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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的再生制动是在原制动系统的基础上添加的，通过对两种制动力的重新匹配实现制动功能的。电动汽车制动时需要解决的两个主要问题是：一是如何在再生制动和机械摩擦(液压)制动之间分配所需的总制动力，以回收尽可能多的车辆的功能；二是如何在前后轮轴上分配总制动力，以达到稳定的制动效果。通常，再生制动只对驱动轴有效。为回收尽可能多的能量，必须控制牵引电机产生特定的制动力，同时，应控制机械制动系统满足由驾驶员给出的制动力命令。目前主要有三种不同的制动能量再生控制策略：理想制动力分配控制策略；最佳制动能量回收控制策略；并联制动能量回收控制
2、策略。3.3.1理想制动力分配控制策略理想的制动力分配控制策略原理如图 3.3 所示。根据制动踏板位置传感器或制动管道回路压力获得汽车的制动减速度，当制动减速度小于 0.15g，制动力全部由前轮再生制动力提供，后轮上不施加制动力。当制动减速度大于 0.15g 时，施加在前后轮上的制动力将依据理想的制动力分布曲线进行分配，如图中粗实线所示。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
3、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的优点是能充分利用地面附着条件，制动距离最短，制动时汽车方向稳定性好，同时能够回收较多的制动能量；缺点是需要精确检测前、后轴法向载荷，以及一个智能化程度较高的控制器，控制系统较复杂。目前即使最先进的传统汽车都未能实现前后轮制动力严格按照I曲线分配，更何况又增加了额外的电机制动力，使得协调控制的难度更大。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最佳能量回收控制策略，侧重于最大程度回收制动能量。其前后轮制动力分配方法如图 3.4 所示。其控制思想为：1
4、） 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。在这种情况下，应尽可能多的利用前轮制动力。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，后轮的机械摩擦制动力则可根据线段AB计算出。如果电机再生制动力的值小于A对应的前轮制动力的值，则前后轮制动力分配值落在A点，电机提供最大制动力，不足部分由前轮液压制动力补足。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
5、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。附着系数较小时，只用再生制动力制动。最优能量回收控制策略理论上可以最大限度的回收制动能量，但是它同时需要对再生制动力和机械制动力进行精确控制，控制系统复杂，制动稳定性差，实现它需要高智能化控制器，技术难度大，制造成本高，因而本策略无实际应用价值，只存在理论研究价值。3.3.3并联再生制动控制策略并联制动系统也包括电机再生制动系统和机械摩擦制动系统，其制动力分配如图3.5所示。其机械摩擦制动力和传统汽车制动力一样按一定比例分配，同时在驱动轮上施加再
6、生制动力，当制动强度z 0.7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，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制动法规图 3.6 为满足 ECE 法规的制动强度 z 与利用附着系数的关系曲线。ECE制动法规对轿车的制动力分配曲线有如下规定：（1）
7、对于轿车而言，制动强度在 z=0.10.61 之间，前轴利用附着系数曲线应在后轴利用附着系数曲线之上，即，且满足。（2）当制动强度z=0.30.4之间，后轴利用附着系数曲线不超过直线的条件下，允许后轴利用附着系数曲线在前轴利用附着系数曲线上方。根据ECE法规对轿车制动力分配要求，可以确定： (3-33)图3.6 ECE法规对轿车的制动要求将前后轴利用附着系数代入式(3-33)得： (3-34)将纯电动汽车的参数代入上式，可以得到其制动力分配系数控制力曲线如图3.7所示。图3.7 制动分配系数与制动强度的关系曲线其中，A曲线为制动力分配系数上限，当实际的制动力分配系数值在该曲线以下时，前轴利用附
8、着系数能够满足ECE制动法规的要求；B曲线影响前后轮的抱死顺序，当值在该曲线之上时，前轮将先于后轮抱死，从而避免了后轴侧滑的不稳定工况；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要求的值计算机电复合制动系统在制动时，由于有电机再生制动力的参与制动，其实际的制动力分配系数将在一定范围内变化。为了保证整车的制动性能，应将实际的制动力分配系数控制在合理的范围内。根据上节得到的控制曲线可以确定制动力分配系数的上下限值。由式（3-34）结合控制曲线可以得到：A 曲线取
9、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，B曲线取得最大值，此时取得下限值，即： (3-36)将纯电动汽车参数代入式(3-35)、(3-36)可以得到纯电动汽车机械制动力分配系数值的范围：。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。机电复合制动系统能否充分利用满足ECE法规的制动力分配系数，通常有电动汽车的结
