液压助力EV再生制动控制策略研究.pdf

26 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 0期 2 0 1 4年 1 0月 液压助力 E V再生制动控制策略研究 邹政耀， 吕云嵩， 赵伟军， 张有智 南京工程学院 汽车与轨道交通学院， 江苏 南京2 1 1 1 6 7 摘要 借助液压助力系统实现城市电动公交车制动能量回收和起步助力。在分析再生制动模式的基础上， 使用模糊 控制研究控制规律， 兼顾安全性和能量回收效率， 考虑车速和制动强度这两个因素研究得 出了附加再生制动力系数的 规律。对在制动初速为 3 0 k m ／ h时再生制动和机械摩擦制动的功率和能量进行了仿真， 得到了附加再生制动力后的前 后制动力的关系， 在不同附着系数路面上制动时均能防止后轮先抱死。 结果表明在对原车制动系统改动较小的前提下 获得较好 的能量 回收效率。 关键词 电动公交车； 再生制动； 电液比例阀； 模糊控制 中图分类号 T H1 6 ； U 4 6 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 0 0 2 6 2 0 3 S t u d y o n Re g e n e r a t i v e Br a k i n g Co n t r o l St r a t e g y o f Hy d r a u l i c P o we r El e c t r i c U r b a n Bu s Z O U Z h e n g - y a o ， L V Y u n - s o n g ， Z H A O We i - j u n ， Z HA N G Y o u z h i S c h o o l o f A u t o m o t i v e＆R a i l T r a n s i t ， N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， J i a n g s u N a n j i n g 2 1 1 1 6 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e h e l p o fh y d r a u l ic p o w e r s y s t e m t h e e l e c t r ic u r b a n b u s r e a l i z e s t h e f u n c t i o n o fb r a k i n g e n e r g y r e c o v e r y a n d s t a r t i n g p o w e B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e r e g e n e r a t i v e b r a k i n g mo d e ，t h e f u z z y c o n t r o l i s u s e d t o s t u d y t h e c o n t r o l l a w b y t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e s a f e t y a n d e f fic i e n c y of e n e r g y mc o v e r y ．T h e l a w o f a d d i t i o n a l r e g e n e r a t i v e b r aki n g c o e ffic i e n t is s t u d i e d a b o u t s p e e d and b r aki n g i n t e n s i t y ．