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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)
车辆运动方程:
车辆运动方程:
车轮纵向摩擦力:N
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,: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,:地面摩擦系数,N:车轮对地面压力
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。
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,
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
,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:
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,
:质心高度。
因此,汽车前后轮地面制动力矩分别为:
: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,一面造成车速突然变化。为实现这一要求,引入电动机
转矩影响因子和SOC影响因子。
因此,在一定转速下,电动机的可利用转矩可表示为:
其中,:主减速器传动比,:变速器传动比,:传动系效率。
:试验测得电机发电效率数据曲线,在simulink中查表。电机发电效率曲线
如下图所示。电池模型接收电机发电功率和消耗功率并输出电池SOC和能量回收率。
电机还要对电池进行充电,电机和电池之间的数据接口为电机的充电功率p,
其中,n为电机当前转速,为电机发电效率。
电池SOC值可按照安时积累法确定,其关系式如下:
其中为初始SOC,为行驶过程中传递的电量;为电池总安时容量。行驶过程中传递的电量可以利用下式计算:
dt
I为当前电流,为电池充放电效率。
对于前轴驱动的汽车,制动时,作用在前轮的制动转矩包括电动机再生转矩和液压系统制动转矩,因此,当制动转矩需求一定时,存在制动转矩如何在两种制动系统之间合理分配的问题。
在传统汽车上,ABS由液压系统完成,由于电磁阀的开关延迟以及液压回路的相应滞后,造成制动命令的响应存在10—40ms甚至更大的延后,在紧急制动时,这一延迟将严重影响汽车的安全性,延长制动距离。采用电动机实现防抱死制动功能,从控制角度看,由于电动机的转矩响应迅速、准确,因此就可以在极短的时间内以很高的精度控制电动机转矩的变化。另一方面,采用电动机实现制动也可以实现能量回收,并且能够有效减小对制动器摩擦片的磨损,防止因温度过高而产生的制动衰退现象的发生。因此,制动过程中应在保证制动效能及制动稳定性的前提下尽可能控制电动机提供的最大的制动转矩。
为尽可能多的回收能量,本文采用最佳制动能量回收控制策略,最佳制动能量回收控制策略的思想是在制动力分配允许的范围内尽量增大电机制动的份额,以达到多回收制动能量的目的。
由第二部分自寻优控制求得的制动器需求制动转矩为,电动机的可用转矩为。对于前轮,
当时,则该轮的制动力矩完全由电动机提供,即:
式中,:第i个轮子的电动机制动转矩;:第i个轮子的液压制动转矩。
当时,则该轮的电动机转矩为电机能提供给该轮的最大转矩,其余部分将由液压系统提供,即:
当时,为纯液压制动,则:
根据电动机原理及制动器原理,控制量电枢电流为:
对于后轮,车轮需求制动力矩完全由液压系统实现,则
根据以上分析,对于前轮,再生制动法则去下图表所示:
制动需求制动力矩
电机可用制动力矩
再生制动+液压制动
再生制动
根据以上分析即可建立simulink模型进行仿真研究,可以验证纯电动汽车能够有效地进行制动能量回收。