汽車制動系統(tǒng)電動汽車再生制動研究現(xiàn)狀

1、電動汽車再生制動,主 要 內(nèi) 容,電動汽車再生制動技術(shù)概述,電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,電動汽車制動過程動力學(xué)分析,電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,再生制動與ABS匹配性控制策略,1,2,3,4,5,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.1 再生制動國外研究概況,20世紀(jì)70年代，美國威斯康星大學(xué)經(jīng)過數(shù)年研究，成功研制出液壓式、飛輪式和蓄電池式三種制動能量再生系統(tǒng)。1 1979年，丹麥學(xué)者在福特公司生產(chǎn)的EscortVan 汽車上成功設(shè)計(jì)制造出液壓儲能式制動能量回收系統(tǒng)，使汽車燃料消耗量降低到原來的70%。2 1984年，瑞典沃爾沃公司在重達(dá)16噸的客車上裝備了飛輪式儲能裝置，該裝置的動力傳遞方式為

2、液壓傳動式，制動能量回收實(shí)驗(yàn)表明節(jié)省燃料可達(dá)15%20.5%。3,1 Cikanek SR, Bailey KE. Regenerative Breaking System for A Hybrid Electric Vehicle C. Proceedings of the American Control Conference, Anchorage, AK May 8-10, 2002, 3129-3134 2 Motomu Hakiai, Toshio Taichi, Masahiko Shoda, etc. Brake system of Eco-VehicleJ. The 14th

3、International Electric Vehicle Symposium and Exposition,1997 3 Vint MK. Design and Construction of a Fuel Efficient Braking System J. SAE871233, 1987: 200-214,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.1 再生制動國外研究概況,2000年，美國Michahian大學(xué)建立了并聯(lián)式混合動力電動汽車的再生制動系統(tǒng)模型，系統(tǒng)分析了其再生制動的制動作用以及能量回收的影響因素。4 韓國Sunngkyunkwan大學(xué)在再生制動力分配方面也做了大量的工作，運(yùn)用模

4、糊控制等經(jīng)典控制理論，對再生制動系統(tǒng)、ABS防抱死系統(tǒng)等進(jìn)行了閉環(huán)硬件仿真，推動了新能源汽車的科研進(jìn)展。5 比利時(shí)Flemish研制出一種名叫HEVAN的混合電動車系統(tǒng)，以增加電機(jī)低速時(shí)的感應(yīng)電動勢作為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)能量回收。6,4 Michael Panagiotidis, George Delagrammatikas, et al. Development and use of a regenerative braking model for a parallel hybrid electric vehicle C. SAE, 2000. 5 陳虹，宮洵，胡云峰等. 汽車控制的研究現(xiàn)狀與展

5、望J. 自動化學(xué)報(bào), 2013, 33(04): 322-346. 6 盤朝奉，韓福強(qiáng)，陳燎，徐興，陳龍基于模糊控制的增程式電動汽車能量分配策略J重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，33(03)：140-144,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.2 再生制動國內(nèi)研究概況,1997年，由青島大學(xué)和中國重汽公司聯(lián)合研發(fā)的使用飛輪儲能式蓄能器的 ZK141A型公共汽車，燃油經(jīng)濟(jì)性得到明顯的改善，可節(jié)省35.1%的燃料。 長安大學(xué)郭金剛、葉敏等通過對電動汽車制動電氣再生與機(jī)械摩擦聯(lián)合制動特性進(jìn)行了重點(diǎn)分析，提出了主輔電源能量回饋系統(tǒng)，使再生制動系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)升降壓功能，實(shí)現(xiàn)回收能量對主輔電源充電

6、。 7 西安交通大學(xué)曹秉剛團(tuán)隊(duì)對電動汽車再生制動輔助電源系統(tǒng)及其再生充電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究，在XJTUEV-2電動車能量回收系統(tǒng)上應(yīng)用了現(xiàn)代控制理論最新方法，有效的提高了能量回收效率，達(dá)到了很好的節(jié)能效果。 8,7 葉敏, 郭金剛. 電動汽車再生制動及其控制技術(shù)M. 北京: 人民交通出版社,2013:10-11 8 葉敏, 安強(qiáng), 曹秉剛, 等. 電動汽車主輔電源能量回饋研究J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,1004(23):4,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.2 再生制動國內(nèi)研究概況,北京理工大學(xué)的王軍等，基于變速器擋位影響，確保行車制動安全的前提下，提出了分段復(fù)合策略，能量回收率提高 3%。

7、湖南大學(xué)的周云山等圍繞CJY6470E電動汽車展開研究，通過重新調(diào)整分配方法，在整車仿真及控制模式方面，優(yōu)化了整車控制策略。 9 比亞迪汽車公司在電動汽車再生制動技術(shù)方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其自主生產(chǎn)的F3DM混合動力汽車和E6純電動汽車實(shí)現(xiàn)了電動汽車民用化，這兩款汽車都具有再生制動功能，F(xiàn)3DM帶有兩個(gè)電動機(jī)，可以在汽車需要大動力情況下為汽車提供動力，在制動時(shí)提供再生制動力。 10,9 江王林，王瑞敏電動汽車制動過程受力分析及制動能量回收策略研究J汽車實(shí)用技術(shù)，2012，26(03)：5-9. 10 趙斌. 比亞迪新能源汽車消費(fèi)的影響因素研究D. 長沙: 中南大學(xué),2011,一 電動汽車

