàn)象的發(fā)生。因此，制動過程中應在保證制動效能及制動穩(wěn)定性的前提下盡可能控制電動機提供的最大的制動轉矩。為盡可能多的回收能量，本文采用最佳制動能量回收控制策略，最佳制動能量回收控制策略的思想是在制動力分配允許的范圍內(nèi)盡量增大電機制動的份額，以達到多回收制動能量的目的。由第二部分自尋優(yōu)控制求得的制動器需求制動轉矩為,電動機的可用轉矩為。對于前輪，（1） 當時，則該輪的制動力矩完全由電動機提供，即： 式中，：第i個輪子的電動機制動轉矩；：第i個輪子的液壓制動轉矩。（2） 當時，則該輪的電動機轉矩為電機能提供給該輪的最大轉矩，其余部分將由液壓系統(tǒng)提供，即：