電動大客車電控氣壓制動系統(tǒng)的設(shè)計

電動大客車電控氣壓制動系統(tǒng)的設(shè)計

制動能量回收城市公共交通的擁擠。乘客的行程安排是中斷的，出發(fā)速度是緩慢的，污染極其嚴重。電動大客車有著低排放(或零排放)、多能量來源等優(yōu)勢,可以在很大程度上緩解城市環(huán)境污染和能源短缺的問題。因此,電動大客車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)的一個熱點。電動汽車的突出優(yōu)點之一是能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收。由于在電動客車上引入了再生制動,其制動力分配特性發(fā)生了變化,而前、后輪的制動力分配直接影響到汽車制動效能和方向穩(wěn)定性。如采用傳統(tǒng)的固定比例分配摩擦制動力和電機制動力的并行制動系統(tǒng),則制動控制器只能對電機制動力進行調(diào)節(jié),且電機制動力還受到電池SOC等因素的影響,這勢必不能將摩擦制動力和再生制動力進行很好的協(xié)調(diào),影響了汽車的制動效能和方向穩(wěn)定性。因此,有必要研究一種新的適用于電動客車上的制動系統(tǒng),而對電控氣壓制動系統(tǒng)的研究正是在這方面的一種嘗試。1制動強度控制系統(tǒng)電控氣壓制動系統(tǒng)的原理圖如圖1所示,在該系統(tǒng)中,將原來的機械式制動踏板用電子制動踏板來代替,制動踏板通過線束與制動控制器相連。同時,用電氣比例壓力調(diào)節(jié)閥(以下簡稱:電氣調(diào)壓閥)代替了傳統(tǒng)氣壓制動系統(tǒng)中的制動閥。當駕駛員踩下制動踏板后,制動踏板信號傳給制動控制器;制動控制器根據(jù)踏板信號,計算得到駕駛員的制動強度需求,并計算出車輛所需總制動力;根據(jù)程序設(shè)定的制動力分配方式和當前電機可提供的再生制動力情況,計算出前、后輪所需的摩擦制動力,輸出為前、后電氣調(diào)壓閥的控制信號;前、后電氣調(diào)壓閥根據(jù)輸入的控制信號,調(diào)節(jié)閥體輸出所需的氣壓,并將其輸出氣壓作為繼動閥的控制信號,控制繼動閥輸出氣壓,進而使前、后制動器產(chǎn)生所需的制動力矩。為實現(xiàn)前、后輪氣壓制動力的精確控制,在前、后制動氣室處分別安裝壓力傳感器,將氣壓信號反饋到制動控制器,實現(xiàn)了制動氣室處氣壓的反饋控制。一部分的后輪制動力由電機來提供。2系統(tǒng)模型的構(gòu)建如圖2所示為整車制動時的控制原理圖。再生制動過程中,能量的傳遞路線為:驅(qū)動輪→主減速器→變速器→電機→電池組。2.1車輛動力學模型在車輛制動過程中,本文采用如圖3所示的3自由度車輛動力學模型,包括1個縱向平動和2個車輪轉(zhuǎn)動。建模過程中忽略車身側(cè)傾和車輪轉(zhuǎn)向角,并假設(shè)前/后輪在同一平面內(nèi)運動,其中考慮了滾動阻力和空氣阻力的影響,則車輛動力學模型的基本方程如下:式中,Iw為車輪轉(zhuǎn)動慣量;iω為車輪旋轉(zhuǎn)角速度;FXbi為地面制動力;Tbi為摩擦制動或電機制動所提供的制動力矩;Tfi車輪滾動阻力矩;Ff為滾動阻力;wF為空氣阻力。其中下標i取f和r,分別表示前輪和后輪。2.2輪胎模型的方法整車的制動過程是通過輪胎與地面相互作用來實現(xiàn)的,輪胎縱向特性對制動性能起著重要的影響,因此有必要對輪胎模型進行細致分析。目前常用的基于經(jīng)驗公式的輪胎模型有兩種:雙線性模型和魔術(shù)公式。