8、再生制動技術(shù)概述,1.2 再生制動國內(nèi)研究概況,從總體來看，國外在再生制動方面都開展的相對較早，因此，其在研究和實(shí)際應(yīng)用方面發(fā)展的更加成熟。國內(nèi)對電動汽車的研究還尚處于初級階段，由于產(chǎn)品開發(fā)起點(diǎn)比較高，主要是集中在再生制動性能的軟件仿真和試驗(yàn)臺的開發(fā)方面，而且對于再生制動控制策略的研究的手段與應(yīng)用對象還是比較單調(diào)，大多數(shù)是針對于前驅(qū)式或后驅(qū)式的電動汽車，而在較先進(jìn)的輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車方面相對研究較少，有待深入探究分析,比亞迪 E6 純電動汽車,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.3 再生制動的基本原理,再生制動就是指汽車在一些減速制度工況下行駛時(shí)，通過能量轉(zhuǎn)換裝置的工作可以將部分制動能量轉(zhuǎn)換為

9、其它的形式的能量儲存起來，而儲存的這些能量可供汽車驅(qū)動時(shí)再次利用。在現(xiàn)有的儲能裝置技術(shù)不夠完善的限制下，再生制動技術(shù)的應(yīng)用對于提高電動汽車能量的利用效率，解決電動汽車的續(xù)駛里程問題有著重要的意義。 電動汽車再生制動系統(tǒng)一般由制動系統(tǒng)控制器、操縱機(jī)構(gòu)、電機(jī)制動系統(tǒng)、機(jī)械制動系統(tǒng)和能量儲存系統(tǒng)等組成。11,11 楊洋. 純電動汽車新型電液復(fù)合制動系統(tǒng)研究D. 重慶: 重慶大學(xué),2012,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.3 再生制動的基本原理,在電動汽車運(yùn)行時(shí)，當(dāng)駕駛員給出制動命令到整車控制器，明確汽車工作在再生制動模式下，此時(shí)電機(jī)以發(fā)電機(jī)的形式工作，將生成的電量回饋到儲能裝置，并且反向的電樞電流

10、會產(chǎn)生制動性的轉(zhuǎn)矩，配合機(jī)械摩擦制動降低電動汽車的車速,再生制動原理圖,Ubat：電池端電壓； Ra：電樞電阻； Rb：制動限流電阻； Rc：等效電阻； I2：電機(jī)感應(yīng)電流， I1：制動電流； E：感應(yīng)電勢； L：電機(jī)電樞的電感,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.3 再生制動的基本原理,高頻開關(guān)裝置接在電機(jī)的電樞兩側(cè)，讓該電路能夠以高頻率的形式接通或斷開，生成感應(yīng)電勢E與感應(yīng)電流I2；在電動汽車制動狀態(tài)下，電機(jī)與開關(guān)S構(gòu)成閉合回路，感應(yīng)電流即為制動電流I1； 當(dāng)開關(guān)S斷開后，電流的變化率 立即增大，感應(yīng)電動勢E也快速增大，當(dāng) EU時(shí)電流方向?yàn)閺碾姍C(jī)到蓄電池，此時(shí)電池進(jìn)入充電狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)電流回饋

11、，此時(shí)回饋電流大小為I2,再生制動原理圖,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.4 再生制動系統(tǒng)構(gòu)成分類,制動能量回收愈多愈好，理論上單純的使用再生制動可以做到，讓每次制動產(chǎn)生的能量都能被回收，事實(shí)上是不可能的，再生制動力矩受到很多條件限制，為確保制動的穩(wěn)定性，還需要加上原有的機(jī)械摩擦制動系統(tǒng)，一起構(gòu)成混合制動機(jī)構(gòu)?；旌现苿訖C(jī)構(gòu)按照兩者作用的方式可以分為串聯(lián)制動和并聯(lián)制動模式。12,并聯(lián)制動制動力分配圖,串聯(lián)制動制動力分配圖,12 趙國柱電動汽車再生制動若干關(guān)鍵問題研究D南京航空航天大學(xué)，2012,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.4 再生制動系統(tǒng)構(gòu)成分類,串聯(lián)制動的工作方式是隨整車制動力的大小而

12、變化，始終秉持著再生制動系統(tǒng)工作的優(yōu)先性且最大限度的參與原則。當(dāng)需求的制動力較小時(shí)，僅再生制動系統(tǒng)工作就可以滿足整車制動的要求，因此電動汽車的制動力由電機(jī)提供。當(dāng)需求的制動力較大時(shí)，由于再生制動系統(tǒng)所能提供的制動力是固定的，達(dá)不到整車對于制動力的需求，此時(shí)必須有機(jī)械制動系統(tǒng)參與工作，以提供不足的制動力,串聯(lián)制動制動力分配圖,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.4 再生制動系統(tǒng)構(gòu)成分類,串聯(lián)制動系統(tǒng)一般是需要通過與ABS系統(tǒng)聯(lián)合形成集成控制，它可以調(diào)整單個(gè)車輪的液壓制動力，并能夠最大限度地利用再生制動力與路面附著條件。串聯(lián)制動系統(tǒng)的工作原則決定了在再生制動力利用上比其它方式更為徹底，因此所能回收的

13、能量相對比較高。同時(shí)，串聯(lián)制動系統(tǒng)也有一定的局限性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高而且需要集成的控制系統(tǒng),串聯(lián)制動系統(tǒng)的控制原理,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.4 再生制動系統(tǒng)構(gòu)成分類,并聯(lián)制動系統(tǒng)的特點(diǎn)是再生制動力和機(jī)械摩擦制動力之間的比例是一固定值，即整車制動力在二者之間始終按照固定比例進(jìn)行分配且在參與工作的時(shí)間上具有同時(shí)性,并聯(lián)制動制動力分配圖,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.4 再生制動系統(tǒng)構(gòu)成分類,并聯(lián)制動與串聯(lián)制動系統(tǒng)相比，再生制動系統(tǒng)利用方面不如串聯(lián)方式充分，所能回收的能量也相對較少。但并聯(lián)制動系統(tǒng)也具有一定的優(yōu)益性，只需要對原有傳統(tǒng)機(jī)械制動系統(tǒng)稍加變動即可實(shí)現(xiàn)，因此，結(jié)構(gòu)相對比較

