纯电动汽车再生制动系统的建模与仿真_张亚军
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收稿日期: 2010- 02- 04. 作者简介: 张亚军( 1982-) , 男 , 硕士生. E- mail: zyajun2010@ 163. co m
第 32 卷 第 15 期
张亚军, 杨盼盼: 纯电动汽车再生制动系统的建模与仿 真
91
时均没有对储能元件的荷电状态进行研究。而储能元件的荷电状态是决定电动汽车再生制动时充电效率的 很重要的一个因素, 因此有必要在分析电动汽车再生制动时, 结合储能元件的荷电状态对纯电动汽车的再生 制动模型进行研究。
从动轮) 不参与车辆制动; 当制动强度 0. 1 [ z [ 0. 7 时, 电动汽车制动力分配为图 1 中 OA 、A B 和 BC 线( 接 近于理想制动力分配曲线) ; 当制动强度 0. 7< z 时, 总制动力 E F由驱动轮( 前轮) 和从动轮( 后轮) 摩擦制动 力共同承担。
文献[ 6] 给出, 在任何附着系数 U的路面上前、后轮同时抱死的条件是: 前、后轮制动器制动力之和等于 附着力, 并且前、后轮制动器制动力分别等于各自的附着力, 即
作者在分析纯电动汽车再生制动系统时, 首先研究了纯电动汽车再生制动系统驱动轮、从动轮制动力分 配及驱动轮上再生制动力和摩擦制动力的分配问题, 进而结合纯电动汽车再生制动时制动强度和储能元件 荷电状态的大小, 对纯电动汽车再生制动系统进行了建模和制动力分配的模糊控制器进行设计, 最后在电动 汽车仿真软件 ADV ISOR2002 平台上对文中控制策略进行仿真验证。仿真结果证明了纯电动汽车再生制动 时采用模糊控制策略的正确性和有效性。
因此, 纯电动汽车再生制动时, 该文规定前轮电气制动力占总制动力 E F 的比例为 K front reg, 前轮摩擦力 占总制动力 E F 的比例为 K front fric。因此可以得到纯电动汽车制动时各制动力分配为:
前轮电气制动力: K f ront reg = E F @ K front reg ; 前轮摩擦制动力: K front fric= E F @ K front fric; 后轮摩擦制动 力: Frear= E F @ ( 1- K front reg - K fro nt fric) 。
此时, 前、后轮制动分配曲线数学表达式为: 第 1 线 OA 线: F U2 = 0. 378 8FU1 + 80. 945 2; 第 2 线 A B 线: FU 2= 0. 244 2FU 1+ 391. 286 6; 第 3 线 BC 线: FU 2= 0. 158 3FU1+ 758. 225 8。
的高效回收利用。结合典型道路循环工况, 利用电 动汽车 仿真软 件 ADV ISOR2002 对制动 力分配 的模糊 控制策 略进行
了整车运行仿真验证。结果表明, 该制动力分配控制策略改善了制动能量回收率, 有利于合理利用其有限的能 量延长电
动汽车的续驶里程。
关键词: 纯电动汽车; 再生制动系统; 制动力分配; 控 制策略
规定纯电动汽车制动力分配的模糊控制器中输入量模糊子集为: E ( 蓄电池 SOC) = { 低, 中, 高} , E ( 制 动强度) = { 低, 中, 高} , 并根据相关理论分析设计出制动强度和的蓄电池 SOC 隶属度函数如图 3 所示。规 定模糊控制器中输出量模糊子集为: E ( 驱动轮电气制动比例) = { 低, 中, 高} , E ( 驱动轮摩擦制动比例) = { 低, 中, 高} , 同时给出驱动轮电气制动比例和驱动轮摩擦制动比例的隶属度函数如图 4 所示。
表 1 纯电动汽车驱动轮摩擦制动比例分配模糊规则表
驱动轮摩擦制动力分配系数 低
制动强度
低
中
高
低
低
高
蓄电池 SOC
中
低
中
高
高
高
高
高
表 2 纯电动汽车驱动轮电气制动系数分配模糊规则
驱动轮摩擦制动 力分配系数 低
制动强度
低
中
高
高
高
低
蓄电池 SO C
中
纯电动汽车再生制动系统的建模与仿真
张亚军, 杨盼盼
( 长安大学电子与控制工程学院, 西安 710064)
摘 要: 为提高纯电动汽车的再生制动能量回收率, 通过分析制动系 统的工作 原理, 建 立了纯电 动汽车 制动力 分配的
数学模型, 并根据制动强度和储能元件荷电状态的大小, 设计了基于模 糊逻辑的 制动力分配 控制策略 , 以 实现制 动能量
1 纯电动汽车再生制动系统建模
电动汽车再生制动过程中, 制动力不仅有来自前、后轮产生的摩擦力, 还有驱动轮驱动电机所产生的再 生制动力。因此, 电动汽车在制动时面临总的制动力如何在前、后轮之间进行分配以及驱动轮上摩擦制动力 与再生制动力如何协调的问题。
电动汽车前后轮制动力分配策略是指当制动强度 z < 0. 1 时, 总制动力 E F 全部由驱动轮承担, 后轮不 参与车辆制动; 当制动强度时 0. 1 [ z [ 0. 7, 整车制动力采用机电复合制动方式分配[ 5] , 如图 1 所示。其中, 制动强度 z = dv / d t / g, dv / d t 为纯电动汽车减速度( m/ s2) , E F 为总制动力。文献[ 6] 给出了理想情况电 动汽车前、后轮制动力分配为
第 32 卷 第 15 期 2010 年 8 月
武汉理工 大学学报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vo l. 32 N o. 15 A ug. 2010
