（动力机械及工程专业论文）isg混合动力客车再生制动控制策略及rcp在环仿真.pdf

i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 摘要 再生制动是混合动力汽车重要的工作模式，通过起动发电一体化电机( i n t e g r a t e d s t a r t e r g e n e r a t o r ，i s g ) 回收制动过程中原本被浪费掉的能量，可以实现能源的充分利 用。良好的再生制动控制策略可以协调电制动系统与摩擦制动系统的工作，保证客车的 制动安全并实现制动能量的较好回收。论文以某客车公司1 2 m 混合动力城市公交客车为 对象，分析了适合其运行特性的再生制动系统控制策略，进行了以下的研究： ( 1 ) 分析目标混合动力客车的结构特点和动力特性，利用c r u i s e 软件搭建了较为 准确的汽车动力学模型。 ( 2 ) 在原型客车上加装调压电磁阀，使后轴的制动压力具备二次调节能力。设计 了一套包括前后轴制动力管理和驱动轴制动能量分配的制动控制策略，并分别采用模糊 p i d 算法和动态协调控制方法对其进行了优化。联合仿真平台中的测试结果表明，设计 的再生制动策略可以让客车在3 s 内完成初速1 0 0 k m h 到停车，并在循环工况上取得了 1 6 的制动能量回收。 ( 3 ) 搭建了车载式的快速控制原型( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p e ，r c p ) 半实物仿真平 台，在9 种不同工况下对再生制动控制策略进行试验，试验结果表明，再生制动策略在 高速和低速工况下都达到良好的制动性能并准确地控制了回收效果，常用制动强度下的 制动时间不超过3 s 。 关键词：混合动力客车；再生制动；制动力分配；模糊p i d ；动态协调；r c p 半实物在 环仿真 i i 硕e 学位论文 a b s t r a c t r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi sa ni m p o r t a n tm o d eo fh y b r i de l e c t r i cb u s ，h e bu s et h ei s g m o t o rr e c y c l i n gt h ee n e r g yt h a tw a s t e di nt h eb r a k i n gt oa c h i e v et h ef u l lu s a g eo fe n e r g y t h e s a f e t yo fb a r k i n gc a l lb ee n s u r e dw i t hag o o dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yw h i c h c o o r d i n a t e de l e c t r i cb r a k i n gs y s t e ma n dt h et h ef r i c i t i o nb r a k i n gs y s t e m t h i sa r t i c l ea n a l y s e d t h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hs u i t a b l ef o rt h e12 mh y b r i de l e c t r i cc i t yb u s ， a n dt h em a i ni n n o v a t i o na n dw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 ) a n a l y s e dt h e s t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dt h e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fh e b ， c o n s t r u c t e dt h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e l 、析t l lc r u i s es o f t w a r e 2 ) m o d i f i e dt h ep r o t o t y p eb u s ，a c h i e v e dt h eb r a k ep r e s s u r e ss e c o n d a r yr e g u l a t i o nw i m i n s t a l l i n gar e g u l a t o rv a l v eo nt h er e a l a x l e d e s i g n e das t r a t e g yt h a tc a ng u a r a