電動(dòng)大客車電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)大客車電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

制動(dòng)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(yán)重。電動(dòng)大客車有著低排放(或零排放)、多能量來源等優(yōu)勢(shì),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(dòng)大客車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車的突出優(yōu)點(diǎn)之一是能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回收。由于在電動(dòng)客車上引入了再生制動(dòng),其制動(dòng)力分配特性發(fā)生了變化,而前、后輪的制動(dòng)力分配直接影響到汽車制動(dòng)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(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力的并行制動(dòng)系統(tǒng),則制動(dòng)控制器只能對(duì)電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)節(jié),且電機(jī)制動(dòng)力還受到電池SOC等因素的影響,這勢(shì)必不能將摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)力進(jìn)行很好的協(xié)調(diào),影響了汽車的制動(dòng)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(dòng)客車上的制動(dòng)系統(tǒng),而對(duì)電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的研究正是在這方面的一種嘗試。1制動(dòng)強(qiáng)度控制系統(tǒng)電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的原理圖如圖1所示,在該系統(tǒng)中,將原來的機(jī)械式制動(dòng)踏板用電子制動(dòng)踏板來代替,制動(dòng)踏板通過線束與制動(dòng)控制器相連。同時(shí),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(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)閥。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板后,制動(dòng)踏板信號(hào)傳給制動(dòng)控制器;制動(dòng)控制器根據(jù)踏板信號(hào),計(jì)算得到駕駛員的制動(dòng)強(qiáng)度需求,并計(jì)算出車輛所需總制動(dòng)力;根據(jù)程序設(shè)定的制動(dòng)力分配方式和當(dāng)前電機(jī)可提供的再生制動(dòng)力情況,計(jì)算出前、后輪所需的摩擦制動(dòng)力,輸出為前、后電氣調(diào)壓閥的控制信號(hào);前、后電氣調(diào)壓閥根據(jù)輸入的控制信號(hào),調(diào)節(jié)閥體輸出所需的氣壓,并將其輸出氣壓作為繼動(dòng)閥的控制信號(hào),控制繼動(dòng)閥輸出氣壓,進(jìn)而使前、后制動(dòng)器產(chǎn)生所需的制動(dòng)力矩。為實(shí)現(xiàn)前、后輪氣壓制動(dòng)力的精確控制,在前、后制動(dòng)氣室處分別安裝壓力傳感器,將氣壓信號(hào)反饋到制動(dòng)控制器,實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)氣室處氣壓的反饋控制。一部分的后輪制動(dòng)力由電機(jī)來提供。2系統(tǒng)模型的構(gòu)建如圖2所示為整車制動(dòng)時(shí)的控制原理圖。再生制動(dòng)過程中,能量的傳遞路線為:驅(qū)動(dòng)輪→主減速器→變速器→電機(jī)→電池組。2.1車輛動(dòng)力學(xué)模型在車輛制動(dòng)過程中,本文采用如圖3所示的3自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型,包括1個(gè)縱向平動(dòng)和2個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng),其中考慮了滾動(dòng)阻力和空氣阻力的影響,則車輛動(dòng)力學(xué)模型的基本方程如下:式中,Iw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;iω為車輪旋轉(zhuǎn)角速度;FXbi為地面制動(dòng)力;Tbi為摩擦制動(dòng)或電機(jī)制動(dòng)所提供的制動(dòng)力矩;Tfi車輪滾動(dòng)阻力矩;Ff為滾動(dòng)阻力;wF為空氣阻力。其中下標(biāo)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(dòng)過程是通過輪胎與地面相互作用來實(shí)現(xiàn)的,輪胎縱向特性對(duì)制動(dòng)性能起著重要的影響,因此有必要對(duì)輪胎模型進(jìn)行細(xì)致分析。目前常用的基于經(jīng)驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)的魔術(shù)公式:式中,?0為車輪在純滾動(dòng)時(shí)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(dòng)閥均起壓實(shí)作用電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中的主要部件有電氣調(diào)壓閥、繼動(dòng)閥和制動(dòng)器。其中電氣調(diào)壓閥和繼動(dòng)閥均起調(diào)壓的作用,它們的基本功能是當(dāng)輸入氣壓一定時(shí),使輸出氣壓與所受的控制信號(hào)強(qiáng)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(dòng)閥的工作示意圖。2.3.1無起點(diǎn)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(shí)間短、控制精度高、無起點(diǎn)死區(qū)和高控制穩(wěn)定性等特點(diǎn)。當(dāng)輸入氣壓一定時(shí),其控制信號(hào)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(hào)。2.3.2繼動(dòng)閥的特性方程文中采用膜片式繼動(dòng)閥結(jié)構(gòu)。根據(jù)繼動(dòng)閥的膜片及閥門的平衡,可得繼動(dòng)閥的特性方程為:式中,Am、Af為繼動(dòng)閥膜片的有效面積和繼動(dòng)閥閥門的面積;F為閥門彈簧作用力。2.3.3制動(dòng)氣室液壓系統(tǒng)bfci對(duì)于領(lǐng)從蹄式凸輪制動(dòng)器,在一定的制動(dòng)氣室氣壓輸入條件下,制動(dòng)器可產(chǎn)生的車輪制動(dòng)力矩為:式中,BFci為制動(dòng)器外部因數(shù),制動(dòng)器輸出力矩與凸輪軸輸入力矩之比;iA為制動(dòng)氣室有效承壓面積;ih為制動(dòng)氣室輸出推桿力對(duì)凸輪軸軸線的力臂;p為制動(dòng)氣室的工作壓力;p0i為克服制動(dòng)氣室和制動(dòng)器彈簧回復(fù)力所需壓力。其中下標(biāo)i取f和r,分別表示前輪和后輪。2.4電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)速電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù),如圖5所示。