DOI: 10. 3963/ j. issn. 1671- 4431. 2010. 15. 022
FU 1 + F U2 = UG
F U1 F U2
=
b+ a-
Uh g Uh g
( 2)
其中, 电动汽车参数 a= 1. 04 m, b = 1. 56 m, L = 2. 6 m , hg= 0. 5 m, G 为附着系数, F U1为前轮制动器制动 力( N ) , F U2为后轮制动器制动力( N ) 。
纯电动汽车制 动力分配 的模糊控 制策 略结构如图 2 所示, 其主要由 2 个模块组成。 第 1 个模块为 2 个输入和 2 个输出的模糊控 制器, 其 中, 两输入 分别为纯 电动汽车 的制 动强度和蓄电池荷电状态 SOC, 两输出为纯 电动汽车制动时电气制动力比例和摩擦制动比例; 第 2 个模块为制动力分配模块, 此模块根据总制动力需求 和驱动轮( 前轮) 上的电气制动和摩擦制动力比例, 将总的制动力需求分别在前、后轮之间分配, 并协调驱动 轮上摩擦制动力与再生制动力的大小。 2. 2 模糊控制器设计
( School of Electronic and Contr ol Engineer ing , Chang. an U niversity, Xi. an 710064, China)
Abstract: In or der to enhance the recycling efficiency of reg enerative braking energy for pure electr ic vehicles ( PEV ) , the
距离( m) 。 根据公式( 1) , 可得纯电动汽车前、后车轮同时抱 死
时的理想制动力分配曲线( I 曲线) , 如图 1 所示。作者根 据上述前、后轮制动力分配策略, 对其控制方法进行了改
进, 当制动强度 z < 0. 1 时, 总 制动力 E F 全部由驱动 轮 ( 文中假定前轮是驱动轮) 承担, 从动轮( 文中假定后轮是
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武 汉理工大学学报
2010 年 8 月
2 纯电动汽车再生制动系统制动力分配的模糊控制策略设计
电动汽车再生制动时的制动力分配受很多因素的影响, 并且很多参数都是在不断变化之中。而模糊逻 辑控制策略用于电动汽车制动力分配的控制中, 可方便的表现不同因素的影响; 可以表达回收控制中难以精 确定量表达的规则; 在测量不精确和部件特征有变化时有较强的鲁棒性[ 7] 。因此, 利用模糊控制策略适用 于被控对象不精确的数学模型及鲁棒性强等优点, 将模糊控制理论应用于纯电动汽车再生制动系统制动力 分配中。 2. 1 模糊控制策略的结构
F rear =
1 2
mg hg
b2+
4
hg G
L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
fron
t
-
(
mgb hg
+
2F fro nt )
( 1)
式中, m 为电动汽车质量( kg) ; b 为电动汽车质心至后轴
中心线的距离 ( m ) ; a 为质心至前轴中心线的距离( m ) ;
h g 为电动汽车质心高度( m) ; L 为电动汽车前后轴间的
中图分类号: U 469. 72
文献标识码: A
文章编号: 1671- 4431( 2010) 15- 0090- 05
Modeling and Simulation of Regenerative Braking System for Pure Electric Vehicle
ZH A NG Y a-j un, Y A NG Pan-p an
br aking system model of P EV is proposed on the basis of analyzing the braking oper at ion principle. T og ether with t he br aking severity and the state of charge ( SOC) of energ y storage element, a nov el contro l strateg y of braking force distribution based o n fuzzy log ic is desig ned, which can realize the high efficiency recycling of braking energ y. T he simulat ion of the fuzzy control strategy for br aking force distribution is carried out in typical driving cycle by the electric vehicle simulatio n software A DVISOR 2002. T he simulation results show that t he braking force distribution co ntrol strategy can improve the recy cling efficiency of regenerative br aking energ y, and prolong PEV. s driv ing rang e by rational use of the limited energy.