14、簡單，制造成本低,并聯(lián)制動系統(tǒng)的控制原理,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.5 再生制動的影響因素,影響電動汽車再生制動的因素很多，主要包括制動安全性要求、行駛工況、電機(jī)類型及其控制系統(tǒng)類型、車載儲能裝置和再生制動控制策略等。13,14,制動安全性要求:制動系統(tǒng)的目的就是保證汽車在具有足夠的制動效能的情況下，還應(yīng)滿足制動時(shí)方向穩(wěn)定性等其他要求。采用再生制動系統(tǒng)進(jìn)行制動動能回收的首要原則即為必須達(dá)到整車制動效能的要求，在當(dāng)前的再生制動實(shí)現(xiàn)過程中，當(dāng)所提供的再生制動力不能達(dá)到預(yù)期時(shí)，此時(shí)應(yīng)有機(jī)械摩擦制動參與汽車的制動過程。 行駛工況:當(dāng)汽車所運(yùn)行的工況不同時(shí)，制動出現(xiàn)的頻繁程度也是不盡相同的。當(dāng)在

15、城市工況下行駛時(shí)，汽車需要頻繁的制動，相應(yīng)的制動強(qiáng)度也比較低，因此，再生制動系統(tǒng)工作頻率就比較高，回收的制動能量自然就比較多,13 黃冬冬. 四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車再生制動控制策略研究D. 長安大學(xué), 2015. 14 劉新文. 分布驅(qū)動電動汽車再生制動研究D. 重慶大學(xué), 2015,一 電動汽車再生制動技術(shù)概述,1.5 再生制動的影響因素,電動機(jī)及其控制系統(tǒng)類型:對于電動汽車及其驅(qū)動控制系統(tǒng)而言，電動機(jī)不同，其作用效果是有非常明顯差異的，如果一個(gè)電動機(jī)有較寬的恒功率工作區(qū)域，其就能夠長時(shí)間處于高效率工作狀態(tài)，制動能量回收效率也就越高。 車載儲能裝置的影響:電動汽車的車載儲能裝置對再生制動也

16、有很大的影響，作為電動汽車蓄能器，通常是根據(jù)電動汽車要求的不同而選擇，可能是蓄電池、飛輪電池、超級電容器或者為多種方式的組合。決定再生制動能量回收的最為關(guān)鍵的因素就是車載儲能裝置的特性及其所剩余儲存的能量的多少。 再生制動控制策略:再生制動控制策略決定了制動力分配方式以及參與的再生制動的比例，而再生制動力的大小是影響能量回收的最直接因素。在設(shè)計(jì)控制策略時(shí)應(yīng)充分分析車載儲能裝置的特性、電機(jī)的特性、整車制動效能和制動法律法規(guī)等諸多約束條件,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,2.1 利用動力蓄電池組吸收制動能量,此方案主要由驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池組、電磁離合器、控制器

17、和小型汽車的傳動系統(tǒng)等組成。采用蓄電池作為蓄能器，能量由執(zhí)行機(jī)械能-電能之間轉(zhuǎn)化的電動機(jī)（發(fā)電機(jī)）轉(zhuǎn)換和傳遞。蓄電池的充放電狀態(tài)由電子控制單元 ECU 完成，蓄電池的剩余電量的控制也由電子控制單元完成,制動能量再生系統(tǒng)電儲能方案,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,2.1 利用動力蓄電池組吸收制動能量,此種形式的制動能量再生方案常用在電動汽車或混合動力汽車上。電儲能方案具有能量吸收和釋放時(shí)的無污染、行駛噪聲小、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。此外，這種形式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，易于保養(yǎng)和維護(hù)，也不用擔(dān)心能量的泄漏。但是利用蓄電池吸收制動能量，也存在不足,蓄電池充電可接受電流曲線 充電電流對蓄電池壽命的影響,

18、當(dāng)充電電流超過所允許的電壓時(shí)，蓄電池內(nèi)部的水將被電解，產(chǎn)生析氣。充電電過程中，鋰離子蓄電池的充電電流越大，使用過程中的容量衰減就越快，使得蓄電池的使用壽命極大地縮短,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,2.1 利用動力蓄電池組吸收制動能量,此種形式的制動能量再生方案常用在電動汽車或混合動力汽車上。電儲能方案具有能量吸收和釋放時(shí)的無污染、行駛噪聲小、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。此外，這種形式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，易于保養(yǎng)和維護(hù)，也不用擔(dān)心能量的泄漏。但是利用蓄電池吸收制動能量，也存在不足,蓄電池放電過程最高溫度變化 蓄電池不同溫度下的循環(huán)壽命,在放電過程中，放電電流越大，鋰離子蓄電池的溫度就越高。在使用過

19、程中的溫度越高，鋰離子蓄電池的容量下降就越快。基于回收效率和電池組使用壽命考慮，電儲能制動能量回收方案在電動汽車上應(yīng)用不成熟,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,2.2 超級電容,超級電容憑借其功率密度高，充電速度快，壽命長，效率高以及低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是純電動汽車領(lǐng)域中頗具潛力的技術(shù)。15,16 但是，超級電容的能量密度較低，若要作為汽車的單一能量來源會造成體積和重量過大，而且成本也會隨之增加。所以，目前超級電容作為純電動汽車的輔助動力源較為合適,超級電容原理圖,15 武偉,謝少軍,張曌,許津銘. 基于 MMC 雙向 DC-DC 變換器的超級電容儲能系統(tǒng)控制策略分析與設(shè)計(jì)J. 中國電機(jī)