n t e et h ee n o u g h b r a k i n gf o r c ea n dm a x i m u mr e c o v e r yb r a k i n ge n e r g y ，a n do p t i m i z e di tw i t ht h ef u z z yp i d c o n t r o la l g o r i t h ma n dt h ed y n a m i cc o o r d i n m i o n r e s u l t so fc o s i m u l a t i o np l a t f o r mt e s t ss h o w t h a tt h es t r a t e g ya l l o w sc o a c h e st oc o m p l e t et h e3 sv e l o c i t ylo o k m ht os t o p ，a n dt h ec y c l e c o n d i t i o na c h i e v e d16 o fb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r y 3 ) b u i l tao n - b o a r dr c p ( r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g ) s e m i - p h y s i c a ls i m u l m i o np l a t f o r m ， a n dd e s i g n e d9d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fb r a k et e s t si nt h el o o ps i m u l a t i o nt od ot h ef u n c t i o n a l v e r i f i c a t i o no fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs t r a t e g y t h er e s u l ts h o w st h a tt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n g s t r a t e g yh a sag o o db r a k i n gp e r f o r m a n c ea n da c c u r a t ec o n t r o lo ft h er e c o v e r yp e r f o r m a n c e u n d e rv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ，b r a k i n gt i m en om o r et h a n3 sw h e nc o m m o ni n t e n s i t y k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cb u s ；r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ；d y n a m i cc o o r d i n a t e dc o n t r o l ； b r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n ；f u z z yp i d ；r c ps i m u l a t i o n i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着石化燃料的枯竭和生态环境的恶化，具有节能减排潜力的混合动力汽 车成为各方研发的重点，经过持续的努力，目前已经发展出了多种结构各异、具备不同 特点的混合动力汽车。再生制动是混合动力汽车重要的工作模式，能有效实现能源的高 效利用。再生制动系统控制策略的好坏对其回收效果有很大的影响，国内外各研发机构 都对再生制动的控制策略进行了广泛的研究。 1 1 课题背景 汽车作为人类现代生活和生产中不可或缺的必需品，已经成为世界经济和社会的重 要支撑，不断推动着人类文明的进步和人们生活水平的提耐1 1 。传统内燃机汽车经过各 国优秀汽车工程师百余年的努力，在安全性、成本和舒适性以及个性化方面都达到了比 较高的水平，并且具备了众多高科技技术【2 】。 但是，汽车的普及也带来了严重的全球性社会问题，不断增长的汽车保有量每天都 需要消耗大量的燃油或者天然气资源【3 】，根据2 0 1 0 年汽车制造商协会的统计，目前全世 界各种汽车的保有量超过了1 0 亿，并按平均每年3 6 0 0 万辆的速度增长m 】。