O n t h e b r ake ml l z ] e v e l o c i t y of 3 0 k m ／ h ，t h e b r aki n gp o w e r a n d e n e r gy o ft h e r e g e n e r at i v e b r aki n g and m e c h ani c a l f r i c t i o n b r a k i n g i s s i m u l at e d ． The r e l a t i o n s h ip s oft h e fro n t a n d r e a l b r a k i n g f o F c e a p p l i e d add i t i o n al r e gen e r ati v e b r aki n g f o r c e i s o b t a i n e d ． I t r e al iz e s p r e v e n t w h e e l l o c k o n d if f e r e n t f r i c t i o n c o e ffic i e n t r o ad s u S ace w h e n b r a k i n g ． T h e r e s u h s s h o w t h at a b e t t e r e ffw i e n c y is o b t a i n e d o n t h e p r e m i s e ofs m a l l c h a n g e s oft h e o r i g i n al b r a k e s y s t e m ． Ke y W o r d s EV Bu s ； Re g e n e r a tiv e Br a k i ng ； El e c t r o - Hy d r a u l i c P r o p o r t i o n a l Va l v e ； F u z z y Co n t r o l 1 引言 城市公交车的最高车速低， 一般为6 0 k m ／ h ， 加速阶段和减速 阶段占时较多， 可见发动机输出的功率大部分消耗于加速和制动， 电动公交车由于频繁启停， 制动能量回收问题对其非常重要_1 j。由 于单体电池容量不是定数， 它与电池的使用情况尤其是充放电倍 率有关，过高的充放电倍率会明显减小电池容量和循环使用寿 命， 因此 ， 实际使用中电池的充放电倍率是被严格控制的目 ， 且现 有动力电池还不能很好的适应车辆启动、 爬坡等工况对瞬间大电 流的要求[ 3 ] 。 因此采用车辆反拖电机发电直接给蓄电池充电的方 法回收制动能受到较多限制， 且在车辆起步时无法大幅降低蓄电 池放电电流， 因而有研究采用二次调节技术实现再生制动 。 也有 学者利用超级电容吸收车辆制动时产生的瞬时大电流， 但 目 前超 级电容在价格和使用成本上仍缺乏竞争力 ，实现产业化尚待时 日。为更好解决城市公交车再生制动和起步助力问题， 同时需要 考虑乘客的安全 ， 一种电动汽车电液比例阀控泵／ 马达液压制动 能量回收及助力系统被提出， 其系统组成， 如图 1 所示 ， 使用电液 比例减压阀和泵组合实现变量泵功能的目的， 简化了机构， 同时 电液比例减压阀能实现快速响应『句 。仅解决电动汽车的制动能量 回收及起步助力， 且公交车这两个工况间隔出现， 使得需要存储 的能量总量较小对液压助力系统能量容量要求较低。 仅讨论制动 能量回收部分。 2结构及工作原理 液压马达并联连接于驱动桥，其排量由电液比例减压阀根 据驱动电机的转速、 制动踏板信号、 油门踏板信号和高压蓄能器 的压力传感器信号来控制 ， 设置有高压蓄能器和低压蓄能器存储 工作液。在低速时通过电液比例减压阀仍然能吸收制动能量， 将 城市公交车的动能转变为压力能存储于高压蓄能器 ； 在车辆起步 时能释放高压蓄能器中的压力能， 达到起步助力， 减小蓄电池放 电电流的目的。重点讨论再生制动的控制策略。 、 3再生制动的模式研究 汽车制动时如果车速高于一定的数值，且前轮抱死滞后于 后轮抱死则可能产生侧滑， 因此前后轮制动器分配比例关系在制 来稿 日期 2 0 1 4 ～ 0 3 1 6 基金项目 江苏省自然科学基金项目 B K 2 0 1 2 8 6 6 ； 江苏高校科研成果产业化项目 推进项目 J H B 2 0 1 1 - 2 6 、 J H I O X ； ‘ 青蓝工程’ 资助， 南京工程学院创新基金项 目 C K J 2 0 1 1 0 1 1 作者简介 邹政耀， 1 9 7 3 一 ， 男， 江苏丹阳人， 在读博士， 副教授， 主要研究方向 再生制动技术和传动 第 l 期 邹政耀等 液压助力 E V再生制动控制策略研 究 2 6 3 动叫‘ ． 『 丁汽／ i- 2个 I 1 常 要， 通『立不 附着系数的路面的理想lj 订 轮制动器制动 J 分眦I { } I 线的称为， 线。