Key words: pure electr ic vehicle; regenerativ e braking system; br aking force distribution; control str ategy
电动汽车作为一种新型的交通工具, 以其清洁无污染、驱动能量源多样化、能量效率高等优点成为现代 汽车的发展趋势[ 1] 。但其续驶里程不足成为阻碍电动汽车商品化的瓶颈, 因此, 提高电动汽车续驶里程是 亟待解决的一个关键问题。再生制动是电动汽车的特有技术, 其功能是在保证电动汽车行驶稳定性的前提 下, 将电动汽车制动时的一部分机械能经再生制动系统转换为电能存储到储能单元中[ 2] 。因此再生制动对 降低电动汽车的能耗, 延长续驶里程, 提高其经济性能有重要的作用。文献[ 3, 4] 基于制动安全性要求, 通过 对电动汽车再生制动系统中保留摩擦制动的必要性展开研究, 提出了一种新的再生制动控制策略, 所提出的 控制策略可通过检测电动汽车制动强度的大小, 将电动汽车制动时总制动力需求在驱动轮与从动轮之间分 配。文献[ 5] 分析了在制动稳定性条件下, 电动汽车再生制动系统制动能量回收能力, 并从动力学角度建立 了驱动轮电气制动力和摩擦制动力制动份额随制动强度变化的模型。但上述文献在分析电动汽车再生制动
第 32 卷 第 15 期
张亚军, 杨盼盼: 纯电动汽车再生制动系统的建模与仿 真
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时均没有对储能元件的荷电状态进行研究。而储能元件的荷电状态是决定电动汽车再生制动时充电效率的 很重要的一个因素, 因此有必要在分析电动汽车再生制动时, 结合储能元件的荷电状态对纯电动汽车的再生 制动模型进行研究。
从动轮) 不参与车辆制动; 当制动强度 0. 1 [ z [ 0. 7 时, 电动汽车制动力分配为图 1 中 OA 、A B 和 BC 线( 接 近于理想制动力分配曲线) ; 当制动强度 0. 7< z 时, 总制动力 E F由驱动轮( 前轮) 和从动轮( 后轮) 摩擦制动 力共同承担。
文献[ 6] 给出, 在任何附着系数 U的路面上前、后轮同时抱死的条件是: 前、后轮制动器制动力之和等于 附着力, 并且前、后轮制动器制动力分别等于各自的附着力, 即
作者在分析纯电动汽车再生制动系统时, 首先研究了纯电动汽车再生制动系统驱动轮、从动轮制动力分 配及驱动轮上再生制动力和摩擦制动力的分配问题, 进而结合纯电动汽车再生制动时制动强度和储能元件 荷电状态的大小, 对纯电动汽车再生制动系统进行了建模和制动力分配的模糊控制器进行设计, 最后在电动 汽车仿真软件 ADV ISOR2002 平台上对文中控制策略进行仿真验证。仿真结果证明了纯电动汽车再生制动 时采用模糊控制策略的正确性和有效性。
因此, 纯电动汽车再生制动时, 该文规定前轮电气制动力占总制动力 E F 的比例为 K front reg, 前轮摩擦力 占总制动力 E F 的比例为 K front fric。因此可以得到纯电动汽车制动时各制动力分配为:
前轮电气制动力: K f ront reg = E F @ K front reg ; 前轮摩擦制动力: K front fric= E F @ K front fric; 后轮摩擦制动 力: Frear= E F @ ( 1- K front reg - K fro nt fric) 。
此时, 前、后轮制动分配曲线数学表达式为: 第 1 线 OA 线: F U2 = 0. 378 8FU1 + 80. 945 2; 第 2 线 A B 线: FU 2= 0. 244 2FU 1+ 391. 286 6; 第 3 线 BC 线: FU 2= 0. 158 3FU1+ 758. 225 8。
的高效回收利用。结合典型道路循环工况, 利用电 动汽车 仿真软 件 ADV ISOR2002 对制动 力分配 的模糊 控制策 略进行
了整车运行仿真验证。结果表明, 该制动力分配控制策略改善了制动能量回收率, 有利于合理利用其有限的能 量延长电
动汽车的续驶里程。
关键词: 纯电动汽车; 再生制动系统; 制动力分配; 控 制策略
规定纯电动汽车制动力分配的模糊控制器中输入量模糊子集为: E ( 蓄电池 SOC) = { 低, 中, 高} , E ( 制 动强度) = { 低, 中, 高} , 并根据相关理论分析设计出制动强度和的蓄电池 SOC 隶属度函数如图 3 所示。规 定模糊控制器中输出量模糊子集为: E ( 驱动轮电气制动比例) = { 低, 中, 高} , E ( 驱动轮摩擦制动比例) = { 低, 中, 高} , 同时给出驱动轮电气制动比例和驱动轮摩擦制动比例的隶属度函数如图 4 所示。