2 0 1 0 年， 全球汽车年石油及石油制品消耗量达1 0 6 亿桶，占年全球石油产量的4 2 ，近年来我国 石油需求量逐年攀升，2 0 1 0 年石油表观消费量达4 5 8 亿吨，较上年增长1 2 2 ；石油 净进口2 5 5 亿吨，对外依存度突破5 5 ；国务院发展中心预测，预计2 0 1 5 年左右我国 就将成为亚太地区第一大石油进口国【6 】。与此同时，汽车所带来的尾气污染也因日益恶 化的城市环境得到越来越多的重视，在各大城市道路中穿梭的汽车每天要向空气中排放 数量巨大的二氧化碳、氧化氮及粉尘颗粒，汽车取代工业革命的大烟囱，成为现代都市 中最主要的污染源，由此带来的市民健康问题以及更严重的全球气候变暖问题，都为现 代汽车的发展带来了偌大的阴影1 7 1 。 为了应对困扰汽车业可持续发展的能源和环保问题，汽车业开始寻找各种解决方 式，在这样的背景之下，混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 作为一种新 型的汽车形式被创造出来，设计之初的目标就是为了满足日益严格的排放法规并尽可能 的节省燃油消耗，实现汽车工业的清洁与环保之路【8 一o l 。从驾驶性能角度讲，为了获得 良好的动力性和舒适性，标准配置的动力性能远高于正常运行的平均需求，一般采用提 高发动机的排量的方法来满足功率需求f l ，这就造成了多余的能量浪费，同时还造成了 排放污染的增加，混合动力汽车采用混合动力驱动代替传统汽车由发动机独立驱动的方 式很好的改善了这一不足，同时某些混合动力汽车还有不同于传统汽车的制动方式可以 从制动过程中获取能量进一步增加能源的利用率l l2 。 i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 1 2 混合动力系统的分类与结构 混合动力系统按有许多不同的分类方式，主要有按混合程度分类和按驱动方式分 类。混合动力系统混合程度定义为电机功率在总功率中所占比例的，按照混合度的大小 可将混合动力系统分为【1 3 。1 6 】： ( 1 ) 微混系统( m i c r oh y b r i d s ) 其混合度低于1 0 ，只是利用大功率的起动电机 作为协助发动机启动和加速的工具，而汽车在稳定行驶时由发动机单独驱动。微混合可 实现5 0 旷1 5 的节油效果。g ms i l v e r a d o 混合动力车属于微混合。 ( 2 ) 轻混系统( m i l dh y b r i d s ) 混合度在1 0 0 r - 2 0 ，拥有单独的电机来辅助发动 机工作，电动系统( 电机、电池) 比微混要大，但基本不单独用电机来推进车辆。h o n d a 的i n s i g h t 和2 0 0 3 - 2 0 0 5c i v i ch y b r i d s 是典型的轻度混合汽车，节油可达l5 2 5 。 ( 3 ) 强混系统( p o w e r h y b r i d s ) 混合度在2 0 5 0 ，电机功率占总功率的比例较 高，不仅可以优化发动机的运行区间，还可以短时间内单独驱动汽车运转，需要控制系 统来进行能量与功率管理。t o y o t ap r i u s 、f o r de s c a p eh y b r i d 、m e r c u r ym a r i n e rh y b r i d 、 t o y t ah i g h l a n d e 以及l e x u sr x4 0 0 h 等均为强混合动力汽车。节油达2 0 5 0 ，但实际 节油效果随车辆行驶工况、开车操作细节而变化。 ( 4 ) 全混系统( f u l lh y b r i d s ) 混合度高于5 0 ，主要依靠电机做为驱动，发动机 可以更小只作为电量不足时给电池充电续航用，并且具备外接电源充电功能。控制系统 要能较好地控制发动机开启的时机和强度，以保证电池s o c 始终在可用范围内。 混合动力系统还可按动力驱动方式分为串联式混合动力电动系统( s e r i e sh y b r i d e l e c t r o n i cv e h i c l e ，s h e v ) ；并联式混合动力电动系统( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r o n i cv e h i c l e ， p h e v ) ：混联式混合动力系统( s e r i e s p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s p h e v ) 和复合式 混合动力系统( c o m p o s i t eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，c h e v ) 1 1 7 - 1 9 。 ( 1 ) s h e v 是混合动力汽车中最简单的一种，由串联起来的发动机、发电机、蓄 电池和电动机等动力装置组成，结构如图1 1 所示。在s h e v 系统中，驱动车轮的动力 全部来自电动机；由于其机械连接中可以安装离合器，因此它可以十分便利的采用发动 机发电装置【2 0 】；其发动机首先通过一个发电机给电池充电，发动机输出的机械能由发电 机转换成电能，再由电动机换转成机械能驱动车轮，或同时将部分电能输到蓄电池，必 要时蓄电池的电能通过电动机驱动车轮。