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1、第3章 电动汽车制动能量回收控制策略3.3电动汽车制动能量再生控制策略电动汽车致力于再生方面，由于再生制动可以节约环保，因而得到了大力的发展，再生制动原理基于原制动系统，通过原制动系统的研发改进来获得再生制动功能。再生制动和原制动在一定程度上属于不同的制动力，在两种制动力的基础上对其进行实现。电动汽车的制动功能需要面临很多问题，最重要的有两个：第一、对总制动力进行规划，使得制动力在再生和液压两个方面可以平均占有总制动力，这样方便车辆回收避免不必要的浪费；第二、将总制动力合理配置到前轮轴和后轮轴，在前轮轴和后轮轴占有总制动力平衡的情况下电动汽车方可稳定运行。再生制动用于对动力进行再生，应用于驱动
2、轴，在设计时需要考虑对引电机进行控制，以便节约能量减少损耗。现在根据实际情况不同存在着多种再生制动方式，主要的有理想制动、最佳制动和并联制动这三种。3.3.1理想制动力分配控制策略在下面的图中对理想的制动力分配控制策略原理进行了介绍，从图中可以看到，在对汽车进行刹车制动减速时需要借助传感器来进行，此时需要对制动踏板获得感应，以便测算减速程度数据，在制动程度不超过零点一五克时制动力依靠前轮，而不需要后轮提供制动力。在制动力程度超过零点一五克时，则对制动力进行分配，使得前轮和后轮均提供制动力，在下图中对分配情况进行了详细的介绍。其中，作用在前轮上的制动力可分为两部分：再生制动力和机械摩擦制动力，当
3、前轮所需要的制动力小于电动机所能产生的最大制动力时，则前轮制动力全部由再生制动力提供。当前轮所需要的制动力大于电动机所能产生的最大制动力时，电机将会产生最大的制动力矩，同时，剩余的制动力将由机械制动系统予以补足。图 3.3 理想制动力分配控制策略理想制动力分配控制策略在很大程度上可以减少能量的丧失，可以将制动能力重新利用，在短时间内对车进行制动刹车，并且减少车辆振动，汽车在制动时可以稳定行驶。但理想制动力分配控制策略也存在一定的不足之处，对车辆仪器的精确度要求较高，因为它需要在明确前轮和后轮载荷的情况下在可以进行计算，以便对车辆进行制动，因此要对车辆配备高精锻制动器，这样会使得车辆设计繁琐化，
4、在协调程度上会很难，现在车辆设计功能越来越多，在该方面的设计越来越困难。但相信随着传感技术及ABS控制技术的不断发展，未来该策略可能会得到实际应用。3.3.2最佳制动能量回收控制策略在下图中对最佳能量回收控制策略进行了介绍，该策略可以对能量进行大比例回收，图中前轮和后轮的制动力配置进行了描述。其控制思想为：1） 当车辆制动强度z小于路面附着系数时，在满足制动法规以及车轮不抱死的情况下，前后轮制动力可以在一定范围变化。假设路面附着系数，而汽车制动强度z =0.6，则图3.2中黑实线 AB为前后轮制动力的可变化区域。如果电机所能提供的制动力的值在AB区间，则前轮制动力全部由电机再生制动制动力提供，
5、后轮的机械摩擦制动力则可根据线段AB计算出。在对其进行分析后可以看出，在再生制动力不超过某一特定值时，将再生制动力配置到前轮，这样可以对不足动力进行补充，减少能量损失进而节约能源。图 3.4 最佳制动能量回收控制策略2）如果制动强度远远小于路面附着系数，电再生制动力提供整车制动所需的全部制动力，机械制动系统不起作用。3）当时，前后轮制动力分配点落在I曲线上，附着系数很大时，再生制动力达到最大值，剩余部分机械制动系统提供。当系数小于某一特定值时，则使用再生制动力。该策略的优势时可以对能量进行回收，减少制动能量的损失。该策略的缺点时对仪器要求的精密度极其高，需要及其复杂的控制仪器系统，因此难以实现