表 1 纯电动汽车驱动轮摩擦制动比例分配模糊规则表
驱动轮摩擦制动力分配系数 低
制动强度
低
中
高
低
低
高
蓄电池 SOC
中
低
中
高
高
高
高
高
表 2 纯电动汽车驱动轮电气制动系数分配模糊规则
驱动轮摩擦制动 力分配系数 低
制动强度
低
中
高
高
高
低
蓄电池 SO C
中
纯电动汽车再生制动系统的建模与仿真
张亚军, 杨盼盼
( 长安大学电子与控制工程学院, 西安 710064)
摘 要: 为提高纯电动汽车的再生制动能量回收率, 通过分析制动系 统的工作 原理, 建 立了纯电 动汽车 制动力 分配的
数学模型, 并根据制动强度和储能元件荷电状态的大小, 设计了基于模 糊逻辑的 制动力分配 控制策略 , 以 实现制 动能量
1 纯电动汽车再生制动系统建模
电动汽车再生制动过程中, 制动力不仅有来自前、后轮产生的摩擦力, 还有驱动轮驱动电机所产生的再 生制动力。因此, 电动汽车在制动时面临总的制动力如何在前、后轮之间进行分配以及驱动轮上摩擦制动力 与再生制动力如何协调的问题。
电动汽车前后轮制动力分配策略是指当制动强度 z < 0. 1 时, 总制动力 E F 全部由驱动轮承担, 后轮不 参与车辆制动; 当制动强度时 0. 1 [ z [ 0. 7, 整车制动力采用机电复合制动方式分配[ 5] , 如图 1 所示。其中, 制动强度 z = dv / d t / g, dv / d t 为纯电动汽车减速度( m/ s2) , E F 为总制动力。文献[ 6] 给出了理想情况电 动汽车前、后轮制动力分配为
第 32 卷 第 15 期 2010 年 8 月
武汉理工 大学学报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vo l. 32 N o. 15 A ug. 2010
DOI: 10. 3963/ j. issn. 1671- 4431. 2010. 15. 022
FU 1 + F U2 = UG
F U1 F U2
=
b+ a-
Uh g Uh g
( 2)
其中, 电动汽车参数 a= 1. 04 m, b = 1. 56 m, L = 2. 6 m , hg= 0. 5 m, G 为附着系数, F U1为前轮制动器制动 力( N ) , F U2为后轮制动器制动力( N ) 。
纯电动汽车制 动力分配 的模糊控 制策 略结构如图 2 所示, 其主要由 2 个模块组成。 第 1 个模块为 2 个输入和 2 个输出的模糊控 制器, 其 中, 两输入 分别为纯 电动汽车 的制 动强度和蓄电池荷电状态 SOC, 两输出为纯 电动汽车制动时电气制动力比例和摩擦制动比例; 第 2 个模块为制动力分配模块, 此模块根据总制动力需求 和驱动轮( 前轮) 上的电气制动和摩擦制动力比例, 将总的制动力需求分别在前、后轮之间分配, 并协调驱动 轮上摩擦制动力与再生制动力的大小。 2. 2 模糊控制器设计
( School of Electronic and Contr ol Engineer ing , Chang. an U niversity, Xi. an 710064, China)
Abstract: In or der to enhance the recycling efficiency of reg enerative braking energy for pure electr ic vehicles ( PEV ) , the
距离( m) 。 根据公式( 1) , 可得纯电动汽车前、后车轮同时抱 死
时的理想制动力分配曲线( I 曲线) , 如图 1 所示。作者根 据上述前、后轮制动力分配策略, 对其控制方法进行了改
进, 当制动强度 z < 0. 1 时, 总 制动力 E F 全部由驱动 轮 ( 文中假定前轮是驱动轮) 承担, 从动轮( 文中假定后轮是
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武 汉理工大学学报
2010 年 8 月
2 纯电动汽车再生制动系统制动力分配的模糊控制策略设计
