混合動(dòng)力城市客車制動(dòng)能量返還系統(tǒng)設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)控制研究

混合動(dòng)力城市客車制動(dòng)能量返還系統(tǒng)設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)控制研究

0制動(dòng)能量回流技術(shù)在動(dòng)能駕駛過程中，大部分機(jī)械能量通過制動(dòng)器的摩擦轉(zhuǎn)化為能耗。制動(dòng)能量回饋技術(shù)是指汽車減速或制動(dòng)時(shí)將其中一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，并加以再利用的技術(shù)。因此，研究制動(dòng)能量回饋技術(shù)對(duì)于降低汽車能耗，緩解能源危機(jī)和環(huán)境壓力具有重要意義。制動(dòng)能量回饋控制策略主要分為兩類：并聯(lián)式和串聯(lián)式控制策略。前者對(duì)原有摩擦制動(dòng)力不做調(diào)節(jié)，回饋制動(dòng)力附加在原有摩擦制動(dòng)力上共同實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的功能；后者對(duì)摩擦制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使摩擦制動(dòng)力與回饋制動(dòng)力之和滿足制動(dòng)踏板對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力需求。衡量制動(dòng)能量回饋效果的重要指標(biāo)是制動(dòng)能量回收率，即充入到儲(chǔ)能裝置的能量與可回收能量的比值。研究人員對(duì)該技術(shù)的潛能進(jìn)行研究，研究表明，在城市工況下大約有1/3到1/2的能量被消耗在制動(dòng)過程中，因此制動(dòng)能量回饋技術(shù)對(duì)于車輛節(jié)能減排，尤其在城市工況下，有很大的潛力。許多科研單位研究不同種類的制動(dòng)能量回饋技術(shù)，并得到各自的優(yōu)缺點(diǎn)：并聯(lián)式控制策略實(shí)現(xiàn)簡單，對(duì)原有制動(dòng)系統(tǒng)不做改造，制動(dòng)能量回收率低，制動(dòng)感覺較差；串聯(lián)式控制策略制動(dòng)能量回收率較大，制動(dòng)感覺較好，需要對(duì)原有制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，其控制相對(duì)復(fù)雜。本文選用制動(dòng)防控系統(tǒng)(Anti-lockbrakingsystem,ABS)及其部件，構(gòu)建一種新型串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)。進(jìn)行制動(dòng)力分配控制策略的離線仿真，實(shí)現(xiàn)摩擦制動(dòng)力的安全調(diào)節(jié)。并對(duì)所構(gòu)建的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和硬件在環(huán)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋策略進(jìn)行詳細(xì)的研究。1s產(chǎn)品組件結(jié)構(gòu)串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的整體方案如圖1所示，在原車雙回路氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的前后制動(dòng)回路上各加裝一個(gè)回饋制動(dòng)控制閥，與制動(dòng)控制器、ABS控制器構(gòu)成制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)?；仞佒苿?dòng)控制閥選用與ABS系統(tǒng)相同的開關(guān)式調(diào)壓閥，該閥是成熟的ABS產(chǎn)品組件之一，動(dòng)作迅速、可靠性高，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該閥內(nèi)部有兩個(gè)線圈，分別控制進(jìn)氣和排氣。圖中端口1為進(jìn)氣口，端口2為出氣口，端口3為排氣口，A為排氣閥控制端，B為公共地，C為進(jìn)氣閥控制端。端口1、2與制動(dòng)管路相連，端口3接大氣。根據(jù)表1控制兩個(gè)電磁閥的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)閥后回路氣壓的增加、保持和降低。通過制動(dòng)控制器發(fā)出調(diào)制脈寬信號(hào)控制這兩個(gè)閥的開閉時(shí)間來調(diào)節(jié)管路氣壓，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)摩擦制動(dòng)力的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)式制動(dòng)回饋控制邏輯。目標(biāo)車型所選用的ABS控制器可以發(fā)出緩速器控制信號(hào)DBR，正常情況下該信號(hào)為高電平，當(dāng)后輪抱死時(shí)該信號(hào)會(huì)由1變成0以禁止緩速器工作，本文研究的制動(dòng)系統(tǒng)其回饋制動(dòng)力作用在后輪，與緩速器功能類似，因此可以利用該信號(hào)來調(diào)節(jié)回饋制動(dòng)力以防止后輪抱死。