f_l j l 生制动装置在 t fi f t 需 满越汽乍制动安个 的殁求， 同时还需露尽_ 1丁 能多吸收汽车动 能， 提高 收能 的效卒 前 制动根批连接方式不问， 考虑 制动安全、 最 感觉币 能f l } 『 I J I 收效率n 丁 以分为串联再生制动和并 联} { f ， I i 制动的符种f } 『 制动控制策略， 各有优缺点 。 城f 公交1 的f1 {『 后制动器制动力的比值为定值时，其串 联 控制策略 为低制动强度时， 再生制动为最大程度实现能量回 收I 这种策略 冰一 路而附着系数较低 L L 车速较高时， 则非常容 埸产生 轴f J lJ 滑。 综合考虑减小蔷『 乜 池的充放电电流、低附着系数路面制动 的稳定性卡 删动安令性，利用电液比例阀控马达系统的特点， 提 ⋯ J 联合控制策略， { 1 f ， l 埔IJ 动力 与车速的火系， 如图 2 所示。 不改 变原乍的制动系统结构， 通过控制再 制动系统制动力实现制动 能城的 收 具体策略为 车速较低时原制动系统起作用的同时 { } f 牛制动系统步提供制动力， Ill i 驾驶员需要的制动力的绝大部 分； 在乍速作『 f 1 低速时， 即使 辆抱死也不会发生侧滑， 再生制动 系统提供大制动 ， l i 驶员需要的制动力的最大比例 当车速 l 丁一定值 ． I I f 乍制动的驾驶 员需要 的比例逐渐 降低 ， 以保 I t l q “ 乍制功时n 勺 稳定。 l _．机 2 ． 液压， 5 达 3 ．拧制 元 4 减压阀 5 ． 电液【 E 例减压阀 6 ． 电磁阀 7 ． 高J K 葫能器 8 ．低 葺能器 9 ． 电流传感器 l 0 ． 力传感器 网 1电液 比例阀控马达系统结卡 句图 Fi g ． 1 r I1 P S l r a { t tl l Ch a r t o f Mo i o r S v s t e m Co n t r o l l e d b y Eh ‘ mv - t I 、 dr a u l i 。Pr o p o l t i o n a l Va l v e 冈 2 I I } 制动力 不 1 速I 1 ,1 』 需 要的制动 力比例 r i g ．2 l { I g P 1 a l iv e B r a k i i g F o l’ Ra t i o o f Br a k i n g nl r P I { t l u i r ‘ 1 a t Di f f e r e n t S p e d s 4附加再生制动力的比例的研究 城f f 『 公交乍的加速、 减速、 怠速f 1 】 匀速 1 况经历的时间大约 各 占 2 5 ％。 加装冉生制动系统后 城市公交车一般为后轴驱动 ， 所 以附加的再生制动力加载在后轴 ， 前后制动力发生变化， 其关系 如式 1 所示 G‘ 柠 1 l F 1 G 口 式中 ， 、 厂 前、 后制动力， 单位 N； G 一车辆雨力， 单位 N； a , b 、 L 、 妇一质量参数， 单位 n l ； z一制 动强度 ； 占 一附加 的再生制动力系数 以下简称 6 。 由式 1 知在附加再生制动力后 ， 后轮制动力提升 了， 所 以 获得同样的减速度， 机械摩擦制动系统总体提供的制动力需要减 小， 有f } } 生制动系统补充不足的制动力。 在施加再生制动时， 对于 中小强度制动， 可以让再生制动力占较大比例， 以获得较高制动 能量回收效率， 在紧急刹车等大强度制动时， 反而要减小再生制 动的比例， 不影响原车的前后制动器制动力分配关系， 以满足制 动时的方向稳定性。 在车速高于一定转速时后轴制动时才发生侧 滑， 冈此在车速低于一定数值时， 完全可以考虑在后轴不发生抱 死时承担最大程度 的制动任务 ， 以实现最大程度 回收电动公交车 的动能。 在车速高于一定值时， 此时要适当降低冉生制动的比例， 以免发生制动侧滑的情况。由于城市公交车的最高车速不高， 且 驾驶员对线路非常熟悉， 所以一般为低速和中等强度的制动。运 用模糊控制方法得到再生制动的比例关系。模糊规则， 如图3所 示。 图中 S表示小， B表示大， 根据规则表可得到车速和制动强度 的隶属函数。其中车速范围为 0 ～ 6 0 k n g h ， 制动强度z的范同为 0 ～ 0 。8 一 s 3 罂 s ． ． S S 曰 B S。 S B， S S‘ S， S 启， 5 ， S ， S S 一 - S S ， S S 3 2 l 1 2 车速 图 3规则表 F i g ． 3 Th e Ru l e s T a b l e 满足规则表 1的 6 与制动强度 、 车速仿真后得到的关系 ， 如 图4所示。 