纯电动汽车ABS制动能量回收讲解

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

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