20、工程學(xué)報(bào),2014,27:4568-4575. 16 劉冠男. 基于超級電容的雙向 DC-DC 變換技術(shù)研究D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,2.2 超級電容,超級電容采用雙層電容技術(shù)：當(dāng)向超級電容充電時(shí)，電容內(nèi)電解質(zhì)溶液中的異性離子將會被此時(shí)電極表面的電荷所吸引，形成雙電荷層。這種結(jié)構(gòu)可以存儲電荷面積要比傳統(tǒng)的電容大很多，并且電荷之間距離小很多，使得超級電容的單元電容量大大提高。這種特性非常適合應(yīng)用于純電動汽車中。 超級電容在放電過程中可以提供很高的尖峰電流，該特性可以使其在汽車加速和啟動時(shí)提供瞬時(shí)大功率,超級電容原理圖,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,2.3 鋰

21、電池與超級電容的匹配方案,由于儲能技術(shù)中，比能量和比功率之間的矛盾，很難實(shí)現(xiàn)在同一儲能技術(shù)中既滿足高比能量和高比功率。將鋰電池和超級電容組成復(fù)合電源，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，并克服各自的不足,復(fù)合儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,2.3 鋰電池與超級電容的匹配方案,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,復(fù)合儲能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,將鋰電池與超級電容并聯(lián)，結(jié)構(gòu)最簡單，使超級電容失去了均衡負(fù)載的作用。引入了雙向DC/DC變換器，使其更好地匹配鋰電池工作。由于鋰電池電壓變化平緩，故雙向DC/DC變換器與鋰電池串聯(lián)意義不大。采用兩個(gè)雙向 DC/DC變換器會導(dǎo)致成本提高，且控制復(fù)雜。經(jīng)過分析，圖(b)中電路結(jié)構(gòu)為純電動汽車的復(fù)合儲

22、能系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu),2.4 液壓儲能,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,北京理工大學(xué)苑士華教授、江蘇大學(xué)的何仁教授等在液壓儲能技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)燃油汽車上作了比較深入的研究，作出了實(shí)物、提出了液壓儲能制動能量再生系統(tǒng)相關(guān)的控制策略、申請了若干相關(guān)專利等。 17,18 相比于大型車輛，小型電動汽車由于質(zhì)量較小，液壓蓄能器的體積和液壓傳動系統(tǒng)可以做得較小即可滿足使車輛從靜止起步加速到一定值的要求。利用液壓儲能技術(shù)，可以讓蓄電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充和過熱情況，延長了蓄電池的使用壽命，降低整車使用壽命范圍內(nèi)使用蓄電池的成本，因此液壓儲能技術(shù)完全可以應(yīng)用在電動汽車上。 19,17 Zhuo G R,

23、Li H Y. Research on electro-hydraulic parallel brake system based on ABSJ.2011 International Conference on Electrical and Control Engineering, 2011: 782787. 18 何仁, 胡青訓(xùn). 制動能量再生系統(tǒng)的公共汽車制動過程J. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 26(5): 389392. 19 丁左武. 電動汽車液壓儲能制動能量再生系統(tǒng)研究D. 南京航空航天大學(xué), 2013,2.4 液壓儲能,二 電動汽車儲能系統(tǒng)分析與研究,液壓儲能制動能量再生系統(tǒng)布

24、置形式與方案，分析可知：并聯(lián)方式車型傳動效率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，液壓管路中的管接頭數(shù)量較少，在使用過程中液壓管路的密封性容易保證,并聯(lián),串聯(lián),混聯(lián),三 電動汽車制動過程動力學(xué)分析,三 電動汽車制動過程動力學(xué)分析,3.1 整車阻力分析,根據(jù)汽車系統(tǒng)動力學(xué)分析，汽車在制動時(shí)，會受到各種外力的作用。主要包括來自輪胎與地面接觸而產(chǎn)生滾動阻力Ff、由地面提供的地面制動力Fxb、與空氣接觸而產(chǎn)生在行駛方向上空氣阻力Fw和在特殊情況下如坡道上制動時(shí)由于自身重力作用在行駛方向上的坡度阻力Fi。汽車沿縱向方向制動時(shí)的動力學(xué)方程為： 20,1) 滾動阻力Ff：從輪胎開始與地面接觸到輪胎與地面分離的過程中，輪胎會

25、發(fā)生變形產(chǎn)生一定的作用力從而導(dǎo)致能量損耗。滾動阻力在任何工況下均存在，其計(jì)算方程式為,20 余志生. 汽車?yán)碚揗. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2006,三 電動汽車制動過程動力學(xué)分析,2) 空氣阻力Fw ：汽車在行駛過程中，車身因與空氣接觸而產(chǎn)生作用在行駛方向上的分力即空氣阻力?？諝庾枇ν瑵L動阻力一樣始終存在且方向與汽車運(yùn)動方向相反?？諝庾枇Φ挠?jì)算方程式為,CD空氣阻力系數(shù)，ua行駛速度，A迎風(fēng)面積,3) 坡度阻力Fi：汽車處于上坡運(yùn)行工況時(shí)，由于受到重力的作用而產(chǎn)生的一個(gè)沿著坡道的力這便是坡度阻力。坡度阻力只在汽車處于上坡條件下才會存在且方向同汽車運(yùn)動的方向相反。坡度阻力的計(jì)算公式為,3.1

