复合制动控制策略设计原则与实例分析

发表时间:2018/7/12   来源:《新材料.新装饰》2018年2月上   作者:刘咏萱
[导读] 结果表明未解耦式复合制动系统不能最大程度回收制动能量,在较大制动力需求时前后液压制动力自由分配的解耦式复合制动系统能比前后液压制动力恒定分配的解耦式复合制动系统回收更多制动能量。

(上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海 201804)
摘要:目前已有复合制动系统的控制策略均缺乏针对不同制动系统设计相应控制策略的优劣分析和比较。本文以最大程度回收能量为目标,设计不同复合制动系统的控制策略,比较其产生的再生制动能量。在利用仿真验证的同时,研究复合制动系统如何匹配典型车辆。结果表明未解耦式复合制动系统不能最大程度回收制动能量,在较大制动力需求时前后液压制动力自由分配的解耦式复合制动系统能比前后液压制动力恒定分配的解耦式复合制动系统回收更多制动能量。
关键词:再生制动 复合制动 控制策略 匹配
 
        前言
        电动汽车存在节能要求.其能够在制动时将车辆的部分机械能转化为电能、并储存于电池中。
        常见的复合制动[1]分为未解耦式和解耦式:前者 [2]的制动踏板与液压制动系统机械连接仍存在,无主动调节液压装置,仅仅是再生制动和液压制动简单的叠加,由需求制动力按两者设定的比例进行简单分配。后者[2]的制动踏板完全与原有液压系统断开连接,采用线控制动,能够主动控制液压制动力。根据液压制动系统结构的不同,又可分为前后轴液压制动力按照恒定分配比分配,如博世 HAShev 及对每个轮子独立进行液压制动力控制,如电动机械制动系统(EMB)。
        针对以上复合制动系统,学者们提出并联式控制策略和串联式控制策略。针对前者,基于制动能量回收,清华大学的张俊智等人基于后轴驱动的混合动力客车设计了自由行程策略。针对后者,德克萨斯大学的Mehrdad Ehsani基于制动安全考虑,提出了最佳安全控制策略,基于制动能量回收,提出最佳制动能量回收控制策略。
        并且为保证车辆制动时有良好的方向稳定性和足够的制动强度,同济大学余卓平等人提出满足ECER13制动法规的控制策略。刘丽君等人提出了基于ECE法规和I曲线的机电复合制动控制策略。李玉芳等人提出复合制动系统控制策略的多目标优化。
        本文通过比较不同复合制动系统构型对应的控制策略以及其产生的再生制动能量来研究复合制动系统如何匹配典型车辆。
        1 复合制动系统的典型控制策略设计
        未解耦式复合制动系统的控制策略下文称之CCS。解耦式复合制动系统的控制策略称之DCS。其中前后轴液压制动力按照恒定分配比的控制策略为DCRS;每个车轮独立进行液压制动力控制的控制策略为DCUS。
        1.1设计原则(图1)
        复合制动系统的设计原则如下:
           
        图1  复合制动的控制策略流程
        其中:z:需求制动力强度;n:当前电机速;nlimit:再生制动失效的转速;zset:设定的紧急制动力强度;Fe:前后轴电机的总再生制动之和;M:整车质量.
        1.2 控制策略设计
        1.2.1 低速制动策略。制动力完全由液压制动力提供。
        1.2.2 紧急制动策略。当需求制动力大于紧急制动力强度zset时的制动情况,考虑制动安全性,完全由液压制动。
             
