纯电动汽车ABS制动能量回收

纯电动汽车ABS制动能量回收
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基于自寻优控制的纯电动汽车制动能量
回收策略可行性分析
倪兰青，南京航空航天大学
本课题应从三部分入手，一是汽车建模部分；二是ABS 自寻优控制部分；三是再生制动部分。

一：车辆动力学建模（以单轮模型为例）
1.1 单轮车辆模型 车辆运动方程：Fx v M -=∙
车辆运动方程：Tb Tg Tb rFx I -=-=∙
ω 车轮纵向摩擦力：=x F μN
其中，M:汽车质量，Fx:轮胎和底面间的附着力，I ：车轮转动惯量，ω：车轮角速度，r:车轮有效半径，Tg:地面制动力矩，Tb ：制动器制动力矩，μ：地面摩擦系数，N ：车轮对地面压力 1.2 轮胎模型
⑴由于主要研究纵向制动特性,可以选用参数较少并能反映纵向附着系数µb 与滑移率S 关系的Burckhardt 模型。

s c e c s c 31)1(2
--=-μ
式中c1、c2、c3为参考系数,下表给出了其在不同路面条件下的取值及该路面最佳滑移率Sopt 和最大附着系数µmax 。

⑵双线性模型
在一些情况下,为了获得一种解析解,用这种双线形模型来简化轮胎模型, 如下图所示:
c
s s
h μμ=
c
g h c
h
g s s
s s ---
--=
11h μμμμμ，其中，c s ：最佳滑移率，
g
μ：滑移率为1时的附着系
数:s:车轮滑移率;h μ:峰值附着系数。

1.3 液压制动系统部分
液压制动系统包括两部分：一部分是液压传动系统；另一部分是制动器。

为进行实时模拟计算，可以建立经验式的l 、2阶模型系统。

为简化系统，忽略了电磁阀弹簧的非线性因素及压力传送的延迟，其传递函数为：
)
1(+=
TS S K
G
式中：K 为系统的增益，K=100；T 为系统时间常数，T=0．01。

制动器力学模型描述了制动轮缸压力输入及制动力矩输出间的力学特性。

为了简化仿真研究，在进行仿真时假设制动器为理想元件，如果忽略非线性和温度的影响，制动力矩瓦可以看作是制动压力P 的线性函数： Tb=kP
式中：Tb 为车轮制动力矩；k 为制动器制动效能因数(通过试验可以得到)；P 为液压传动系统输出压力。

1.4 滑移率的计算
滑移即为汽车制动时出现车轮速度小于汽车车身速度而导致车轮即滚动又滑动的现象。

车轮的滑移率定义为：
%100⨯-=v
r v ωλ
二:自寻优控制在汽车ABS 控制中的应用
王纪森等首先针对常规车辆首次提出了ABS 系统的自寻优控制策略,针对不同路况自动搜寻到轮胎和路面之间的最大附着系数,使系统在最大附着系数附近工作,并在单双轮模型中进行仿真验证。

通过仿真分析,验证了自寻优防抱死策略 在制动时间和制动距离上都优于逻辑门限值控制。

2.1 自寻优防抱死制动控制逻辑
防抱控制就是要通过控制制动力矩ΔTb 使路面可利用附着系数维持在最大附着系数附近,这样即可避免车轮抱死,同时还可获得最大附着力。

轮胎附着 系数与滑移率有如下关系,如下图所示：
该图中，曲线的峰值点为最佳滑移率点,此时S=Sc,附着系数μ取得最大值。

在A 区,S<Sc,滑移率小于最佳滑移率,μ在增大,ΔTb 还可继续增大,在C 区则相反,ΔTb 应该减小。

因此将A 区称为增压区,C 区称为减压区。

根据Tb Tg Tb rFx I -=-=∙
ω得Tg=Tb I Tg +=∙
ω。

Tg 的变化反映了附着力的变化,也即附着系数μ的变化。

若已知前一时刻的Tb 和当前时刻的角加速度,由上式即可得当前时刻的Tg,因此用Tg-S 曲线代替 μ-S 曲线进行自寻最优。

若Tb 增大时,Tg 增大,说明曲线在A 区,Tb 还应继续增大;若Tb 增大时,Tg 减小,说明曲线在C 区,Tb 需要减小;Tb 减小,滑移率S 减小,因而Tg 的大小也发生变化,Tg 开始逐渐增大,此时曲线仍在C 区,Tb 仍要减小;当过了最优点即峰值点时,Tg 又要随着滑移率S 减小而减小,当Tb 减小,Tg 也减小时说明曲线已经在A 区,此时Tb 又要增大。

系统不断重复地进行这种周期性的搜索过程,直到找到最优制动力矩,并在它附近循环工作。

根据上述思路,得出如下关系：
从上式可以看出,当ΔTb、ΔTg符号相同时应增加制动力矩;当符号相异时则应减少制动力矩。

根据上述策略，可得到相应的自寻优控制流程图如下：
根据上述车辆单轮模型和自寻优控制策略分析建立如下图所示的单轮ABS 自寻优控制的仿真模型：
在自寻优控制中制动转距的增长速率被理想化,增压和减压均是按固定的斜率均匀变化的,即流程图中所示的nUi和nUd。