2振動(dòng)能量回收系統(tǒng)的模擬分析由于制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)對(duì)場地和安全性的要求比較高，在實(shí)車調(diào)試之前需要先建立仿真模型，對(duì)控制策略進(jìn)行仿真分析。2.1制動(dòng)能量回流系統(tǒng)控制策略仿真模型采用按部件劃分的模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要建立了駕駛員模型、整車控制器模型、功率輔助單元(Auxiliarypowerunit,APU)模型、電動(dòng)機(jī)模型、蓄電池模型和整車—路面模型。各模塊的功能和參數(shù)彼此相互獨(dú)立，通過簡單信號(hào)來連接。可根據(jù)實(shí)際需要將各模塊靈活組合，模擬各種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力總成。典型串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋控制策略如下：制動(dòng)控制器根據(jù)駕駛員指令判斷整車制動(dòng)需求，結(jié)合當(dāng)前的車輛狀態(tài)確定回饋制動(dòng)力大小，確定摩擦制動(dòng)力大小，同時(shí)需要保證前后輪制動(dòng)力的合理分配。理想的前后輪制動(dòng)力分配關(guān)系是前后輪同時(shí)達(dá)到抱死狀態(tài)，即前后輪制動(dòng)力比值等于前后軸法向載荷Fz1和Fz2的比值式中G——汽車重力L——前后軸距a,b——汽車質(zhì)心至前、后軸中心線的距離因此，汽車?yán)硐胫苿?dòng)力分配為一條“I曲線”，而實(shí)際前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配一般為一條固定斜率的“β線”，如圖4所示。采用制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)后，制動(dòng)力分配曲線變成圖4中的粗折線。OA段，制動(dòng)踏板開度較小，電動(dòng)機(jī)最大回饋制動(dòng)力大于駕駛員制動(dòng)力需求，完全采用后輪電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)。AB段，隨著制動(dòng)踏板開度的增大，電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)力不能滿足駕駛員制動(dòng)力需求，增大前輪摩擦制動(dòng)力，前后輪制動(dòng)力分配點(diǎn)沿著AB線轉(zhuǎn)移，迅速脫離I曲線上方的危險(xiǎn)區(qū)域。B點(diǎn)以后，前輪摩擦制動(dòng)力已經(jīng)達(dá)到該制動(dòng)踏板開度下的最大值，之后前后輪制動(dòng)力沿原制動(dòng)系統(tǒng)的β線上升。當(dāng)ABS控制器檢測到后輪有抱死情況時(shí)，整車控制器根據(jù)DBR信號(hào)的變化控制電動(dòng)機(jī)目標(biāo)回饋制動(dòng)力降為0，摩擦制動(dòng)力全部恢復(fù)，由原ABS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防抱死功能。2.2基于soc的制動(dòng)能量回流仿真分析中國典型城市公交循環(huán)如圖5所示。在該循壞下進(jìn)行制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)仿真，分析影響制動(dòng)能量回饋效果的因素。中國典型城市公交循環(huán)工況的每次制動(dòng)的初始車速和制動(dòng)減速度已經(jīng)決定，因此只分析蓄電池初始電池荷電狀態(tài)(Stateofcharge,SOC)值和最大充電電流限制對(duì)制動(dòng)能量回饋效果的影響。表2為設(shè)計(jì)的中國典型城市公交循環(huán)工況仿真分析方案。1、2兩過程對(duì)比，2由于初始SOC值較高，總線電壓較高，更容易達(dá)到上限而下調(diào)回饋制動(dòng)功率，因此制動(dòng)能量回收率相對(duì)較低。1、3兩過程比較，在相同SOC條件下，限制最大充電電流80A時(shí)，回饋制動(dòng)力占總制動(dòng)力的比例下降，制動(dòng)能量回收率明顯下降。3振動(dòng)能量返回系統(tǒng)的平臺(tái)試驗(yàn)為了更全面地試驗(yàn)制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)功能，建立了制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架。3.1制動(dòng)能量回流硬件在環(huán)測試系統(tǒng)制動(dòng)能量回饋試驗(yàn)臺(tái)架使用了與實(shí)車相同的制動(dòng)氣路、摩擦制動(dòng)系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)和制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)。為了驗(yàn)證制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)和ABS系統(tǒng)的控制過程，在制動(dòng)氣路中加裝了多個(gè)氣壓傳感器，分別測量雙腔制動(dòng)閥與前后回饋制動(dòng)控制閥之間的氣壓(踏板氣壓)、前后回饋制動(dòng)控制閥與ABS調(diào)壓閥之間的氣壓(管路氣壓)以及ABS調(diào)壓閥與車輪制動(dòng)氣室之間的氣壓(氣室氣壓)。