        图2解耦式恒定分配比控制策略图  3解耦式自由分配控制策略
        1.2.3 常规制动策略
        (1)未解耦式控制策略
        再生制动仅仅叠加在液压制动力上。
        (2)解耦式恒定分配比控制策略
        A.低强度制动策略:前后轴电机能提供的最大再生制动力之和能满足需求制动力,故完全由电机制动以回收制动能量,并按照理想制动力分配曲线分配,如图2中0-A之间。
        当前轴的电机能提供的最大再生制动力小于理想制动力时,此轴的制动力为最大能回收的再生制动力。后轴的再生制动力为需求制动力减去前者的再生制动力。两轴的液压制动力都为零,如图2中A-B之间。
        B.中强度制动策略:前后轴电机能提供的最大再生制动力之和不能满足需求制动力时,需介入液压制动,考虑制动能量的回收,以电机制动为主。
        前后轴再生制动力等于电机能提供的最大制动力,剩余制动力由液压制动提供并按β曲线分配如图2中B-C之间,直到前轮没有抱死而后轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线(简称r曲线)或后轮没有抱死而前轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线(简称f曲线)如图2中C-D之间,减小再生制动力,增加液压制动力并按照β曲线分配,使总制动力按照r曲线或f曲线分配。
        (3)解耦式自由分配控制策略
        A.低强度制动策略
        当两轴电机能提供的最大制动力都大于理想制动力时,前后轴都由电机提供制动力并按照理想制动力分配曲线分配,如图3中0-A之间。
        当仅前轴电机能提供的最大制动力大于理想制动力时,此轴的制动力为最大能回收的再生制动力。另后轴的再生制动力为需求制动力减去前者的再生制动力。两轴的液压制动力都为零,如图3中A-B之间。
        B.中强度制动策略
        当后轴最大再生制动力大于理想制动力,前后轴的再生制动力都取最大电机能提供的制动力,剩余的制动力由前轴的液压制动力全部承担,后轴液压制动力为零,如图3中B-C。直到前轴的液压制动力到达理想制动力曲线。之后按照理想制动力曲线分配,如图3中C-D。
        当前轴最大再生制动力大于理想制动力时,前后轴的再生制动力取最大电机能提供的制动力,剩余的制动力由后轴的液压制动力全部承担,前轴液压制动力为零。直到后轴的液压制动力到达理想制动力曲线,之后按照理想制动力曲线分配。
        1.2.4 ECER13 制动法规修正
        由于前后轴制动力分配离理想前后制动力分配曲线越远,附着系数利用率越低,整车制动性能和方向稳定性越差,为此,联合国欧洲经济委员会制定的ECER13对双轴汽车前、后轴制动的制动力提出了明确的要求:在各种装载情况下轿车制动力强度在0.15到0.8之间,前轮都必须能先抱死。此外,在车轮尚未抱死的情况下,在0.2到0.8之间,要求制动强度:
               (1)
        由此可得到前后轴最大制动力的限制并对以上控制策略修正。
        1.2.5.再生制动回收过程
        基于以上控制策略,在图4的总制动力需求制动下,当时间在0到A之间时,由于需求制动力较小,完全能够由再生制动力提供。在A到B之间,随着制动力增大再生制动力不足以提供因此需要液压制动介入。由电机特性知,当电机转速大于额定转速时,随着转速减小,电机提供的力矩增大,所以当时间在B到C之间时,需求制动力完全由再生制动力提供。但在时间C到D之间,随着电机转速减小,电机转速低于电机电枢反电动势过低而导致再生制动失效的转速,再生制动力迅速减小,同时液压制动力增大,直到完全代替。

            