26、整車阻力分析,三 電動汽車制動過程動力學(xué)分析,4) 地面制動力Fxb ：當(dāng)汽車減速或停車時(shí)，必須受到與運(yùn)動方向相反的外力的作用，往往這個(gè)所需求相反的外來作用力比較巨大，空氣阻力和滾動阻力所產(chǎn)生的影響相對較小，達(dá)不到制動時(shí)的要求，甚至可以忽略不計(jì)。來自外部力由地面提供，通常我們將這個(gè)力稱為地面制動力。地面制動力的存在是有條件的，只有在制動過程中才會存在,當(dāng)車輪處于純滾動狀態(tài)時(shí)，其地面制動力等于制動系統(tǒng)的制動力（制動系統(tǒng)制動力主要包括前輪制動力與后輪制動），在各車輪上需求制動力等于輪轂電機(jī)動力與摩擦制動力之和，且隨著制動踏板開度的增加而增大，但不能超過地面附著力，即,為地面附著系數(shù),3.1 整車阻

27、力分析,三 電動汽車制動過程動力學(xué)分析,acar為車的加速度，M為整車質(zhì)量，b是汽車質(zhì)心到后軸中心線的距離，L為汽車前后軸中心線之間的長度，F(xiàn)f為作用于前軸制動力，F(xiàn)r為作用于后車輪上的制動力，它們之間的關(guān)系,3.2 前后車輪制動力分配分析,車輛受力分析圖,三 電動汽車制動過程動力學(xué)分析,當(dāng)進(jìn)行剎車制動時(shí)，負(fù)載將會從后輪移動到前輪，影響制動力的分配，為此，方便預(yù)測負(fù)載運(yùn)動對制動效果的影響，定義制動強(qiáng)度z為,3.2 前后車輪制動力分配分析,作用在前后車輪上的制動力關(guān)系如下,前后車輪的制動力需要以理想制動力曲線分配的形式來調(diào)節(jié)，以確保行車制動穩(wěn)定性，這樣確定的制動力關(guān)系為,三 電動汽車制動過程動力

28、學(xué)分析,汽車的前后制動力與摩擦系數(shù)有關(guān)，且理想制動力曲線依賴于摩擦系數(shù)，但事實(shí)上，摩擦系數(shù)不易得出,3.2 前后車輪制動力分配分析,前、后輪的制動力分配比例系數(shù)Rf 、Rr為,制動力分配比例不再依賴于摩擦系數(shù)，而是依賴acar，推論可知如果在車輛的重心位置安裝加速度檢測裝置，就能實(shí)現(xiàn)制動力理想分配的目標(biāo)。 21,22,21 孫宏達(dá). 純電動汽車再生制動控制系統(tǒng)的研究D. 哈爾濱理工大學(xué), 2016. 22 李賀. 純電動汽車的再生制動系統(tǒng)與ABS集成控制策略研究D. 武漢理工大學(xué), 2012,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.1 文獻(xiàn)23再生制動控制策略研

29、究,典型的再生制動控制策略有串聯(lián)制動控制策略和并聯(lián)制動策略。其中，串聯(lián)制動包括最佳制動感覺的串聯(lián)制動和最佳能量回收的串聯(lián)制動,23 蘇革航. 純電動汽車復(fù)合儲能再生制動系統(tǒng)的研究D. 哈爾濱理工大學(xué), 2015,1) 串聯(lián)制動-最佳制動感覺,最佳制動感覺的串聯(lián)制動方式是指在分配制動力時(shí)，按照理想制動力分配曲線I來分配前后軸車輪之間的制動力，再通過控制制動時(shí)前后車輪分配所需制動力來實(shí)現(xiàn)整個(gè)制動過程中車輛的行駛距離達(dá)到最短，使駕駛員獲得最佳的制動感覺。 最佳制動感覺的串聯(lián)制動方式保證了制動時(shí)車輛行駛距離滿足駕駛員的需求，但是再生制動力無法充分地參與到制動過程中，故該制動策略回收制動能量的效率較低,

30、具有最佳感覺的串聯(lián)制動策略,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.1 文獻(xiàn)23再生制動控制策略研究,2) 串聯(lián)制動-最佳能量回收,最佳能量回收的串聯(lián)制動是指在滿足所需制動減速度的前提下，盡可能地將施加再生制動力在驅(qū)動軸上，以達(dá)到盡可能多地回收能量的目的。 j點(diǎn)：此時(shí)制動所需的減速度要遠(yuǎn)小于路面的附著系數(shù)，故僅在施加再生制動力在驅(qū)動軸上即可達(dá)到所需的總制動力，無需機(jī)械制動力。 f、c點(diǎn)：這兩個(gè)點(diǎn)均可分配前后輪之間的制動力，其中c點(diǎn)的制動力可以由電機(jī)提供的最大再生制動力，此時(shí)回收的能量可以達(dá)到最大。如果最大再生制動力無法滿足所需制動力，則由機(jī)械制動力提供余下的制動力。 串聯(lián)制動方式需要協(xié)調(diào)再生制動

31、力和機(jī)械摩擦制動力之間的分配比例，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，這也是制動系統(tǒng)研究和開發(fā)過程中的關(guān)鍵,具有最佳能量回收的串聯(lián)制動策略,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.1 文獻(xiàn)23再生制動控制策略研究,3) 并聯(lián)制動控制策略,并聯(lián)制動是指再生制動力和機(jī)械制動力同時(shí)分配在前后車輪上。 總制動力曲線用“機(jī)械制動+再生制動”表示。其中，機(jī)械制動力以固定的比例分配在前后車軸之間，在此基礎(chǔ)上，其余所需的制動力由再生制動力提供給驅(qū)動軸上。 當(dāng)汽車制動所需減速度大于0.9g時(shí)，為了保證車輛制動時(shí)的安全性，再生制動不工作，制動力全部由機(jī)械制動力提供；當(dāng)制動所需減速度小于0.9g時(shí)，再生制動工作；當(dāng)制動所需減速度