6、，使用起来代价非常高，因此该策略未被市场所使用。3.3.3并联再生制动控制策略在下图中对并联再生制动控制策略进行了介绍，该策略可上述两个策略有类似之处，均采用动力配置方式，在不同力度下采取不同的策略方式，根据制动力不同强度进行分类以便对其进行设计。在制动力小于某一特定值时，再生制动力为其提供动力，当制动力大于零点七时，这时属于紧急制动，再生制动逐渐减小为零，此时前后轮制动力分配按线分配，以缩短制动距离，提高制动安全性。图 3.5 并联再生制动控制策略与前两种控制策略的相比，尽管所回收的制动能量相对要小，但是该方法不需要控制机械制动力的大小，仅需要控制电机再生制动力大小，结构简单可靠，制造成本低
7、，当再生制动失效时，仍可安全制动，制动安全性好，更符合ECE关于制动安全性的要求，因此本文采用并联法进行再生制动的控制。3.4值的确定3.4.1ECE制动法规在图 3.6 是对ECE法规对轿车的制动要求进行的介绍，下面对制动力配置规定进行介绍：（1）对于轿车而言，制动强度在 z=0.10.61 之间，此时满足制动要求。（2）当制动强度z=0.30.4之间，此时可附着在上方。通过上面的规定可以得出： (3-33)图3.6 ECE法规对轿车的制动要求对上面式子尽心整合后可以得到： (3-34)对上式进行计算，将参数带入整合后能够获得控制类分配曲线图，下面对其进行介绍，如图3.7所示。图3.7 制动
8、分配系数与制动强度的关系曲线从上图中可以看到，共有A、B、C三条曲线，三条曲线分别为制动力分配系数上限曲线、影响前后轮的抱死顺序曲线和制动力分配系数的下限值曲线。A曲线表示的是在动力系数小于该特定值时，便可以使用前轮轴进行动力制动，在符合规定的情况下制动汽车；B曲线表示在系数低于该特定值时采用后轮抱死方式制动，在大于该特定值使用前轮抱死，根据系数大小的不同来选择使用前轮或后轮制动方式；C曲线为制动力分配系数的下限值，当实际的制动力分配系数值之上时，后轴利用附着系数满足ECE制动法规的要求。根据以上分析，应将实际的值控制在 A曲线与B曲线之间。3.4.2符合ECE要求的值计算制动系统的使用需要满
9、足系数的特定范围，在实际电机工作时分配系数不是一成不变，而是在不断变化的，但是变化会被限定在一定的范围内，这样可以确保车辆的正常运行。系数的值在上面的曲线里有着详细的介绍，并且曲线为其设定了变化范围。由式（3-34）结合控制曲线可以得到：A 曲线取到最小值条件为，所以当时，A 曲线取得最小值，同时取得上限值，即 (3-35)为了保证制动时总是前后轮同时抱死或前轮先于后轮抱死，以避免后轴侧滑这一危险工况，利用抱死顺序控制曲线B求取的下限值，因此当z =0.61时， (3-36)对上式进行计算，把所需系数带入上面式子中可以计算出值的范围：。通过上面的分析可以知道，电动汽车进行制动能量回收时，前后轮
10、制动力分配系数可以在一个合理的范围内变化，这就使电动汽车在进行再生制动的同时还能保证制动的安全性。电动汽车在利用制动系统时需要确保各个参数的配置合理性，这些配置需要考虑汽车的具体设计结构，根据汽车的具体结构来对参数进行配置，以期满足汽车的最大性能。对于前轴驱动的纯电动汽车，再生制动只能施加在前轴上，再生制动的加入将使原车的制动力分配系数值变大，因此原车制动力分配系数为其最小值。在对其添加再生制动力，此时系数会发生变化，变化情况为： 。相对于前轴驱动汽车不同，依靠后轴驱动汽车制动力没有施加在前轴上面，而是施加在后轴上面，添加再生制动后分配系数会增大，原车制动力分配系数为其最大值，在对其添加再生制