10、构形式决定。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。引入再生制动力后，制动力分配系数的变化范围为：。对于后轴驱动的纯电动汽车，再生制动只能施加在后轴上，再生制动的加入将使原车的制动力分配系数值变小，因此原车制动力分配系数为其最大值，引入再生制动力后，制动力分配系数的变化范围为：。对于双轴式再生制动系统，可以充分利用满足ECE法规要求的制动力分配系数变化范围，制动力分配系数的变化范围为：。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再生制动力矩极值上一节根据EC
11、E制动法规确定了制动力分配系数值的合理范围，对于双轴式再生制动系统，制动力分配系数的变化范围为：。为了在加入再生制动力时，制动力分配仍然能满足 ECE法规的要求，需对求出电动制动力分配系数的上限值，从而进一步得到电机制动力的最大值。根据汽车理论，定义前轮制动器制动力与总制动器制动力之比为机械制动力分配系数，即： (3-37)与传统汽车的制动力分配系数定义方法对应，定义电动汽车的前轴制动力与总之动力之比为电动汽车制动力分配系数，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：满足ECE法规电机再生制动
12、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)由式(3-40)可知，当时，再生制动力达到最大值： (3-41)代入和值得单轴的最大再生制动力为。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充电特性也会影响再生制动力的大小。当电动汽车制动时，电机电枢两端电压 U =0，结合第二章式(2-4)可得： (3-42)由上式可知，电动汽车制动时，电机转矩T与转速n方向相反且呈线性关系，电机转速越高，制动力矩越大。最大制动力矩受到最大转速限制。
13、即： (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，满足三个约束条件的最大再生制动力矩；满足 ECE 法规的最大再生制动力矩；符合电池充电特性的最大再生制动力矩；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策略主要考虑三部分的内容：一是摩擦制动力与电机再生制动力的分配关系；二是前后轴摩擦制动力的分配关系；三是前后轴电机再生制动力的分配关系。同时制动能量回收控制策略还要符合以下要求：1）制动安全；2）尽可能多的回收
14、制动能量；3）再生制动控制系统结构简单，降低制造成本。基于以上分析，本文选取并联再生制动控制策略作为本文研究的电动汽车制动能量回收控制策略。并联再生制动系统不改变原车机械制动系统参数，机械制动与再生制动相互独立，互不影响。电动汽车制动时分别沿两条路线传递制动力。由于并联再生制动机械制动力不可调，对于双轴驱动的汽车，加入再生制动力后会使制动力分配系数变小，从而导致后轴易于抱死。为了保证制动安全性，所施加的电机再生制动力矩不应超过三个约束条件规定的再生制动力矩的上限值。而为了尽可能多的回收制动能量，提高能量回收率，应充分利用电机再生制动，提高电机制动力在整车制动力中所占比例。考虑到再生制动的影响因
15、素，实际的电机再生制动力矩在零与的上限之间变化。实际电机再生制动力分配策略如图 3.8 所示。假设整车需要的机械制动力如图A点所示，满足三个约束条件的再生制动上限值为。图 3.8 并联再生制动力分配策略如果在当前条件下，电机能够提供其制动力上限值，控制电机再生制动力，相应的前、后轴制动力如图C点所示，此时前、后轴制动力分配系数为；如果当前条件下，电机所能提供的最大制动力只有 ，则控制电机再生制动力 ，相应的前、后轴制动力如图中 B 点所示，此时前、后轴制动力分配系数介于与之间；如果在当前条件下不能进行再生制动，则控制电机再生制动力 ，此时为纯机械制动，前、后轴制动力分配系数为。通过以上分析可知
16、，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。由于时，ECE法规对制动力分配未作限制。而且城市循环工况下制动强度比较小，因此可以对并联再生制动控制策略进行改进。取消制动踏板的空行程阶段，并限制空行程范围内的制动强度。当时，只采用电机再生制动；当时，按并联再生制动控制策略分配制动力；当在时，此时的制动属于紧急制动，为了保证制动安全性，此时的制动力完全由机械制动力提供。基于上面的控制逻辑，所建立的整车制动能量回收控
17、制策略如图3.9所示。图 3.9 全轮驱动再生制动控制策略图3.9中，OA曲线所示为纯再生制动时前后轴制动力的分配曲线；AB为再生制动力和机械制动力共同起作用时前后轴制动力分配曲线；BC为紧急制动时，只有机械摩擦制动力起作用时前后轴制动力分配曲线。当制动强度 z0.1 时，再生制动力能满足制动要求。由于四个轮毂电机是完全相同的，它们的再生制动工况是相同的。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，两种制动力共同起作用，由于机械摩擦制动力分配系数固定，只能通过控制电机再生制动力的大小实现(。当z0.7时，只有机