在自寻优控制法仿真试验过程中,对于控制器部分采用按流程编写m-function来实现，用m-function编写m语言比较容易实现。

如上图所示，m-function的输入为地面制动力矩的变化率ΔTg,制动器制动力矩的变化率ΔTb与制动器制动力矩Tb，输出为制动器制动力矩。

仿真初始参数及路面特征参数如下所示：
经过调试自寻优控制模块即可得较为理想的ABS自寻优控制。

三 纯电动汽车ABS 制动能量回收策略分析
3.1 再生制动，亦称为反馈制动，是一种使用在电动汽车上的制动技术。

在制动时把汽车动能转化及储存起来，而不是变成无用的热。

在制动过程中，把电动机当作发电机使用，由驱动轮的惯性作为动力源拖动发电机切割磁感线，讲动能转化为电能，电能经逆变器等附件进入电池将能量储存起来。

动力制动通常只会把产生的经过电阻转变成无用的热，而再生制动则会把电力储起来或透过电网送走，再生循环使用。

一般的再生制动只会把约20%的动能再生使用，其余的仍然转变成热能。

本文选用二轮车辆模型进行联合仿真，即在原来单轮模型的基础上要添加前后轴载荷分配模块，电机模型和电池模型。

已知制动时汽车前后轴载荷分配如下：
L h v m mgb F g
z ∙
-=
1
L
h v m mga F g
z ∙+=
2
其中，L ：轴距，m ：汽车质量，a ：质心到前轴距离，b ：质心到后轴距离，
g h ：质心高度。

因此，汽车前后轮地面制动力矩分别为： 11z g F T μ= 22z g F T μ=
3.2 电机模型:试验测得电机特性曲线， 将曲线数据输入simulink 中查表。

电机模型根据当前转速查表得到该转速下所能提供的最大再生制动力。

如下图所示为电机特性曲线。

根据电动机的工作原理可知，当由于车速较低或车轮可能发生抱死而造成电动机输出轴的转速很低时，电动机产生的反电动势很小，所以这时电动机很难给储能装置充电。

而且，在车速很低时，为可靠停车，有必要完全采用液压制动系统，并且从再生制动到液压制动的转变应该实现一种逐步的过度，一面造成车速
突然变化。

为实现这一要求，引入电动机转矩影响因子ωk 和SOC 影响因子soc k 。

因此，在一定转速下，电动机的可利用转矩可表示为： η
ωs o c
g m k k i i T T 0m a x =
其中，0i ：主减速器传动比，g i ：变速器传动比，η：传动系效率。

3.3 电池模型：试验测得电机发电效率数据曲线，在simulink 中查表。

电机发电效率曲线 如下图所示。

电池模型接收电机发电功率和消耗功率并输出电池SOC 和能量回收率。

电机还要对电池进行充电，电机和电池之间的数据接口为电机的充电功率p, m m n T η=p
其中，n 为电机当前转速，m η为电机发电效率。

电池SOC 值可按照安时积累法确定，其关系式如下： cap
tran
Q Q SOC SOC -=ini
其中ini SOC 为初始SOC ，tran Q 为行驶过程中传递的电量；cap Q 为电池总安时容量。

行驶过程中传递的电量可以利用下式计算：
⎰
=ess
tran n I
Q dt I 为当前电流，ess n 为电池充放电效率。

3.4 再生制动控制策略
对于前轴驱动的汽车，制动时，作用在前轮的制动转矩包括电动机再生转矩和液压系统制动转矩，因此，当制动转矩需求一定时，存在制动转矩如何在两种制动系统之间合理分配的问题。

在传统汽车上，ABS 由液压系统完成，由于电磁阀的开关延迟以及液压回路的相应滞后，造成制动命令的响应存在10—40ms 甚至更大的延后，在紧急制动时，这一延迟将严重影响汽车的安全性，延长制动距离。

采用电动机实现防抱死制动功能，从控制角度看，由于电动机的转矩响应迅速、准确，因此就可以在极短的时间内以很高的精度控制电动机转矩的变化。

另一方面，采用电动机实现制动也可以实现能量回收，并且能够有效减小对制动器摩擦片的磨损，防止因温度过高而产生的制动衰退现象的发生。

因此，制动过程中应在保证制动效能及制动稳定性的前提下尽可能控制电动机提供的最大的制动转矩。

为尽可能多的回收能量，本文采用最佳制动能量回收控制策略，最佳制动能量回收控制策略的思想是在制动力分配允许的范围内尽量增大电机制动的份额，以达到多回收制动能量的目的。

由第二部分自寻优控制求得的制动器需求制动转矩为b T ,电动机的可用转矩为m T 。

对于前轮，
（1）当m bi T T 21
≤时，则该轮的制动力矩完全由电动机提供，即：
0,==hi bi mi T T T
式中，mi T ：第i 个轮子的电动机制动转矩；hi T ：第i 个轮子的液压制动转矩。

（2）当m bi T T 2
1
>时，则该轮的电动机转矩为电机能提供给该轮的最大转矩，其
余部分将由液压系统提供，即：
m bi hi m mi T T T T T 21
,21-==
（3）当0=m T 时，为纯液压制动，则： bi hi mi T T T ==,0
11 根据电动机原理及制动器原理，控制量电枢电流为： 0
t 21)(i ki T T I g m m d η+= 对于后轮，车轮需求制动力矩完全由液压系统实现，则
bi hi mi T T T ==,0
根据以上分析，对于前轮，再生制动法则去下图表所示：
根据以上分析即可建立simulink 模型进行仿真研究，可以验证纯电动汽车能够有效地进行制动能量回收。

电机可用制动T 制动需求制动T 再生再生制动+0f ==h b m T T T ，b m T T > mf b hf m m T T T T T -==,f。