        图4.制动力分配图
        2典型控制策略比较分析
        通过对典型复合制动控制策略比较分析,来考察不同复合制动系统构型制动能量回收的能力。
        2.1未解耦式复合制动系统与解耦式复合制动系统的复合制动控制策略比较
        未解耦式复合制动系统由于其制动系统构型的限制,不能主动调节液压制动力矩,必须介入液压制动,无法最大程度的回收制动能量。而解耦式,由于能够主动调节液压制动力矩,所以可以在电机制动能力的范围内优先利用电机制动,当制动力不足时,液压制动力才介入。所以解耦式复合制动系统比未解耦式复合制动系统能回收更多再生制动能量。
        2.2解耦式复合制动系统的恒定分配比控制策略与自由分配控制策略
        在制动力需求小于0.15g时,不会违反ECER13法规,两种控制策略回收制动能量的能力相同。在制动力需求大于0.15g时,有可能违反ECER13法规,当违反ECER13法规时,自由分配控制策略中一旦触碰到法规线,仅一轴的液压制动力会增加,另一轴的再生制动力可能会减小,减小量仅包含后轴增加的液压制动力。而恒定分配比控制策略中,一旦触碰到法规线,因为按照 曲线分配前后轴液压制动力,前后轴液压制动力同时增加,相对的再生制动力一定减少且减小量要包含前后轴增加的液压制动力。 因此,解耦式复合制动系统能比恒定分配比的解耦式复合制动系统能回收更多制动能量。
        3不同复合制动系统仿真分析
        利用仿真比较不同复合制动系统构型产生的再生制动能量,研究不同的循环工况下如何合适地匹配复合制动系统以验证上述结论。
        3.1 循环工况
        下文选取的代表性循环工况有欧盟ECE+EUDC(NEDC)(中国国家标准GB/T 18386-2005中规定的电动车实验循环工况为NEDC)、美国FTP72循环工况。
        3.2 车辆选取
        考虑到目前世界范围电动汽车的研发情况,销售量最大事务紧凑型车型日产LEAF(前驱)的整车参数设定分析。并针对于典型城市循环工况NEDC和FTP72进行分析。
        3.3 结果及分析
        分析比较不同循环工况典型车型搭载不同复合制动系统的回收再生制动能量情况:图5为NEDC工况的制动能量回收情况,未解耦式复合制动系统显然比解耦式复合制动系统回收的能量少。图6为FTP72工况的制动能量回收情况,未解耦式复合制动系统显然比解耦式复合制动系统回收的能量少。
                

        图6 循环工况FTP72下能量回收历程
        小结:图7直方图所示为不同循环工况下计算结果.如图7.a,在不同循环工况下,制动力强度越大,可回收的能量越多,充电能量占放电能量的百分比越高。如图7.b.在同种循环工况下,未解耦式复合制动系统获得的再生制动力占总制动能量的百分比低于解耦式复合制动系统。而解耦式前后液压制动力分配比恒定的复合制动系统在NEDC工况中的回收效果与解耦式前后液压制动力自由分配的复合制动系统基本相同。原因在于NEDC工况的制动力强度较小,不能完全发挥出制动力自由分配的解耦式复合制动系统的潜能。
                 

        图7 不同循环工况不同控制策略制动能量回收对比
        4.结论
        本文侧重于研究不同复合制动系统构型的控制策略,并设计总结了相应的控制策略。
        通过分析比较及仿真验证,得出了不同复合制动系统构型在不同制动阶段制动能量的回收情况:
        未解耦式的复合制动系统无法最大程度的回收制动能量;解耦式的复合制动系统能够最大程度的回收制动能量,在较大制动力需求时解耦式前后液压制动力自由分配的复合制动系统能比解耦式前后液压制动力分配比恒定的复合制动系统能回收更多的制动能量。
参考文献
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[3]蔡峰,吴昂键,毕大宁,刘旌杨.电动机械制动(EMB)系统汽车技术[J],2010(11):38-40.
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[5]张俊智,陆欣,张鹏君等.混合动力城市客车制动能量回收系统道路试验[J].机械工程学报,2009, 45(2): 25-30.
[6]Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebstien E.Gay, et Cell Vehicles [M].北京:机械工业出版社,2008:11-51, 284-294
[7]余卓平,张元才,徐乐等.复合制动系统力协调分配方法仿真研究 [J]. 汽车技术, 2008(5):1-10.
[8]刘丽君,姬芬竹,杨世春等.基于ECE法规和I曲线的机电复合制动控制策略[J].北京航空航天大学学报,2013,39(1):138-142.
[9]李玉芳,吴炎花.电-液复合制动系统的控制策略多目标优化[J].计算机仿真,2013(1):38-40.
[10]张兆良 宁国宝. 车辆机-电复合制动系统[J].上海汽车,2009(11):42-46.
 

 

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