32、小于0.15g時(shí)，認(rèn)為是輕度制動，此時(shí)驅(qū)動軸上僅施加再生制動力，機(jī)械制動不工作。 并聯(lián)制動的結(jié)構(gòu)相對簡單，且易于應(yīng)用。其能量回收效果和制動安全性介于最佳能量回收的串聯(lián)制動和最佳制動感覺的串聯(lián)制動之間,并聯(lián)制動策略,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.2 文獻(xiàn)14分布驅(qū)動電動汽車再生制動控制策略研究,目前較為常見的典型的再生制動控制策略主要有并行制動力分配控制策略、前后軸理想制動力分配控制策略、最大制動能量回收控制策略,1) 并行制動力分配策略,機(jī)械制動與再生制動相互獨(dú)立，互不影響。制動時(shí)分別沿兩條路線傳遞制動力。一方面根據(jù)制動踏板動作執(zhí)行機(jī)械制動，前、后制動力按固定比值進(jìn)行分配；另一方面根據(jù)

33、當(dāng)前車速、電池SOC值和機(jī)械制動力大小確定是否進(jìn)行再生制動以及再生制動力矩的大小,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.2 文獻(xiàn)14分布驅(qū)動電動汽車再生制動控制策略研究,2) 前后軸理想制動力分配策略,分布驅(qū)動電動汽車，其理想制動力分配控制策略與前輪驅(qū)動或后輪驅(qū)動電動汽車有所不同，但控制結(jié)果一樣，這種控制策略主要將前、后軸的制動力比例按理想制動力分配曲線進(jìn)行分配,理想制動力分配策略,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.2 文獻(xiàn)14分布驅(qū)動電動汽車再生制動控制策略研究,2) 前后軸理想制動力分配策略,Fmf、Fmr分別為前后輪電機(jī)的再生制動力，F(xiàn)m_max為電機(jī)最大的再生制動力，F(xiàn)hf、Fhr

34、分別為前后輪機(jī)械制動力。滿載工況：在需求制動力較小的情況下，四個(gè)車輪的制動力由電機(jī)再生制動力提供(A點(diǎn))。當(dāng)需求制動力較大時(shí)，電機(jī)最大再生制動力不能滿足制動需求時(shí)，四個(gè)電機(jī)制動力達(dá)到最大值，不足的制動力由機(jī)械制動力補(bǔ)充(B點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：能充分利用地面附著條件，制動距離短，制動時(shí)汽車方向穩(wěn)定性好，而且能量回收率較高；缺點(diǎn)：這種控制方案需要使前后輪制動力嚴(yán)格按照理想制動力分配曲線分配，車輛在不同的載重下，其理想制動力分配曲線不同，需要精確檢測前、后軸法向載荷，對硬件要求較高，控制相對復(fù)雜,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.2 文獻(xiàn)14分布驅(qū)動電動汽車再生制動控制策略研究,3) 最大制動能量回收控制

35、策略,最大制動能量回收控制策略的核心思想是盡可能的讓電機(jī)參與制動，進(jìn)而盡可能多的回收制動能量。當(dāng)電機(jī)可以提供的再生制動力矩大于車輛需要的制動力矩時(shí)，完全由電機(jī)再生制動力進(jìn)行制動；當(dāng)電機(jī)可以提供的再生制動力矩小于車輛需要的制動力矩時(shí)，電機(jī)將滿負(fù)荷的參與制動，不足的由機(jī)械制動補(bǔ)充，以此保證最高的制動能量回收率。 通常的控制策略都是在高制動強(qiáng)度即緊急制動時(shí)，都關(guān)閉再生制動，而該文獻(xiàn)通過分析電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間可以滿足機(jī)械制動的響應(yīng)時(shí)間，能滿足汽車制動安全性的要求，所以即使在高強(qiáng)度制動時(shí)也讓電機(jī)滿負(fù)荷參與制動，盡可能多的回收制動能量,最大化回收制動能量控制策略流程圖,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.3

36、 文獻(xiàn)24再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制方案,汽車再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制方案設(shè)計(jì)的基本原則是對傳統(tǒng)制動系統(tǒng)改動少，結(jié)構(gòu)簡單，工作性能可靠、工作壽命長。重新設(shè)計(jì)后的汽車制動系統(tǒng)應(yīng)該在保證車輛制動性能的前提下，既能夠準(zhǔn)確的反映駕駛員的制動意圖，又能夠反饋給駕駛員良好的制動踏板感覺,24 侯付來. 汽車再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制研究D. 蘇州大學(xué), 2016,1) 車輛制動強(qiáng)度劃分,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.3 文獻(xiàn)24再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制方案,輕度制動時(shí)，高速開關(guān)閥1閥口關(guān)閉，高速開關(guān)閥2閥口打開，制動主缸前腔與ABS液壓調(diào)節(jié)單元之間斷開，與踏板感覺模擬器前腔連通。在此制動范圍內(nèi)

37、，整車的制動力由前輪的再生制動力矩與后輪的液壓制動力矩提供。 當(dāng)車輛速度小于5m/s時(shí)，電機(jī)再生制動力矩開始減小直到零，同時(shí)車輛液壓泵開始工作，液壓調(diào)節(jié)單元開始給車輛前輪輪缸增壓，使車輛前輪總的制動力矩達(dá)到車輛前輪需求的制動力矩,2) 制動系統(tǒng)控制過程,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.3 文獻(xiàn)24再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制方案,中度制動時(shí)，高速開關(guān)閥1閥口關(guān)閉，高速開關(guān)閥2閥口打開，制動主缸前腔與ABS液壓調(diào)節(jié)單元之間斷開連通，與踏板感覺模擬器前腔連通。在此制動范圍內(nèi)，整車的制動力由前輪的再生制動力矩和前輪液壓制動力矩和后輪的液壓制動力矩提供。 當(dāng)車輛速度小于5m/s時(shí)，電機(jī)再生制動力矩