控制器在合适的s o c 值下控制发动机开启和 关闭，使发动机可以始终运行在高效区间内。 s h e v 适合城市行驶中频繁起动、加速和低速运行工况，发动机可控制在最佳工况 点附近稳定运转，通过调整蓄电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，提高在复杂 工况下行驶的汽车的燃油经济性。在电池荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) 较高时还 可以关闭发动机，只利用电机进行功率输出，减少发动机的工作时间，减少有害物质的 排放。 2 一电气连接 图1 1串联式h e v 的一种基本结构 其驱动系统结构相对简单。不足之处是所有这些推动装置需要适应最大续航能量， 尽管发动机的工况得到改善，排放较低，但是发动机的输出功通过发电机、电池、控制 器和电动机，在电能与机械能的转化过程中有效率损失，很难实现明显提高效率降低油 耗目标，当汽车经常需要长途行驶时，s h e v 的效率就不高了【2 l 】。这种系统主要用于城 市大客车，在轿车中很少见，丰田c o a s t e r 就属于这种形式。 ( 2 ) p h e v 允许发动机和电动机并行发出能量来驱动。此系统的发动机和电动机 是并列联接，结构如图1 2 所示。这种布置方式将电池的能量和发动机的能量以机械能 的形式结合起来。车辆行驶时，由控制系统根据具体情况决定电动机和发动机单独、交 替或同时工作以满足汽车驱动动力的需要。 。m m电气连接 图1 2 单轴并联式h e v 的一种基本结构 发动机和电动机通过离合器耦合，驱动力可由发动机或电机单独提供，也可两者共 同提供。电动机可以利用制动回收能量或吸收发动机过剩能量( 驱动能量大于所需能量) i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 的方式给电池充电，达到降低排放和提高燃油经济性的目的。 p h e v 优点在于，可以采用较小的发动机和电动机，而达到串联式同样的效果。对 于长途行驶来说，只需要让发动机维持最大持续能力，而电动机只需要在高负载时提供 能量【2 2 1 。从整车效率、动力性能、续驶里程等多方面综合考虑，并联式混合动力是综合 能力最好的结构。这种结构形式的混合动力汽车较多，如本田i n s i g h t 就属于这种结构。 处于成本和性能的综合考虑，p h e v 也是最适合城市公交客车的混合动力系统。 ( 3 ) s p h e v 是串联式和并联式的结合，发动机的输出功率一部分通过传动系统传 输给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发动机发出的电能由控制器控制，输送给电 机或电池，电机产生的转矩通过动力复合装置传给驱动桥【2 3 1 ，结构见图1 3 。混联式驱 动系统在汽车低速行驶时，主要以串联方式工作，而在高速稳定行驶时，则以并联工作 方式为主。 s p h e v 的结构形式和控制方式充分发挥了并联式和串联式的优点，使电机、发动 机、发电机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在复杂的工况下系统工作 在最优状态，拥有更优的油耗和排放表现。但同时，混联式的动力复合形式更复杂，因 此对动力复合装置的要求更耐2 4 】。 。电气连接 图1 3 混联式h e v 的一种基本结构 s p h e v 根据驱动部件功率的大小，可分为发动机主驱动和电机主驱动两种。在发 动机主驱动中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源，日产公司n i s s a n t i n o 属于这 种情况。在电机主驱动中，电机为主动力源，发动机作为辅助动力源，例如t o y o t ap r i u s h e v 。 ( 4 ) c h e v 一般用于双轴独立驱动系统，相当于一套完整的串联系统一套完整的 并联系统，工作模式更加多样化，结构更加复杂，成本最高，控制系统也最复杂【2 5 1 。在 复合式系统中，h e v 前轴和后轴之间没有传动轴连接，而是分别由不同的动力部件进 4 硕上学位论文 行四轮两轮驱动，如图1 4 所示。 朔m - 睡电气连接 图1 4c h e v 的一种基本结构 根据布置位置不同，c h e v 分为两种：一种是前轴由电机驱动，后轴由混动系统驱 动，例如通用公司的p r e c e p th e v ；另一种是前轴由混动系统驱动，后轴由电机驱动型， 比如丰田公司的p r i u st h s c 。 c h e v 双轴四轮驱动的轴平衡能力强， 动时，电机能吸收发动机过剩的输出功率， 收制动能量给蓄电池充电，能量利用率高； 1 3 混合动力客车的现状 动力性和越野性能好；在混动驱动端车轮滑 制动时，前后轴电机都可同时作为发电机回 缺点是结构复杂，成本较高【2 6 1 。 