11、动力，此时系数会发生变化，变化情况为：。双轴式再生制动系统和前轴驱动再生制动系统后轴驱动再生制动系统均不同，系数会根据ECE法规存在不同的数值范围：。本文研究的电动汽车采用四轮驱动形式，恰好能充分利用满足ECE法规的制动力分配系数。3.5再生制动力矩极值制动力分配系数需要满足一定的规则，控制在一定范围内，在不同情况设计下的制动力分配系数值是不同的，这与汽车所使用系统有关系，在双轴式中的要求为：。在满足系数控制范围的情况下添加再生制动力，此时制动力系数需要做出改善，要对系数的最大值和最小值进行重新计算获得最新数据。在加入再生制动力后，根据承重力进行分析计算前轮在制动力中所占的比例系数为： (3-
12、37)这和未加入再生制动力系统不同，按照之前的定义，设定前轴占总制动力比例系数，记为。对于四轮轮毂电机驱动电动汽车，由于四个轮毂电机完全相同，制动过程中，前后轮产生的再生制动力可认为是相同的，记为。所以： (3-38)式中：总再生制动力；前轮制动器制动力；总制动器制动力。将式(3-37)代入式(3-38)得： (3-39)整理式(3-39)得： (3-40)通过上面式子可以看出，当时，再生制动力取到最大： (3-41)将参数带入上式中进行计算可以得出最大再生制动力为。通过上面的分析得到了满足 ECE 法规的可用的最大再生制动力值，根据第二章的制动能量回收的约束条件可知，电机的峰值转矩和蓄电池的
13、充电特性也会影响再生制动力的大小。在汽车进行启动时，电压为零，此时对式子进行综合结算可以得出： (3-42)通过对上面的式子进行计算分析可以知道，汽车启动，转矩和转速为反向关系，在转矩大的时候转速会变小，因此制动力会小，因此制动力需要限定在一定的范围内，最大值为： (3-43)式中，为电机峰值转矩。根据式(3-41)、(3-42)以及第二章式(2-17)可得在ECE法规、电机峰值转矩、蓄电池充电特性三个条件约束下的电机的最大再生制动力矩为： (3-44)式中，同时满足三个约束条件；满足 ECE 法规；符合电池充电特性；车轮半径。3.6四轮驱动下的制动能量回收控制策略四轮驱动下的制动能量回收控制
14、策略主要考虑三部分的内容：第一、摩擦制动力与电机再生制动力的分配关系；第二、制动力在前后轴上面的分配；第三、再生制动力在前后轴上面的分配。在满足上面三个部分之后，还需要满足下面几个条件：1）制动安全；2）尽可能多的回收制动能量；3）再生制动控制系统结构简单，降低制造成本。在对上面的论述进行分析之后，论文对并联再生制动控制策略进行了研究，该研究致力于汽车的再生制动力方面，在汽车的制动力设计方面需要满足一定的参数设定范围。另外系统参数是不随再生制动设计的改变而改变的，在这种情况下再生制动和机械制动功能作用，并不形成妨碍，形成两条不同的动力路线。机械制动力属于固定型，不可以随意调动，在双轴驱动汽车中
15、，动力分配系数会随着再生制动力的加入而改变，而且再生制动力越大分配系数越小，在这种设计理念下，会发生抱死情况，影响汽车行驶安全。因此，再生制动力需要满足一定条件才能够使得汽车安全行驶，再生制动力要小雨某一特定值，这样可以在确保汽车安全性能的情况下尽量对能量进行回收，减少能量浪费节约资源。在对电机再生制动力进行设计时需要从实际出发分配策略如图 3.8 所示。图 3.8 并联再生制动力分配策略通过对上图进行观察可以发现，制动力有一定的上限值，制动力需要小于该特定值汽车才能安全行驶，当时，分配系数为；在满足上面要求时，制动力最大能够达到，此时，如图中 B 点所示，前后轴制动力分配合理，分配系数需要在