18、械摩擦制动力起作用，此时制动力按线分配。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 或者车速小于5km/h 时，取消制动能量回收。制动控制器接收制动主缸压力信号，计算出需求的整车制动强度，并根据制动强度和控制策略确定相应的摩擦制动和再生制动的分配关系。当z0.1时，进行纯电机再生制动；当0.1z0.7时，由机械摩擦制动系统和电机再生制动系统共同完成制动任务；当z0.7时，关闭电机再生制动，由液压机械摩擦制动系统单独制动。四轮驱动控制策略流程如图3.10 所示图 3.10 四轮驱动制动能量再生控制策略流程图再生-
19、机械制动系统中，总再生制动强度与整车制动强度的关系如图3.11所示。总再生制动强度是指总的电机再生制动力与整车重量的比值。图 3.11 总再生制动强度曲线结合前面对所研究制动控制策略的分析，建立相应的控制算法如图3.12所示。控制算法的总输入量为总制动力，由制动踏板力传感器得到。总再生制动力以及前后车轴的再生制动力由制动控制器中的再生制动力曲线得到，前后轮机械制动力分配由制动回路中的高速开关阀实现。控制算法的输出量为前轮再生制动力、后轮再生制动力、前轮摩擦制动力和后轮摩擦制动力。所有的电机再生制动力由电机控制单元来实现控制。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
20、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。对三种典型的再生制动控制策略做了对比分析，初步选定并联法制动作为能量再生的控制策略；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；同时通过计算得到符合 ECE 法规、电池充电特性、电机峰值转矩的再生制动力上限值。最后，通过对并联再生制动控制策略进行改进，提出了四轮驱动下的再生制动控制策略和控制算法。第4章 制动能量回收控制算法第4章 制动能量回
21、收控制算法滑行能量回收的过程中，无制动踏板信号。一旦驾驶员踩下制动踏板，满足制动能量回收的条件时，则进行制动能量回收。此时，制动能量回收应满足如下要求：（1）满足车辆的制动性能要求，尽量与常规汽车的制动踏板感觉相同；（2）在保证制动安全性的基础上，尽可能多的回收制动能量；（3）再生制动不应干扰ABS 系统而影响制动安全性。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。在一定范围内，汽车制动力与制动踏板行程成正比，如图4.1所示，需求的制动力与制动踏板行程一一对应。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
22、驶员对车辆减速度的需求，行程越大，驾驶员对制动减速度的需求越大，如图4.2 所示，制动减速度与制动踏板行程的关系曲线可通过实际标定得到。再生制动的要求(1)即要求加入再生制动功能后，制动系统在施加与传统汽车相同制动力的情况下，车辆的减速度尽量与传统汽车一致。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根据制动踏板行程的变化率，将制动请求分为正常制动和紧急制动两类。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
23、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 控制算法本文研究的电动汽车由传统汽车改造得到，机械制动力在制动过程中不可控，且制动踏板没有进行改造，无制动踏板行程传感器，因此本文采用并行能量回收策略，控制算法如图4.3所示，对电机电压、电流及电池的充电电压和电流等关键参数进行标定。图4.3 制动能量回收策略为期望的再生制动力矩，与滑行能量回收策略相同，建立一维表制动踏板开度与再生制动力矩的一维表，通过差值查表的方式实现。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
24、，并通过滤波和增量限制后输出制动力矩。4.3 本章小结本章对电动汽车制动过程进行了分析并给出了制动能量回收控制算法。第5章 结论与展望第5章 结论与展望5.1结论本文以纯电动汽车为研究对象，主要完成了制动能量再生的理论分析，建立了制动能量回收的控制策略，对制动能量回收的可行性进行了分析。通过本论文的研究可以得到以下结论：（1）纯电动汽车制动系统应该采用再生-液压制动系统（2）在对传统汽车的理想制动力分配曲线和实际制动力分配曲线分析中，得出了在传统液压制动系统中加入再生制动力，会使实际的前、后轴制动力分配值发生变化。对于前路驱动电动汽车，值会变大，后轮驱动形式，值会变小。对于本文研究的四轮驱动形
25、式，也会变小。（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 谢本论文是在老师细心关心和密切指导下完成的。在论文内容上，老师为我指引了方向，这很大程度上启发了我；老师渊博的知识让我在知识水平上上了一个台阶，也让我深刻的认识到自己的知识面仍然不开阔；老师严谨的学风让我深受感染，老师教会了我一个道理：科学来不得半点马虎；老师的为人处世更是教会了我做事之前先学会做人，人要懂得感恩和谦让；老师在生活上也给与我很大的帮助。在这里，特别感谢老师！特别感谢我的父母，他们的支持和鼓励是我前进的动力，他们的关心和期望是我永远的精神支柱。最后，对在百忙之中老师们表达深深的谢意。