由于城市交通相对拥挤需要频繁的进行启动和制动操作，而城市公交客车运行在相 对固定的线路上，可以针对客车运行的路线和工况来进行有对象性的研究，混合动力客 车在这种条件下可以发挥其优势，有效地减少油耗和排放，所以对承担着城市最主要客 运公共服务工作的城市公交客车来说，使用混合动力技术无疑能带来巨大的社会效应和 经济效应【2 7 1 。 在这种预期之下，一些汽车产业发达的国家开始投入大量资金和技术对混合动力客 车进行技术开发【2 8 1 。美国从9 0 年代其就开始了混合动力客车的研制，已经拥有了比较 成熟的混合动力技术，最具有代表性的就是在纽约投入示范运行的o r i o nb u sv i 客车； 欧洲各国和日本也抓住技术升级换代的机遇，大力研制适应各自需求的混合动力客车， 分别推出了n o v ab u s 客车和日野h i m r 客车1 2 9 ，这些先行者在经过了多项检测和路试 后，都在公交线路上进行了示范性运行，为混合动力客车的研发提供了相当重要的运行 参数。早期的研发主要针对串联式的混合动力系统，而由于并联式和混联式能实现更为 优异的节油效果和动力性能，所以正在成为研究热门对象。目前研制的样车和投入示范 5 i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 运行的车型如表1 1 所示。 表1 1国外混合动力城市客车的代表车型 在国内，1 9 9 9 年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第 一辆混合动力轻型客车 3 0 l 。武汉早在2 0 0 3 年1 1 月就开始混合动力公交车的试运营【3 1 1 。 2 0 0 5 年1 1 月8 日，首批东风混合动力公交车投入5 1 0 路公交运营，武汉国家电动汽车 试点示范城市正式启动 3 2 1 。2 0 0 9 年1 月，科技部、财政部、发改委、工业和信息化部 共同启动了“十城千辆 工程，重点推广混合动力城市公交客车。当前使用、推广混合 动力客车较多的地方有北京、长株潭地区、大连、上海、昆明等，预计配置混合动力客 车超过2 万辆i j 引。 串联式混合动力客车以南车时代的t e g 6 1 2 8 s h e v 为代表，该车采用玉柴1 1 8k w 发动机、春兰3 6 0v 6 0a h 镍氢电池、自主生产的4 5k w 永磁同步电机。此外，主要的 串联式混合动力客车还有中通客车l c k 6 11 0 g h e v 、l c k 6 1 1 2 g h e v 、l c k 6 1 2 0 g h e v ， 和宇通z k 6 1 1 8 h g z 等。 并联式混合动力客车，是当前混合动力客车的主流路线。苏卅i 金龙k l q 6 1 2 9 g h e l 和k l q 6 1 2 9 g h e 2 、东风e q 6 1 1 0 h e v l 、一汽c a 6 1 2 0 u r h l 、厦门金龙x m q6125g h 、厦门金旅x m l 6 11 2 p h e v l 、宇通z k 6 1 2 6 h g z 3 、南车时代t e g 6 1 0 1 p h e v 、深圳 五洲龙f d g 6 1l1 h e v g l 、安凯h f f 6 11 0 g 0 3 p h e v 、青年汽车jnp6l20g hp 1 、 中通l c k 6 1 2 1 h e v 、北汽福田b j 6 11 3 c 7 m 4 d 1 等都是并联式混合动力客车。 混联式混合动力客车由于结构较为复杂、技术难度大，目前开发的车型不是很多， 具有代表性有苏州金龙客车的k l q 6 1 2 9 g h e 3 、厦门金旅客车的x 】l 6 1 2 5 j h e v l 3 c 、 l 6 1 2 5 j 脏v 9 3 c ，宇通的z k 6 11 8 m g a 9 、z k 6 1 2 6 m g q a 9 ，上海申沃的s w b 6 1 2 7 h e 2 ， 6 黄海客车的d d 6 1 2 9 h e s l1 等。主要厂家及车型如表1 2 。 表1 2目前开展混合动力客车研发的国内主要厂家及车型 1 4 再生制动系统的研究 1 4 1 再生制动的简介 制动是汽车三大基本功能( 行驶、转向和制动) 之一，它直接关系到整车行驶过程 中的舒适与安全1 3 4 1 。传统汽车的制动过程是通过制动盘与制动钳或制动鼓与制动蹄之间 的摩擦力来实现汽车的减速1 3 5 j 。 在制动过程中，汽车的动能或位能通过摩擦以热量的形式消耗掉了，这是一个将巨 大的动能转化为热能而耗散的过程。由于城市市区工况道路复杂，经常需要减速和刹车， 传统汽车在城市工况行驶时，制动器所消化的能量占总驱动能5 0 左右【3 6 1 ，这就造成 了大量的能量浪费。 