38、開始減小直到零，車輛前輪輪缸壓力繼續(xù)增大，使車輛前輪總的制動力矩達(dá)到車輛前輪需求的制動力矩,2) 制動系統(tǒng)控制過程,四 電液復(fù)合再生制動協(xié)調(diào)控制策略,4.3 文獻(xiàn)24再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制方案,重度制動時(shí)，再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制執(zhí)行過程如圖所示，紅色線條代表車輛制動液的流動。 高速開關(guān)閥1閥口打開，高速開關(guān)閥2閥口關(guān)閉，制動主缸前腔與ABS液壓調(diào)節(jié)單元連通，與踏板感覺模擬器前腔斷開連通。整車制動力矩由前輪液壓制動力矩和后輪液壓制動力矩提供,2) 制動系統(tǒng)控制過程,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.1 ABS基本組成,ABS的主要功能:

39、1)縮短制動距離;2)防止車輛轉(zhuǎn)向制動時(shí)造成側(cè)滑;3)改善輪胎的磨損狀態(tài);4)防止因?yàn)橹苿佑凸苈┯驮斐芍苿油耆У母魯喙δ?5)減輕制動踏板踩踏力,提升制動效果。 汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS會因車型不同而不同,因此ABS的類型較多,但基本都包括車輪轉(zhuǎn)速傳感器、電子控制裝置、制動壓力調(diào)節(jié)裝置、常規(guī)制動系統(tǒng)和報(bào)警裝置等,ABS基本組成簡圖,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.1 ABS基本組成,汽車車輪上都安裝的車輪輪速傳感器,將車輪輪速轉(zhuǎn)、角加速度等信息轉(zhuǎn)變成為電信號,輸送給電子控制裝置,電子控制單元經(jīng)過反運(yùn)算,得出車輪輪速、滑移率及角加速度等信息,并加以分析運(yùn)算,將指令傳送給壓力調(diào)節(jié)裝置,

40、然后壓力調(diào)節(jié)裝置發(fā)出制壓力控制指令,對各個(gè)制動輪缸的制動壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),使之與地面的附著情況相適應(yīng),防止制動輪被抱死,ABS基本組成簡圖,此外,電子控制裝置還設(shè)有監(jiān)控單元對ABS的各個(gè)部件的功能進(jìn)行監(jiān)測,一旦這些部件發(fā)生異常,報(bào)警裝置將對駕駛員報(bào)警,并停止整個(gè)ABS的工作。此時(shí)汽車的制動系統(tǒng)將完全變成常規(guī)制動系統(tǒng),五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.2 ABS基本原理,汽車制動時(shí),制動距離的大小取決于制動的減速度,制動減速度的大小取決于輪胎與地面之間的附著力,而輪胎與地面之間的附著力取決于輪胎與地面之間的附著系數(shù),因此輪胎與地面之間的附著系數(shù)成為我們關(guān)注的重點(diǎn)。在汽車制動過程中,對輪胎與地面

41、之間附著系數(shù)影響最大的可控因素,是車輪在制動過程中產(chǎn)生的滑移率的大小,滑移率-附著系數(shù),S為車輪的滑移率,v0為汽車質(zhì)心的縱向速度,r為車輪的行駛半徑,w為車輪的行駛角速度,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.2 ABS基本原理,當(dāng)車輪因抱死而滑動時(shí),輪胎與地面之間的縱向附著系數(shù)有所下降,而側(cè)向附著系數(shù)則幾乎為0,即輪胎與地面之間的側(cè)向附著力基本完全消失。如果后輪制動時(shí)被抱死,由于側(cè)向附著力完全消失,即使受到很小的側(cè)向力干擾,車輛也會產(chǎn)生側(cè)滑,影響車輛制動的方向穩(wěn)定性,滑移率-附著系數(shù),ABS是把車輪運(yùn)動狀態(tài)控制在狹窄滑移率范圍內(nèi)的一種控制裝置,一般在8%35%之間,其作用在于緊急制動時(shí)保

42、證前輪的操縱性能,有保證后輪不會因抱死而產(chǎn)生側(cè)滑的現(xiàn)象,保持汽車的方向穩(wěn)定性。因此,一般情況下,ABS并不參與制動系統(tǒng)的動作,只有當(dāng)某一個(gè)或幾個(gè)車輪趨于抱死時(shí),ABS發(fā)出降壓/增壓指令,如此往復(fù)循環(huán),頻率約在320Hz之間,實(shí)現(xiàn)其防止車輪被抱死的功能,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,邏輯門限值控制方法是當(dāng)今ABS控制領(lǐng)域主要的控制方法,控制穩(wěn)定可靠，但由于大部分邏輯門限值控制方法的門限值具有不可變的特性,影響車輛的穩(wěn)定性及制動效率,因此有必要有效識別路面附著系數(shù),實(shí)時(shí)改變門限值,以獲得最佳的控制效果。文獻(xiàn)25根據(jù)自適應(yīng)控制理論,提出了基于門限值自調(diào)整算法的ABS控制