因摩擦制動(dòng)力的大小與制動(dòng)氣室氣壓具有特定比例關(guān)系，故氣室氣壓決定了摩擦制動(dòng)力的大小。將整車控制器、電動(dòng)機(jī)、電池等模型下載到dSPACE實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)中，通過I/O接口板與臺(tái)架其他部件進(jìn)行連接，即構(gòu)成制動(dòng)能量回饋硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。在dSPACE系統(tǒng)中運(yùn)行著的整車—路面模型根據(jù)由氣室氣壓計(jì)算出的摩擦制動(dòng)力、電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)力和地面附著力計(jì)算出車輪轉(zhuǎn)速，通過I/O接口板輸出到ABS控制器，ABS控制器據(jù)此判斷整車抱死情況，對(duì)氣室氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。同時(shí)，ABS控制器通過I/O接口板將DBR信號(hào)通知整車控制器，整車控制器根據(jù)該信號(hào)及制動(dòng)踏板開度、電動(dòng)機(jī)和蓄電池狀態(tài)等決定電動(dòng)機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩和目標(biāo)摩擦制動(dòng)力，再通過I/O接口板輸出實(shí)際控制命令到回饋制動(dòng)控制閥，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)架與模型硬件在環(huán)仿真。最終完成的制動(dòng)能量回饋試驗(yàn)臺(tái)架如圖6所示。3.2制動(dòng)能量分析基于制動(dòng)能量回饋試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)多種工況下的制動(dòng)能量回饋算法進(jìn)行了驗(yàn)證，以下為幾種主要工況的分析。常規(guī)制動(dòng)工況如圖7所示，道路附著系數(shù)為0.8，初始SOC值30%，未限制蓄電池充電電流。3.4s時(shí)刻開始制動(dòng),由于車速較高,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高,電動(dòng)機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩只有約200N·m,3.5s時(shí)刻摩擦制動(dòng)力增加,總線電壓、電流升高。3.6s時(shí)刻因總線到達(dá)上限而下調(diào)了回饋功率。隨著車速的降低,電動(dòng)機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩不斷增大,后輪摩擦力不斷下調(diào)以補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化,總制動(dòng)力與制動(dòng)踏板開度的比值基本保持不變。整個(gè)制動(dòng)過程最大制動(dòng)踏板開度28%，車輛初始動(dòng)能1992kJ，除去風(fēng)阻和滾動(dòng)阻力做功最大可回收能量1667kJ，實(shí)際回收377kJ，制動(dòng)能量回收率為22.6%。前后輪均抱死的情況如圖8所示，路面附著系數(shù)0.3，初始SOC值30%，未限制蓄電池充電電流。1.8s時(shí)刻開始制動(dòng)，電動(dòng)機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩逐漸加大。當(dāng)制動(dòng)踏板開度達(dá)到40%左右時(shí)，前后輪先后發(fā)生抱死，ABS調(diào)節(jié)前后輪制動(dòng)氣室氣壓，同時(shí)由于DBR信號(hào)變?yōu)?，電動(dòng)機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩逐漸變?yōu)?，不進(jìn)行制動(dòng)能量回饋，保證制動(dòng)過程的安全。為了防止?fàn)顟B(tài)的頻繁切換，后輪抱死解除后不立即恢復(fù)回饋制動(dòng)力，直到下一次制動(dòng)過程的開始。只有前輪抱死的情況如圖9所示，路面附著系數(shù)為0.3，初始SOC值30%，未限制蓄電池充電電流。6.3s時(shí)刻開始制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)踏板開度為38%時(shí)恰好前輪發(fā)生抱死，后輪未發(fā)生抱死，DBR信號(hào)不發(fā)生變化，后輪仍然進(jìn)行制動(dòng)能量回饋，前輪摩擦制動(dòng)力由ABS系統(tǒng)調(diào)節(jié)。在不影響制動(dòng)安全的前提下保證了制動(dòng)能量的回收。4制動(dòng)力調(diào)節(jié)方案(1)制動(dòng)能量回饋技術(shù)能夠顯著降低汽車油耗，本文從理論分析到試驗(yàn)仿真，設(shè)計(jì)出了一種串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)。(2)解決了串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋策略中摩擦制動(dòng)力難以調(diào)節(jié)的問題，提出了基于ABS調(diào)壓閥的摩擦制動(dòng)力調(diào)節(jié)方案。該方案安全實(shí)用，可靠性強(qiáng)。(3)建立了