表1 3 各主要城市循环i t 况中制动器消耗的能量 再生制动( 能量回馈制动) 是混合动力汽车区别于传统汽车重要的工作模式，它在 汽车减速或制动过程中，利用动电机发电机或者高速飞轮等装置，将汽车的动能或位能 转化为其它形式的能量储存起来做为下一次做功的储备能源1 37 ，实现能量回收再利用， 同时由于利用了汽车制动时的能量等于提供了相应的制动力，降低了对制动器的制动依 赖，减少了制动器摩擦片的磨损【3 引。采用了再生制动系统后，混合动力汽车可以提高其 能源的利用效率，又有效降低了整车燃油消耗和污染物排放同时也降低了传统制动系统 的损耗延长了其使用寿命，因此混合动力汽车采用再生制动是实现低油耗和低排放的重 i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 要措施【3 9 4 2 】。 1 4 2 再生制动系统的实际应用 随着新世纪以来能源环境的恶化和生态环境的恶化，人们对节能环保型汽车的诉求 越发强烈，各大汽车公司顺应历史潮流，纷纷推出了具有各自特色的新能源汽车，而这 些未来汽车的风向标无一例外的装备了再生制动系统，这说明了再生制动系统在混合动 力汽车乃至新能源汽车系统中的重要地位【4 3 】。 丰田汽车公司在9 0 年代就率先推出混合动力汽车p r i u s ，它利用电液复合制动系统 来实现再生制动的能量回收，可以节省3 0 以上的燃油并拥有良好的制动舒适性】， 2 0 1 1 年丰田公司将推出第三代p r i u s 系统，进一步优化了再生制动系统的协调控制，让 电液制动系统之间的配合愈加顺畅。 本田公司的i n s i g h t 混合动力轿车采用并式再生制动系统，将液压系统和i s a 电制 动系统分离控制，通过将制动踏板分别解析为各自的制动分配系数，来使电制动系统与 液压控制系统共同完制动能量回收【4 5 1 。 福特混合动力款e s a c a p e 采用制动系统与a b s 一体化控制设计，通过控制器控制再 生制动系统和a b s 协调工作以更好的应对路面突发状况，其排放物较原型车降低了6 0 以上，燃油经济性提高了7 5 1 4 6 1 。 1 4 3 再生制动策略理论 在各大汽车厂商竞相推出混合动力汽车的同时，国内外科研单位和高校也加强了对 再生制动系统理论的研究，研究领域主要集中在：再生制动过程中的能量分配和制动力 分配策略和再生制动系统与汽车其他系统( 比如a b s 系统、e s p 系统) 之间的协调控 制上【4 7 。4 9 1 。 国外对再生制动的研究起步较早，美国德州农工大学的y i m i ng a o 等在9 0 年代就 提出了评价再生制动能量回收效率的三种制动力分配的控制策略，并在城市行驶循环工 况下对中度混合动力汽车进行了仿真分析，提出了一套区分常规制动与紧急制动的制 动力分配逻辑，通过调节电机制动转矩和制动器制动转矩来实现车轮的防抱死控制与电 机回馈能量1 5 0 5 。 此后，m e h r d a de h s a n i 又进一步提出了一种基于再生制动系统的纯电动汽车和混合 动力汽车a b s 系统的控制策略，在该控制策略的基础上建立了基于电子制动系统的混 合动力或纯电动汽车的制动系统仿真模型，实现了在不同制动强度下的制动能量的最大 化回收。但是利用软件来区分制动能量回收与紧急制动，增加了软件开发的难度；制动 能量回收系统与a b s 系统对同一个门限参数做出判断，当车轮抱死时，两套系统需要 切换工作，从而增大了系统出错的可能性【5 2 】。 此外，美国m i c h a h i a n 大学的p a n a g i o t i d i s 等为并联式混合动力汽车建立了模型， 8 硕士学位论文 并对再生制动的效果进行了仿真验证和分析比较。c i k a n e k 等提出了基于最小附加成本 并能有效改善制动性能和效率的并联式混合动力汽车的再生制动系统。美国城市学院的 w i c k s 等研究了再生制动系统的节能效果，构建了城市客车在市区行驶循环工况下的数 学模型。美国德州农工大学的y o n g w e ig a o 等提出了混合动力汽车基于开关磁阻电机 再生制动的神经网络控制系统，并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析1 5 弘5 7 】。 日本h a - y a s h i d a 等对装备蓄电池和超级电容组合储能系统的混合动力客车的再生 制动进行了仿真分析和台架试验研究。荷兰e i n d h o v e n 大学的s h u i w e ns h e n 对飞轮储 能的c v t 系统进行了仿真研究。韩国s u n g k y u n k w a n u n i v e r s i t y 的k o n g h y e o nk i m 等 针对4 w d 混合动力汽车提出了四轮驱动混合动力汽车再生制动系统制动力分配控制 策略，并针对该策略，提出了基于模糊控制的四轮驱动混合动力汽车再生制动系统、四 轮液压力及a b s 控制，并通过硬件在环仿真，实现了四轮驱动混合动力汽车再生制动 的综合控制1 5 啪引。 