43、方法。 該方法將路面判斷過程放在制動力分配及ABS控制之前,直接將判斷出的路面系數(shù)與車速進(jìn)行線性插值,并查詢邏輯門限值設(shè)置庫,根據(jù)路面系數(shù)變化合理調(diào)整門限值。方法穩(wěn)定可靠,但是在使用前期需要做一定量的邏輯門限值設(shè)置庫,需要花費(fèi)一定時(shí)間,1) 基于門限值庫的邏輯門限值控制方法,25 王偉達(dá).汽車ABS/ASR/DYC集成系統(tǒng)控制方法研究D.北京:北京航空航天大學(xué),2008,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,1) 基于門限值庫的邏輯門限值控制方法,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,2) 基于等時(shí)輪加速度增幅進(jìn)行路面判斷的邏輯門限值控制方法,文獻(xiàn)2

44、6提出了根據(jù)車輛制動狀況,利用邏輯門限值方法,分析輪加速度增加到一定門限值所用的時(shí)間長度來判斷路面情況,從而賦予PID三種不同的控制參數(shù),獲得了一定的控制效果。文獻(xiàn)27在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步估算具體的路面附著系數(shù),考慮車速的修正因素,通過線性插值查表得出理想的邏輯門限值賦予ABS控制器。研究表明取消路面附著系數(shù)完全前置的控制流程更有利于路面判斷的準(zhǔn)確性和控制的精確性。 該方法在判斷路面附著系數(shù)上更加準(zhǔn)確,能夠根據(jù)不同工況進(jìn)行有效的改變邏輯門限值,但是同樣需要大量的模擬過程來確定邏輯門限制庫,26 李建華.基于ESC控制系統(tǒng)的ABS控制策略研究及試驗(yàn)D.長春:吉林大學(xué),2010. 27 王吉.電動輪

45、汽車制動集成控制策略與復(fù)合ABS控制研究D.長春:吉林大學(xué),2011,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,2) 基于等時(shí)輪加速度增幅進(jìn)行路面判斷的邏輯門限值控制方法,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,PID控制器的控制變量是目標(biāo)滑移率和實(shí)際滑移率之差,根據(jù)PID邏輯計(jì)算出電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩調(diào)整信號,并將此信號傳遞至復(fù)合制動系統(tǒng),通過將此信號與輸入復(fù)合制動系統(tǒng)的原始信號進(jìn)行對比調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)對滑移率的有效控制。同時(shí),車輛系統(tǒng)根據(jù)PID控制產(chǎn)生了車輛運(yùn)動狀態(tài)的變化,變化信息將實(shí)時(shí)反饋至PID控制器中,從而形成了針對滑移率的閉環(huán)控制。 此種變目標(biāo)滑移率結(jié)合

46、PID參數(shù)賦值的ABS方法,結(jié)合了邏輯門限值判斷路面附著系數(shù)的準(zhǔn)確和快速響應(yīng)特性,能夠根據(jù)路面和車速及時(shí)判斷最佳目標(biāo)滑移率和應(yīng)輸入PID控制的PID參數(shù)值等,結(jié)合了PID控制方法簡單有效,參數(shù)少的特性,根據(jù)不同制動工況進(jìn)行實(shí)時(shí)的變目標(biāo)滑移率、變PID參數(shù)的控制,控制的輪速更為穩(wěn)定,波動相對更小,3) 基于邏輯門限法路面判斷的變參數(shù)PID控制方法,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,3) 基于邏輯門限法路面判斷的變參數(shù)PID控制方法,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,當(dāng)前大多數(shù)車輛都使用邏輯門限值控制方法,可靠性較高,電動車輛制動系統(tǒng)采用電機(jī)制動

47、,文獻(xiàn)27通過電機(jī)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)ABS性能,因此更需要確保安全性,因此經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明邏輯門限法能夠勝任防抱死任務(wù)。電動車輛的電機(jī)直接通過制動轉(zhuǎn)矩的增加/減少及保持來進(jìn)行ABS控制,相對于傳統(tǒng)液壓ABS控制更加簡單有效。 PID控制效果相對于邏輯門限值方法更簡潔有效,控制參數(shù)少，但以變參數(shù)PID為主控制手段還存在弊端,路面系數(shù)的不確定性和變化的無常性,常?？赡軙筆ID受干擾,滑移率可能會有較大幅度的振蕩,無法控制在合理的范圍內(nèi)。 將變參數(shù)PID控制與邏輯門限值控制進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)PID控制受到干擾時(shí),能夠開啟變邏輯門限值控制,保證控制的穩(wěn)定和車輛的安全性能,4) PID主控制且邏輯門限值法輔助控制的并

48、聯(lián)控制方法,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.3 ABS控制方法,4) PID主控制且邏輯門限值法輔助控制的并聯(lián)控制方法,五 再生制動與ABS匹配性控制策略,5.4 再生制動與ABS的矛盾,1) 制動力矩變化,整個(gè)制動過程中,純電動汽車的車輪速度并非持續(xù)降低,而是時(shí)而增大時(shí)而減小。若ABS根據(jù)監(jiān)測到的傳感器信息,為防止車輪抱死,應(yīng)該減小制動壓力,然而車輪速度減低,電機(jī)提供的再生制動力矩變大,此時(shí)就造成的ABS要減小制動力矩,而電機(jī)在增加再生制動力矩的矛盾；反之,如果ABS根據(jù)檢測到的傳感器信息,應(yīng)該增大制動壓力,然而車輪轉(zhuǎn)速因?yàn)檐囕v的慣性或增壓系統(tǒng)的遲滯而持續(xù)加速,電機(jī)提供的再生制動力矩降低,此時(shí)也造成了ABS要增大制動力矩,而電機(jī)卻在減小再生制動力矩的矛盾,液壓制動力調(diào)節(jié)方式是有一定遲滯的,而電機(jī)輸出的再生制動力矩卻是實(shí)時(shí)變化