其中最常用的是由Pacejka等人提出并發(fā)展起來、利用三角函數(shù)組合公式擬合輪胎試驗數(shù)據(jù)的魔術(shù)公式:式中,?0為車輪在純滾動時的附著系數(shù),一般設(shè)為0;A、B、C、D為待定參數(shù),都是與路面有關(guān)的常數(shù)。2.3電氣調(diào)壓閥和繼動閥均起壓實作用電控氣壓制動系統(tǒng)中的主要部件有電氣調(diào)壓閥、繼動閥和制動器。其中電氣調(diào)壓閥和繼動閥均起調(diào)壓的作用,它們的基本功能是當輸入氣壓一定時,使輸出氣壓與所受的控制信號強度成一定的比例關(guān)系。如圖4所示即為電氣調(diào)壓閥和繼動閥的工作示意圖。2.3.1無起點死區(qū)和高控制穩(wěn)定性電氣調(diào)壓閥采用壓電技術(shù)制造,具有響應(yīng)時間短、控制精度高、無起點死區(qū)和高控制穩(wěn)定性等特點。當輸入氣壓一定時,其控制信號與輸出氣壓的關(guān)系為:式中,p2為電氣調(diào)壓閥輸出氣壓;KP為電氣調(diào)壓閥比例系數(shù);UP為電氣調(diào)壓閥輸入控制信號。2.3.2繼動閥的特性方程文中采用膜片式繼動閥結(jié)構(gòu)。根據(jù)繼動閥的膜片及閥門的平衡,可得繼動閥的特性方程為:式中,Am、Af為繼動閥膜片的有效面積和繼動閥閥門的面積;F為閥門彈簧作用力。2.3.3制動氣室液壓系統(tǒng)bfci對于領(lǐng)從蹄式凸輪制動器,在一定的制動氣室氣壓輸入條件下,制動器可產(chǎn)生的車輪制動力矩為:式中,BFci為制動器外部因數(shù),制動器輸出力矩與凸輪軸輸入力矩之比;iA為制動氣室有效承壓面積;ih為制動氣室輸出推桿力對凸輪軸軸線的力臂;p為制動氣室的工作壓力;p0i為克服制動氣室和制動器彈簧回復(fù)力所需壓力。其中下標i取f和r,分別表示前輪和后輪。2.4電機制動轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)矩受到最大功率曲線和最大轉(zhuǎn)矩曲線的限制,可以產(chǎn)生的最大制動轉(zhuǎn)矩是電機轉(zhuǎn)速的函數(shù),如圖5所示。再生制動過程中,電機在某一制動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速條件下,可產(chǎn)生的制動功率為:式中,mT為電機制動轉(zhuǎn)矩;n為電機轉(zhuǎn)速;ηm為電機對應(yīng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的發(fā)電效率。2.5電池soc的確定采用美國愛達荷國家實驗室設(shè)計的Rint模型(也稱內(nèi)阻模型),如圖6所示為電池充電時的電路模型。由圖6得到電池的充電電壓特性為:電池的充電功率為:將上式代入式(7)得:由式(9)可得電池的充電電流為:考慮到變電流的影響,采用標準電流SOC算法。得到電池SOC的計算公式如下:式中,SOC0為電池初始荷電狀態(tài);i(t)為電池瞬時放電電流;α(t)為i(t)與標準電流對應(yīng)的加權(quán)系數(shù);CN為電池額定容量。3動力分配要求在汽車制動過程中,對安全的要求是第一位的,因此,必須使汽車的前、后輪制動力分配滿足一定的要求。在確保安全的前提下,合理地分配再生制動力和摩擦制動力,從而盡可能多地回收制動能量。參考目前幾種典型的制動力分配策略,并結(jié)合電控氣壓制動系統(tǒng)的特點,制定出適合于電控氣壓制動系統(tǒng)的制動力分配策略。3.1生成制動能量如圖7所示為前、后輪的制動力分配曲線。