一种改进的再生制动控制策略优化_张京明

A ( z ) 可定义为
A(z) =
0.11z,
0 z < 0. 1
( 3)
1 0. 8
(
z
-
0.
9),
0. 1
z< 1
够的制动效率, 联合国欧洲经济委员会制定的 ECE R 13 制动 法 规 对双 轴 汽 车前 、后 轮 制动 力 提 出 了 明 确的要求. 中国的行业标准 ZBT240007 89也提出 了类似的要求. 对于轿车, 法规规定: = 0. 2 ~ 0. 8 时的车辆, 要求制动强度 z 0. 1 + 0. 85( - 0. 2). 制动强度在 0. 3 ~ 0. 4之间, 后轴利用附着系数曲线 不超过直线 = z + 0. 05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的上方, 如图 6 所示 .
因此, 设计变量可以选择为 4点的坐标. 即 X = { xA, yA, xB, yB, xC, yC , xD , yD } ( 1 )
再生制动的目的是为了尽可能多地回收制动能 量, 这也是设计控制策略的目标. 选取平均再生制动 力为目标函数, 在一定的循环工况下, 对控制策略进 行优化 [ 7- 9] . 目标函数可表示为
F re
Tmax ig
( 9)
式中 Tmax 为电机的最大再生转矩; ig 为传动比; 为 传动系统效率.
汽车经常行驶在良好路面上, 为了防止在制动 时出现前轮抱死失去转向能力, B 点应该在 = 0. 7 对应的 f 线组左侧; 又为了使后轮不会先于前轮抱 死, B 点应该在理想制动力分配曲线的下方. 即
第 3期
张京明等: 一种改进的再生制动控制策略优化
247
1 再生制动系统结构与工作原理
再生制动系统的结构如图 1所示, 由驱动轮、主 减速器、变速器、电机、AC /DC 转换器、DC /DC 转换 器、能量储存系统以及控制器组成.
当需要的制动力较小时, 由再生制动力单独作 用, 其中包括对发动机制动的模拟; 当需要的制动加 速度增大时, 再生制动力所占的比例逐渐减小, 机械 制动力开始起作用; 当总制 动力大于一定值 ( 图例 为 0. 7G )时意味着这是一个紧急制动, 再生制动力 减小到零, 机械制动提供所有的制动力; 当所需的制 动加速度在两者之间时, 再生制动与机械制动共同 作用. 图 3为再生制动强度对制动加速度的变化控 制曲线. 这是控制再生制动力的依据, 其中再生制动 强度是指再生制动力与汽车自身重力的比值 [ 5] .
2009年 5月 第 30卷 第 3期 M ay 2009 V o.l 30 N o. 3
一种改进的再生制动控制策略优化
张京明 1, 2, 崔胜民 2, 宋宝玉 1, 孙 刚2
( 1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 哈尔滨工业大学 汽车工程学院, 山东 威海 264209)
图 1 再生制动系统 原理图 F ig. 1 P r inciple of regenerative braking sy stem
汽车在制动或滑行过程中, 根据驾驶员的制动 意图, 由制动控制器计算得到汽车需要的总制动力, 再根据一定的制动力分配控制策略得到电机应该提 供的电机再生制动力, 电机控制器计算需要的电机 电枢中的制动电流, 通过一定的控制方法使电机跟 踪需要的制动电流, 从而较准确地提供再生制动力 矩, 在电机电枢中 产生的电流经 AC /DC 整流再经 DC /DC 控制器反充到电化学蓄能装置中 [ 2- 3] .
An advanced regenerative braking control strategy optim ization
Zhang J ingm ing1, 2, Cui Shengm in2, Song Baoyu1, Sun Gang2
( 1. Schoo l ofM echan ical and E lectrica l E ngineering, H arb in Inst itu te of Techno logy, H arb in, H eilong jiang 150001, Ch ina; 2. School of A utom otive Engin eering, H arb in In stitute of T echnology, W eiha,i Shandong 264209, Ch ina)
xD
-
Gb + hg
2xD
( 7)
0 xD + yD 0. 7G
( 8)
为了防止后轴侧滑和前轮失去转向能力, 汽车
在制动过程中最好既不出现后轴车轮先抱死的危险
工况, 也不出现前轴车轮或前、后车轮都抱死的情
况. 所以, 应当以即将出现车轮抱死但又没有任何车
轮抱死时的制动减速度作为汽车能产生的最高制动
加速度. 为了保证制动时汽车的方向稳定性和有足
摘要: 为了充分利用混合动力汽车的再生制动能量, 提高整车燃油经济性, 通过分析混合动力汽车 再生制动系统的工作原理, 依据理想的前后轮制动力分配曲线, 基于比例控制策略, 提出了一种并 行制动力的分配策略, 以对摩擦制动力和再生制动力进行合理分配. 进而以平均再生制动力为目 标, 选取制动控制策略控制曲线上的关键点坐标为控制变量, 对并行再生制动控制策略进行了优化 设计. 选取 Saturn SL1为研究车型, 在市区 15工况下进行了仿真研究. 结果表明, 优化后的并行控 制策略既可以满足制动安全性的要求又可以回收更多的制动能量. 关键词: 再生制动; 混合动力; 控制策略; 优化; 仿真 中图分类号: U 463. 52 文献标志码: A 文章编号: 1671- 7775( 2009) 03- 0246- 05
收稿日期: 2008- 10- 15 基金项目: 国家 863 计划项目 ( 2003AA 501940 )
作者简介: 张京明 ( 1964 ) , 男, 山东莱西人, 副教授, 博士研究生 ( w h jingm ing@ 163. com ) , 主要从事混合动力汽车研究.
