純電動汽車ABS制動能量回收.doc

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(xué) 本課題應(yīng)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(xué)建模（以單輪模型為例）1.1 單輪車輛模型車輛運(yùn)動方程：車輛運(yùn)動方程：車輪縱向摩擦力：N其中，M:汽車質(zhì)量，F(xiàn)x:輪胎和底面間的附著力，I：車輪轉(zhuǎn)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(guān)系的Burckhardt模型。式中c1、c2、c3為參考系數(shù),下表給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(jìn)行實(shí)時模擬計算，可以建立經(jīng)驗(yàn)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(xué)模型描述了制動輪缸壓力輸入及制動力矩輸出間的力學(xué)特性。為了簡化仿真研究，在進(jìn)行仿真時假設(shè)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(yàn)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(dǎo)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(yīng)用 王紀(jì)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(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過仿真分析,驗(yàn)證了自尋優(yōu)防抱死策略在制動時間和制動距離上都優(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(guān)系,如下圖所示：該圖中，曲線的峰值點(diǎn)為最佳滑移率點(diǎn),此時S=Sc,附著系數(shù)取得最大值。在A區(qū),S<Sc,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(yīng)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(dāng)前時刻的角加速度,由上式即可得當(dāng)前時刻的Tg,因此用Tg-S曲線代替-S曲線進(jìn)行自尋最優(yōu)。若Tb增大時,Tg增大,說明曲線在A區(qū),Tb還應(yīng)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(dāng)過了最優(yōu)點(diǎn)即峰值點(diǎn)時,Tg又要隨著滑移率S減小而減小,當(dāng)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(fù)地進(jìn)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(guān)系：從上式可以看出,當(dāng)Tb、Tg符號相同時應(yīng)增加制動力矩;當(dāng)符號相異時則應(yīng)減少制動力矩。根據(jù)上述策略，可得到相應(yīng)的自尋優(yōu)控制流程圖如下： 根據(jù)上述車輛單輪模型和自尋優(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(zhuǎn)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(yàn)過程中,對于控制器部分采用按流程編寫m-function來實(shí)現(xiàn)，用m-function編寫m語言比較容易實(shí)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，亦稱為反饋制動，是一種使用在電動汽車上的制動技術(shù)。在制動時把汽車動能轉(zhuǎn)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(jī)當(dāng)作發(fā)電機(jī)使用，由驅(qū)動輪的慣性作為動力源拖動發(fā)電機(jī)切割磁感線，講動能轉(zhuǎn)化為電能，電能經(jīng)逆變器等附件進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變成熱能。本文選用二輪車輛模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，即在原來單輪模型的基礎(chǔ)上要添加前后軸載荷分配模塊，電機(jī)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(zhì)量，a：質(zhì)心到前軸距離，b：質(zhì)心到后軸距離，：質(zhì)心高度。 因此，汽車前后輪地面制動力矩分別為： 3.2 電機(jī)模型:試驗(yàn)測得電機(jī)特性曲線， 將曲線數(shù)據(jù)輸入simulink中查表。電機(jī)模型根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速查表得到該轉(zhuǎn)速下所能提供的最大再生制動力。如下圖所示為電機(jī)特性曲線。根據(jù)電動機(jī)的工作原理可知，當(dāng)由于車速較低或車輪可能發(fā)生抱死而造成電動機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速很低時，電動機(jī)產(chǎn)生的反電動勢很小，所以這時電動機(jī)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(zhuǎn)變應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一種逐步的過度，一面造成車速突然變化。為實(shí)現(xiàn)這一要求，引入電動機(jī)轉(zhuǎn)矩影響因子和SOC影響因子。因此，在一定轉(zhuǎn)速下，電動機(jī)的可利用轉(zhuǎn)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(yàn)測得電機(jī)發(fā)電效率數(shù)據(jù)曲線，在simulink中查表。電機(jī)發(fā)電效率曲線如下圖所示。電池模型接收電機(jī)發(fā)電功率和消耗功率并輸出電池SOC和能量回收率。電機(jī)還要對電池進(jìn)行充電，電機(jī)和電池之間的數(shù)據(jù)接口為電機(jī)的充電功率p, 其中，n為電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，為電機(jī)發(fā)電效率。電池SOC 值可按照安時積累法確定，其關(guān)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(dāng)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(qū)動的汽車，制動時，作用在前輪的制動轉(zhuǎn)矩包括電動機(jī)再生轉(zhuǎn)矩和液壓系統(tǒng)制動轉(zhuǎn)矩，因此，當(dāng)制動轉(zhuǎn)矩需求一定時，存在制動轉(zhuǎn)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(guān)延遲以及液壓回路的相應(yīng)滯后，造成制動命令的響應(yīng)存在1040ms甚至更大的延后，在緊急制動時，這一延遲將嚴(yán)重影響汽車的安全性，延長制動距離。采用電動機(jī)實(shí)現(xiàn)防抱死制動功能，從控制角度看，由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、準(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)矩的變化。另一方面，采用電動機(jī)實(shí)現(xiàn)制動也可以實(shí)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(yīng)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(jī)提供的最大的制動轉(zhuǎn)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(jī)制動的份額，以達(dá)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(zhuǎn)矩為,電動機(jī)的可用轉(zhuǎn)矩為。對于前輪，（1） 當(dāng)時，則該輪的制動力矩完全由電動機(jī)提供，即： 式中，：第i個輪子的電動機(jī)制動轉(zhuǎn)矩；：第i個輪子的液壓制動轉(zhuǎn)矩。（2） 當(dāng)時，則該輪的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)能提供給該輪的最大轉(zhuǎn)矩，其余部分將由液壓系統(tǒng)提供，即： （3） 當(dāng)時，為純液壓制動，則： 根據(jù)電動機(jī)原理及制動器原理，控制量電樞電流為： 對于后輪，車輪需求制動力矩完全由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，則 根據(jù)以上分析，對于前輪，再生制動法則去下圖表所示：制動需求制動力矩電機(jī)可用制動力矩再生制動+液壓制動再生制動 根據(jù)以上分析即可建立simulink模型進(jìn)行仿真研究，可以驗(yàn)證純電動汽車能夠有效地進(jìn)行制動能量回收。