电动汽车再生制动时的制动力分配受很多因素的影响, 并且很多参数都是在不断变化之中。而模糊逻 辑控制策略用于电动汽车制动力分配的控制中, 可方便的表现不同因素的影响; 可以表达回收控制中难以精 确定量表达的规则; 在测量不精确和部件特征有变化时有较强的鲁棒性[ 7] 。因此, 利用模糊控制策略适用 于被控对象不精确的数学模型及鲁棒性强等优点, 将模糊控制理论应用于纯电动汽车再生制动系统制动力 分配中。 2. 1 模糊控制策略的结构
F rear =
1 2
mg hg
b2+
4
hg G
L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
fron
t
-
(
mgb hg
+
2F fro nt )
( 1)
式中, m 为电动汽车质量( kg) ; b 为电动汽车质心至后轴
中心线的距离 ( m ) ; a 为质心至前轴中心线的距离( m ) ;
h g 为电动汽车质心高度( m) ; L 为电动汽车前后轴间的
中图分类号: U 469. 72
文献标识码: A
文章编号: 1671- 4431( 2010) 15- 0090- 05
Modeling and Simulation of Regenerative Braking System for Pure Electric Vehicle
ZH A NG Y a-j un, Y A NG Pan-p an
br aking system model of P EV is proposed on the basis of analyzing the braking oper at ion principle. T og ether with t he br aking severity and the state of charge ( SOC) of energ y storage element, a nov el contro l strateg y of braking force distribution based o n fuzzy log ic is desig ned, which can realize the high efficiency recycling of braking energ y. T he simulat ion of the fuzzy control strategy for br aking force distribution is carried out in typical driving cycle by the electric vehicle simulatio n software A DVISOR 2002. T he simulation results show that t he braking force distribution co ntrol strategy can improve the recy cling efficiency of regenerative br aking energ y, and prolong PEV. s driv ing rang e by rational use of the limited energy.
Key words: pure electr ic vehicle; regenerativ e braking system; br aking force distribution; control str ategy
电动汽车作为一种新型的交通工具, 以其清洁无污染、驱动能量源多样化、能量效率高等优点成为现代 汽车的发展趋势[ 1] 。但其续驶里程不足成为阻碍电动汽车商品化的瓶颈, 因此, 提高电动汽车续驶里程是 亟待解决的一个关键问题。再生制动是电动汽车的特有技术, 其功能是在保证电动汽车行驶稳定性的前提 下, 将电动汽车制动时的一部分机械能经再生制动系统转换为电能存储到储能单元中[ 2] 。因此再生制动对 降低电动汽车的能耗, 延长续驶里程, 提高其经济性能有重要的作用。文献[ 3, 4] 基于制动安全性要求, 通过 对电动汽车再生制动系统中保留摩擦制动的必要性展开研究, 提出了一种新的再生制动控制策略, 所提出的 控制策略可通过检测电动汽车制动强度的大小, 将电动汽车制动时总制动力需求在驱动轮与从动轮之间分 配。文献[ 5] 分析了在制动稳定性条件下, 电动汽车再生制动系统制动能量回收能力, 并从动力学角度建立 了驱动轮电气制动力和摩擦制动力制动份额随制动强度变化的模型。但上述文献在分析电动汽车再生制动