崔胜民 ( 1963 ) , 男, 黑龙江尚志人, 教授, 博士生导师 ( csm168@ s ina. com ) , 主要从事车辆系统动力学及特种车辆研究.
目前在国内, 再生制动系统控制策略主要有理 想制动力分配控制策略、最优控制策略和比例控制 策略 [ 1] . 前两种控制策略都需要一套专门的制动力 控制系统来控制前、后轮的摩擦制动力, 系统复杂, 开发费用高. 基于比例控制策略的并行再生制动控 制策略, 可以在对原有制动系统做很小改动的情况 下, 通过控制电机的电流来达到控制再生制动力, 从 而达到制动能量回收的效果.
图 6 ECE法规轿车制动力分配 F ig. 6 ECE ru le o f brake fo rce d istr ibution
在再生制动过程中, 制动力的施加者是与驱动 系相联的驱动电机, 电机最大再生制动转矩是电机 转速的函数, 这一转矩经过传动系作用在车轮边缘 的力即再生制动力也相应的有一个最大值限制, 即
并行制动控制策略的控制曲线如图 4所示, 根 据不同制动强度下再生制动与机械制动的关系, 选 取 A, B, C, D 4个控制点作为控制变量, 实现再生制 动力的最优控制 [ 6] .
图 2 并行制动控制策略 F ig. 2 Para llel brake contro l strategy
图 4 并行制动控制策略的控制曲线 F ig. 4 P ara lle l brake contro l strategy curve
yA = 0
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( 4)
xC + yC = 0. 7G
( 5)
yC =
1 2
G hg
b2 +
4hgL G
xC
-
Gb + hg
2xC
( 6)
在设计液压比例阀时, 控制 D点在理想曲线上,
并且 D 点处的总制动力大于等于 0且小于等于 C 点
处的总制动力, 相应的约束函数为
yD =
1 2
G hg
b2 +
4h gL G
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第 30卷
A ( z )F re (X, z ) dz
f (X ) =
( 2)
dz
式中 A ( z ) 是对于某一循环的制动强度分布函数, 通
过对统计的汽车在一定时间内的行 驶工况分析得
到. 图 5为欧洲某城市 ECE循环的分析结果. 可见制
动强度分布在 0. 8 m / s2 左右, 即 0. 08g 左右. 因此,
图 3 再生制动控制曲线 F ig. 3 Control curve o f reg enerative brak ing
3 并行制动力分配控制策略优化
2 并行制动力分配控制策略
汽车制动时前、后轮同时抱死, 对附着条件的利 用、制动时汽车的方向稳定性均有利. 对轿车来说, 只用比例阀就可以满足制动稳定性和附着系数利用 率高的要求 [ 4] . 结合混合 动力车辆的特 点, 提出一 种分配控制策略 并行制动. 所谓并行制动是指 再生制动与机械制动以固定的关系分担驱动轮制动 力. 也就是说, 驱动轮制动力等于再生制动力与机械 制动力总和. 并行制动的控制策略如图 2所示.
制动能量回收系统作为混合动力汽车的一个子 系统, 能够将汽车制动过程中的部分动能和势能回 收并储存起来, 在汽车启动和加速时加以利用. 如何 控制制动时前、后轮制动器提供的制动力和电机提 供的再生制动力的分配是混合动力再生制动系统控 制的关键. 合理分配制动力可以减少汽车机械制动 系统的损耗, 从而能够提高整车燃油经济性和能量 利用率.
Abstract: A strategy o f parallel regenerat ive brak ing force d istribut ion based on the d istribut ion o f idea l braking force and proportion contro l strategy is g iven by analyzing the wo rk ing princ ip le o f regenerat ive braking system in hybrid electric veh icles. It can utilize the regenera tive braking energy fu lly and im prove the fue l econom y o f the vehic le. The frict ion braking force and regenerative brak ing force are distributed ra tiona lly. The average braking force is considered as the targe,t the coord inates of the key po ints on the braking contro l strategy curve are se lected as control variab le and the control strategy is optim ized. Saturn SL1 is selected and sim ulated under urban 15 drive cycle. T hrough optim ization the parallel brak ing stra-t egy is proved safe enough and m ore braking energy can be recycled. Key w ord s: regenerat ive brak ing; hybrid e lectric vehic le; contro l strategy; optim izat ion; sim ulat ion
图 5 欧洲某城市 ECE循环制动强度分布 F ig. 5 D istr ibution of brake intense under one ECE
urban dr ive cy c le
并行控制策略控制原则是, 当总制动力较小时 只采用再生制动; 总制动力大于等于 0. 7G 时只采用 机械制动; 在两者之间的时候采用复合制动, 即再生 制动和机械制动同时起作用. 相应的约束条件为