16、最大上限和最小下限之间；当再生制动不能够发生时，则分配系数为。通过以上分析可知，制定并联再生制动控制策略主要在于判断是否进行再生制动以及确定再生制动力的大小。通过调节电机再生制动力大小，可以使整车制动力分配系数在与之间变化，这样就可以在保证制动安全性的前提下，充分利用电机进行再生制动，从而回收更多的制动能量。在z值小于零点一时，制动力的分配不存在规则上的限定，因此可以发挥最大效用。在循环设计中，制动力较小，这种情况对分配系数限制较小，因此可以通过来改进策略提高汽车功能。设计电机制动的启动过程，使得汽车可以跨越空行程阶段直接进入行驶阶段，此时对制动力进行限制，仅仅利用电机进行制动，在制动强度不同
17、的情况下采取不同的制动方式，当制动强度小于零点一时使用电机发动再生制动力；当制动强度在零点一和零点七之间时，同时使用再生制动和机械制动，属于联合制动；当制动强度大于零点七时，强度非常大，是紧急情况，要对其进行控制使得机械制动来完成，因为机械制动可以保障汽车行驶的安全。上面的介绍包括了汽车制动的几种情况，下面对其控制策略进行介绍，如图3.9所示。图 3.9 全轮驱动再生制动控制策略在上面的图中可以看到，图中包含了制动力分配曲线，并且分为了纯再生制动、再生和机械共同制动、紧急制动几种方式，不同的制动方式有着不同的控制策略，因此在不同情况下的分配系数限定也是不同。当制动强度z0.1时，再生制动力需要
18、能够进行自身制动，在各个电机的工作原理相同情况下，需要对其进行制动力均衡分配。所以，可以认为四个轮毂电机产生的再生制动力也相同，此时前后轴平均分配再生制动力，OA曲线的斜率为1。当制动强度0.1z0.7时，需要再生制动力和机械制动力一起工作，发挥制动力作用，此时需要通过控制电机单独实现制动功能。当z0.7时，仅仅依靠机械制动力工作，再生制动力定制工作而仅仅通过机械制动力来进行。制动开始时，制动控制器根据能量管理系统传来的动力电池组 SOC 值和车速传感器传来的车速确定是否进行能量回收。当SOC0.95时则不再对能量进行回收，或者在汽车行驶速度超过五公里每小时时，也不再对能量进行回收。对于不同的
19、制动系数采取的再生制动策略也是不同的，在当z0.1时，仅仅依靠电机来实现制动；当0.1z0.7时，制动依靠机械和再生两种方式共同作用策略；当z0.7时，仅仅依靠机械制动，而不再使用再生制动装置。下面对四轮驱动进行介绍，如图3.10 所示图 3.10 四轮驱动制动能量再生控制策略流程图上面图中对四轮驱动再生控制策略进行了介绍，下面对共同制动系统的制动关系进行介绍，如图3.11所示。图 3.11 总再生制动强度曲线上面对制动策略进行了研究介绍，控制算法有着一定的算法，在不同情况下根据算法来选择不同的工作方式。如下图3.12所示，对制动策略进行了介绍。在总制动力给定的情况下，总制动力通过感应器传到汽
20、车接收器，接收器在接收到制动力数据后对其进行测算然后做出反映。制动力根据曲线进行测算，将制动力分配到前后轴轮中，通过高速阀门进行配置，从而得出前后轮再生动力和前后轮摩擦制动力的值，然后通过控制器对其进行控制。图 3.12 四轮驱动下的再生制动控制算法3.7本章小结本章首先在对制动能量再生过程中的动力学分析的基础上，得出了机械制动力和再生制动力的分配关系，然后分析了传统轿车的理想制动力分配曲线和实际制动力分配曲线，为再生制动控制策略的选取提高了理论依据。通过分析ECE制动法规对轿车前、后轮制动力分配曲线的规定，推导出符合ECE法规要求的电动汽车制动力分配系数的合理变化范围。第4章 制动能量回收控
21、制算法第4章 制动能量回收控制算法在制动能量回收中，不包括信号传递，用户进行制动后则会进行下去而不能够中途停止，针对此特点需要其满足一定条件：（1）根据汽车特点进行设计，确保不和正常车辆有太大差异；（2）提高汽车安全性，加强能量回收；（3）不影响ABS系统性能，确保安全性。4.1制动过程分析汽车制动力需求由驾驶员踩制动踏板的行程反映，也可由制动主缸的压力反映。在形成小于某一特定值时，控制力随着形成增加而变大，在行程超过该特定时，制动力则保持一特定值不再变化，如图4.1所示。图4.1 汽车制动力与制动踏板行程的关系示意图当汽车重量一定时，制动踏板的形成也可解释为驾驶员对车辆减速度的需求，行程越大