再生制動(dòng)過程中,電機(jī)在某一制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速條件下,可產(chǎn)生的制動(dòng)功率為:式中,mT為電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;ηm為電機(jī)對(duì)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(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的Rint模型(也稱內(nèi)阻模型),如圖6所示為電池充電時(shí)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(biāo)準(zhǔn)電流SOC算法。得到電池SOC的計(jì)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(shí)放電電流;α(t)為i(t)與標(biāo)準(zhǔn)電流對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù);CN為電池額定容量。3動(dòng)力分配要求在汽車制動(dòng)過程中,對(duì)安全的要求是第一位的,因此,必須使汽車的前、后輪制動(dòng)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(dòng)力和摩擦制動(dòng)力,從而盡可能多地回收制動(dòng)能量。參考目前幾種典型的制動(dòng)力分配策略,并結(jié)合電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn),制定出適合于電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力分配策略。3.1生成制動(dòng)能量如圖7所示為前、后輪的制動(dòng)力分配曲線。(1)當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1時(shí),由于市區(qū)工況下制動(dòng)強(qiáng)度普遍較低,為盡可能多的回收制動(dòng)能量,由后輪(即驅(qū)動(dòng)輪)提供全部制動(dòng)力;(2)當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度0.1<z≤0.2時(shí),后輪制動(dòng)力分配比例大于理想制動(dòng)力分配比例,這樣能更充分的利用電機(jī)制動(dòng)力,從而回收更多的制動(dòng)能量;(3)當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z>0.2時(shí),前、后車輪制動(dòng)力沿理想制動(dòng)力分配曲線變化。3.2政策a0.8再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)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(dòng)態(tài)分配策略。本文采用動(dòng)態(tài)分配策略,其具體控制規(guī)則為:(1)制動(dòng)踏板動(dòng)作時(shí),首先判斷電池的SOC值,當(dāng)SOC>0.8時(shí),為了保護(hù)電池不過充,此時(shí)認(rèn)為電機(jī)可提供的再生制動(dòng)力為零,而采用純機(jī)械摩擦制動(dòng);(2)當(dāng)SOC≤0.8時(shí),采用電機(jī)再生制動(dòng),具體操作如下:(1)當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.7時(shí),后輪優(yōu)先采用電機(jī)制動(dòng)力,不足部分由摩擦制動(dòng)力提供;(2)當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z>0.7時(shí),制動(dòng)回收能力已非常有限,為保證汽車緊急制動(dòng)時(shí)的安全性,停止電機(jī)再生制動(dòng),采用純機(jī)械摩擦制動(dòng)。4整車制動(dòng)過程仿真為了驗(yàn)證制動(dòng)力分配策略、評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收效果,利用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)中對(duì)整車制動(dòng)過程進(jìn)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(xué)研制的某純電動(dòng)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(dòng)協(xié)調(diào)過程以駕駛員的制動(dòng)踏板信號(hào)為輸入,采用多次不同制動(dòng)強(qiáng)度輸入和改變電池SOC初始值,進(jìn)行仿真結(jié)果對(duì)比的方法。如圖9所示,四次制動(dòng)踏板的輸入信號(hào)用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ進(jìn)行編號(hào)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的制動(dòng)過程都是在電池SOC初始值為0.7情況下進(jìn)行的,制動(dòng)強(qiáng)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(dòng)、一般制動(dòng)和緊急制動(dòng)。Ⅳ和Ⅲ的制動(dòng)踏板信號(hào)輸入一樣,區(qū)別在于Ⅳ制動(dòng)過程的電池SOC初始值為0.8。4.2制動(dòng)過程仿真結(jié)果仿真中,車輛以72km/h的初速一次制動(dòng)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(dòng)過程前輪摩擦制動(dòng)力、后輪摩擦制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力矩的變化過程,圖中(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)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(dòng)之初車速較高,電機(jī)工作在恒功率制動(dòng)模式下,純電機(jī)制動(dòng)滿足不了后輪制動(dòng)力要求,需要后輪摩擦制動(dòng)力參與制動(dòng);隨著制動(dòng)的進(jìn)行,車速下降,電機(jī)制動(dòng)力逐漸增大,當(dāng)車速下降到電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)時(shí),電機(jī)制動(dòng)力達(dá)到最大,在這過程中,對(duì)后輪摩擦制動(dòng)力的需求相應(yīng)降低;當(dāng)車輛快要停止時(shí),電機(jī)制動(dòng)力迅速降為零,此時(shí)對(duì)后輪摩擦制動(dòng)力的需求突然增加。在Ⅰ輸入下制動(dòng)強(qiáng)度小于0.1,因此,前輪摩擦制動(dòng)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(hù)電池,采用純機(jī)械摩擦制動(dòng),電機(jī)不參與制動(dòng),如圖10(d)所示。仿真結(jié)果與前文制定的制動(dòng)力控制策略完全符合。表2為四次制動(dòng)過程的能量回收結(jié)果對(duì)比。從表中看出,Ⅰ輸入下電池回收的制動(dòng)能量最多,隨著輸入制動(dòng)強(qiáng)度的增加,回收的制動(dòng)能量依次減少。在Ⅳ輸入下,電池SOC初始值≥0.8,為了保護(hù)電池,未采用再生制動(dòng),因此,電池SOC保持不變。表中能量回收率是指制動(dòng)過程結(jié)束后,電池回收的制動(dòng)能量與制動(dòng)之前車輛動(dòng)能之比(仿真中車輛勢(shì)能保持不