(1)當制動強度z≤0.1時,由于市區(qū)工況下制動強度普遍較低,為盡可能多的回收制動能量,由后輪(即驅(qū)動輪)提供全部制動力;(2)當制動強度0.1<z≤0.2時,后輪制動力分配比例大于理想制動力分配比例,這樣能更充分的利用電機制動力,從而回收更多的制動能量;(3)當制動強度z>0.2時,前、后車輪制動力沿理想制動力分配曲線變化。3.2政策a0.8再生制動和摩擦制動之間的比例關(guān)系,通常有兩種控制策略:固定分配策略和動態(tài)分配策略。本文采用動態(tài)分配策略,其具體控制規(guī)則為:(1)制動踏板動作時,首先判斷電池的SOC值,當SOC>0.8時,為了保護電池不過充,此時認為電機可提供的再生制動力為零,而采用純機械摩擦制動;(2)當SOC≤0.8時,采用電機再生制動,具體操作如下:(1)當制動強度z≤0.7時,后輪優(yōu)先采用電機制動力,不足部分由摩擦制動力提供;(2)當制動強度z>0.7時,制動回收能力已非常有限,為保證汽車緊急制動時的安全性,停止電機再生制動,采用純機械摩擦制動。4整車制動過程仿真為了驗證制動力分配策略、評價制動能量回收效果,利用Matlab/Simulink軟件平臺中對整車制動過程進行仿真分析,仿真模型如圖8所示。仿真中選用北京理工大學研制的某純電動客車的參數(shù)作為仿真中所用車輛的基本參數(shù),如表1所示。4.1制動協(xié)調(diào)過程以駕駛員的制動踏板信號為輸入,采用多次不同制動強度輸入和改變電池SOC初始值,進行仿真結(jié)果對比的方法。如圖9所示,四次制動踏板的輸入信號用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ進行編號。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的制動過程都是在電池SOC初始值為0.7情況下進行的,制動強度z由0分別迅速升至0.09、0.2和0.4,來模擬車輛的輕微制動、一般制動和緊急制動。Ⅳ和Ⅲ的制動踏板信號輸入一樣,區(qū)別在于Ⅳ制動過程的電池SOC初始值為0.8。4.2制動過程仿真結(jié)果仿真中,車輛以72km/h的初速一次制動到停止。仿真結(jié)果如圖10和表2所示,其中圖10為四次制動過程前輪摩擦制動力、后輪摩擦制動力和電機再生制動力矩的變化過程,圖中(a)、(b)、(c)、(d)分別對應(yīng)于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ輸入下的仿真結(jié)果。如圖10(a)、(b)、(c)所示,制動之初車速較高,電機工作在恒功率制動模式下,純電機制動滿足不了后輪制動力要求,需要后輪摩擦制動力參與制動;隨著制動的進行,車速下降,電機制動力逐漸增大,當車速下降到電機恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時,電機制動力達到最大,在這過程中,對后輪摩擦制動力的需求相應(yīng)降低;當車輛快要停止時,電機制動力迅速降為零,此時對后輪摩擦制動力的需求突然增加。在Ⅰ輸入下制動強度小于0.1,因此,前輪摩擦制動力始終為零,如圖10(a)所示;在Ⅳ輸入下,電池SOC初始值為0.8,為了保護電池,采用純機械摩擦制動,電機不參與制動,如圖10(d)所示。仿真結(jié)果與前文制定的制動力控制策略完全符合。表2為四次制動過程的能量回收結(jié)果對比。從表中看出,Ⅰ輸入下電池回收的制動能量最多,隨著輸入制動強度的增加,回收的制動能量依次減少。在Ⅳ輸入下,電池SOC初始值≥0.8,為了保護電池,未采用再生制動,因此,電池SOC保持不變。表中能量回收率是指制動過程結(jié)束后,電池回收的制動能量與制動之前車輛動能之比(仿真中車輛勢能保持不