22、，驾驶员对制动减速度的需求越大，如图4.2 所示，电动汽车用电机系统取代传统汽车的发动机系统，再加上车载的动力电池，一般质量比传统汽车大，因此可通过控制再生制动力矩来补偿减速度的差值，使二者的制动感觉相同。图4.2 驾驶员制动意图解析曲线通过上图看以看到，正常制动时，驾驶员希望通过制动使车辆减速，此时可以进行能量回收；紧急制动时，驾驶员希车辆迅速停止，此时机械制动力较大，ABS 将对制动过程进行控制，为防止再生制动干扰ABS 系统，应禁止再生制动。4.2 控制算法本篇论文对汽车能量回收进行了研究，分析得出，在汽车制动是不可对机械制动力进行把控，无法对其进行该咋，所以需要使用并行方式，通过并行方
23、式来达到能量回收，下面对控制算法进行介绍，如图4.3所示。图4.3 制动能量回收策略在上图中，可以看出制动能量回收策略与滑行能量回收策略相同，制动能量回收也应考虑电机转速、电池SOC 值、电池母线电压等的影响及电机模式切换的过渡，并通过滤波和增量限制后输出制动力矩。4.3 本章小结在本章中对电动汽车制动进行了介绍，并且对能量回收算法进行了分析。第5章 结论与展望第5章 结论与展望5.1结论在本文中对汽车制动能量回收进行了介绍，通过大量的分析，对其进行分情况介绍，并且对其进行检验，考察其可行度，并且得出一些有用的结论：（1）在不同的制动系统中采用不同的设计架构，在纯电动中应该使用再生-液压方式，
24、这种方式可以兼顾安全和性能两个方面。（2）论文中对制动曲线进行了分析，通过分析得知传动制动系统和加入再生制动力的系统所需制动系数是不同的，在加入再生制动力之后分配系数会变小，并且这一趋势适用于多个汽车驱动系统。（3）结合 ECE 制动法规对再生制动的限制，选取三种典型制动能量再生控制策略中的并联法进行优化，得到了四轮轮毂电机驱动电动汽车的再生控制策略。5.2展望本文虽然得到了一些研究结论，但由于本论文涉及车辆工程、能源工程、电子信息工程、控制工程等多个学科，加上作者水平以及研究时间有限，本文存在一些不足之处，主要有：（1）未进行硬件系统控制及开发，只进行了理论研究和分析，在下一步的研究当中，应
25、该针对控制器的开发进行硬件系统的设计和制作。（2）未进行仿真和实车实验，在下一阶段的工作中，将所优化的并联再生制动控制策略用于实车实验。致 谢本论文是在老师的指导下完成的，从论文的选题到最后的论文顺利完成，老师都给予了我很大的帮助，老师不仅在学习上指导我，而且还在生活上给予我无微不至的关怀，老师渊博的学识、严谨的治学态度、平易近人的风格给我留下了极其深刻的印象。她在我遇到困难的时候鼓励我、教导我要保持良好的心态去克服困难，并且在算法的实现过程中，给予了很多宝贵的意见，对我所遇到的问题，认真听取我的困难疑惑和解决的建议后，都很积极的和我讨论，并且给出自己的建议。在这个过程中，让我感觉到自己对该课题的理解和建议得到了老师的尊重，让自己产生更多的责任感，使我以积极的心态和严谨的态度面对以后的研究，她的教导使我受益终生。，我不仅从老师身上学到了使我终生受用的知识，而且在还学到了很多做人的道理，老师渊博的知识，高尚的品德，深深的感染了我，在这里，向老师表示衷心的感谢，祝老师身体健康，万事如意！同时，我还要感谢给我帮助的同学，没有你们的帮助，论文不可能这么顺利的完成，是你们在我论文写作遇到困难的时候给我默默的支持，在这里，祝你们工作顺利，家庭幸福！最后，感谢默默支持我的家人，你们的支持与理解，是我学习的最大动力，也祝我的家人，身体健康，心想事成。