在再生制动时， 首席学虑的是制动的安全性， 兼顾驾驶 员的感觉和制动能量回收的效葺 夏 。 F h 冈4可以看出在高速时降低 再生制动的比例从实际情况考虑， 一 般公交车驾驶员对线路非常 熟悉 ， 在乍速较高时 紧急制动的情况较少， 如果冉生制动力 的比 例较大的话会增加后轮抱死的概率， 特别在冰雪等低附着系数路 面上， 不利于制动安全。 在巾低速时将再生制动的比例调到最高， 满足最大效牢回收制动能量 的要求 。 在考虑6 后， 前后轮制动力在没有抱死前提下的分配关系为 2 F 1 8 、 -。 式巾 一 lj L 有同定比值的前、 后制动器制动力分配系数 附加再生制动力后前后制动力曲线仍然在， 曲线以下， 则前 机械 设 计 与制 造 NO ． 1 0 Oc t ． 2 01 4 后制动力曲线始终在 ， 线以下， 当路面的附着系数较小时公交车 制动不会发生制动侧滑的情况。选取取城市公交车的质量参数 为 L 1 2 m， a 3 ．4 5 4 m， b 1 ． 7 4 6 m。 前轴制动力 后轴制动力 1 1 ．4 ， 所得图 5为在一定车速下附加再生制动力后的前后制动器制动 力仿真后的关系曲线 ， 从图中可以看出在小强度制动时附加于后 轴的再生制动力制动力占后轴制动力的5 0 ％， 在高强度制动时这 个比例较小， 符合城市公交车小强度制动能回收的制动能量 占更 大比例的实际运行隋况，从而保证整体回收制动能量效率跟高， 同时在低附着系数路面上的制动时方向稳定性。 图4 6 与制动强度、 车速的关系 Fi g ． 4 Th e Re l a t i o n s h i p o f De l t a ， Br a k e S t r e n g t h a n d S p e e d 罨 需 嚣 也 前轴制动力 单位 k N 图5附加再生制动力后的前后制动力关系 F i g ．5 Th e Re l a t i o n o f t h e Fmn t a n d Re a r Br a ki n g F o r c e Ap p l i e d Ad d i t i o n a l Re g e n e r a t i v e Br ak i n g Fo r c e 根据图5的规则， 在制动初速度为 3 6 k m ／ h 进行制动， 由于 液压系统在极低的速度下仍然能吸收制动能量， 所以再生制动结 束的速度取较低， 利用图6所示的仿真模型对再生制动与机械摩 擦制动功率和能量的数值进行仿真， 制动强度为 0 ． 2 ， 低速时尽可 能多吸收能量， 高速时考虑安全f生对原车制动系制动力分配干预 小 一般城市公交车的平均车速约 2 0 k m ／ h ， 所以主要考虑低速时 制动能量的回收 ， 其结果 ， 如图7 所示。可以看出在小制动强度 的绝大部分时间内， 降低后轴机械摩擦制动力而大部分由再生制 动承担， 回收能量的比例是较高的。 输出 数据 图 6制动功率和能量 的仿真模型 F i g ．6 T h e S i mu l a t i o n Mo de l o f Br a k i n g Po we r a n d E n e r g y 车速 单位 k m ／ h 图 7再生制动力功率 、 总制动功率与车速关系 F i g ．7 T h e Re l a t i o n o f Re g e n e r a t i v e B r a ki n g p o we r ， t h e T o t a l Br a k i n g Po we r a n d S p e e d 5结论 附加电液比例阀控马达系统于城市公交车实现再生制动和 起步助力， 在综合考虑车速、 制动强度 、 制动安全、 制动能量回收 效率和制动感觉的基础上， 提出了联合控制的目标 ， 运用模糊控 制的方法得到了再生制动系数6与制动强度、 车速的关系， 为再 生制动是可施加的再生制动力提供了参考。 汽车在质量参数发生 变化时， 曲线也会发生变化， 借助电液 比例阀能实现较快调节的 特性， 根据驱动轮的转速能实现驱动轮的制动防抱死 ， 这是以后 需要研究的内容。 参考文献 [ 1 ] 吕云嵩 ， 邹政耀 ．城市公交车液压传动系统设计研究 [ J 1 ． 液压与气动 ， 2 0 0 7 1 1 1 4． L v Y u n - 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