国内对再生制动的研究近年来也渐露锋芒，清华大学的罗禹贡在研究混合动力多能 源动力总成控制器时，对制动能量回收策略进行了探究，利用s i m u l i n k 仿真平台上进行 仿真验证【6 3 1 。 武汉理工大学过学迅、张靖分析了在混合动力电动汽车上实现再生制动的必要性和 可行性，对再生制动控制策略进行了分析，建立了混合动力电动汽车h e v 7 2 0 0 0 的系统 仿真模型，并应用线控再生制动策略对并联式的制动回收能力进行了仿真研究畔j 。 重庆大学的秦大同，杨阳等人在i s g 型混合动力汽车的国家课题中，构建了基于 d s p a c e 的硬件在环再生制动试验平台，并在在此基础上对电机特性、电池充放电效率、 以及变速器( 包括c v t ) 对再生制动的影响等问题进行了深入研刭6 5 侧。 s u nh u i 等人设计了以最大程度回收制动能量为目标的最佳制动能量回收控制策 略【6 1 ，最大程度的使用电制动系统，但是由于电制动的比例过大需要牺牲部分的制动安 全性；吉大王鹏宇等人以保证车辆具有最佳前后轴制动力分配的最佳制动性能控制策略 【6 7 】，使制动曲线尽量符合理想i 曲线，在此基础上才考虑再生制动的回收；耿聪等人在 传统原型车基础上，不改变原有制动系统让电制动与摩擦制动保持一定分配比例的比例 控制策略f 6 8 1 ，该策略只是将电制动与摩擦制动叠加运行，在回收率和安全性上都有一定 的缺陷。前两种方式属于串行式系统，都需要一套专门的制动力控制系统，对原车的制 动系统改造较大；而比例控制策略虽然对客车改动较小，但是由于直接在原来的制动分 配基础上加入了再生制动力矩，无法保证客车制动的稳定性【6 9 1 。 上海交通大学在对整车控制策略进行开发的基础上，提出了多种再生制动解决方 案，包括基于模糊控制逻辑的制动能量分配策略，基于最优滑移率控制的制动系统协调 控制策略和基于动态分配的再生制动控制策略，在仿真试验和台架试验中取得了较好的 效果【7 0 - 7 1 1 。 9 i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 1 4 4 再生制动研究中的问题 国内对混合动力汽车的再生制动的研究起步较晚，在以下方面还有待深入研究： ( 1 ) 再生制动系统模型和汽车动力学模型的建立：由于再生制动系统与整车的行 驶状态息息相关，如果不能建立准确的动力学模型就无法获取准确的参考信息来对再生 制动的效果进行评价。 ( 2 ) 再生制动能量及制动力分配控制策略：与传统制动系统相比，再生制动涉及 到多个制动系统的协调控制，会对原有制动系统的既定结构和策略造成影响，必须通过 协调控制合理的分配各个制动系统的制动能量吸收并保证制动力供应的平衡。 ( 3 ) 再生制动协调控制的优化策略：在多制动系统联合运作的系统中，由于制动 方式灵活，会有多种制动模式以适应不同的工况，在这些模式进行切换的过程中，如果 直接切换，有可能会造成制动系统的不稳定和舒适度降低，如何使其能稳定地完成过渡 也是再生制动系统必须考虑的问题。 ( 4 ) 再生制动系统的试验：传统物理试验的进行需要大量设备和资金的投入，周 期长、成本高，而对于还处于探究阶段的再生制动系统的研究来说，这种大规模的投入 会造成资源和时间的极大浪费，而纯粹的电脑仿真模拟并不能完全放映出系统全部的问 题且仿真软件本身的精度也存在误差，所以就需要采用一种可以兼顾经济性和有效性新 型的试验方式。 1 5 本文研究内容 本文的研究对象是某大型客车公司的1 2 米混合动力样车，它在原型车的基础上进 行动力改装，添加了电驱动系统，与发动机系统构成了并联式结构，并采用双离合器配 置以获得更为灵活的驱动结构。全文结构如图1 5 。 图1 5 论文主要结构 1 0 硕上学位论文 第1 章混合动力客车出现的背景及分类进行了详细的介绍。并针对再生制动系统的 发展意义及研究现状进行了探究，指出了国内目前对再生制动研究中主要面临解决的问 题。 第2 章再生制动系统和整车动力学的建模。利用模c r u i s e 搭建整车动力学模型， 详细介绍各子系统之间的物理关系和数据输入输出关系的搭建过程，形成较为准确的混 合动力系统模型。 第3 章再生制动策略研究。给原型样车后轴( 驱动轴) 加装二次调压机构，通过模 糊p i d 算法控制前后轴的制动比维持在理想i 曲线附近，以保证制动安全性；设计驱动 轮制动能量分配策略，将制动状态分为多种不同的模式，在不同的模式下使用对应的分 配策略以获取最大的能量回馈，并采用动态协调控制方法对模式切换时的制动力波动进 行处理以加强制动稳定性。 第4 章在环仿真平台的搭建和仿真，介绍了d s p a c e 平台及其在v 模式开发中的 作用，详细介绍了r c p 仿真平台的搭建。 i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 第2 章i s g 单轴并联混合动力客车建模 再生制动系统的性能需要通过对整车模型的测试来表现，分析混合动力客车的结构 特点，在汽车动力学和大量子系统数据的基础上，使用c r u i s e 软件可以建立较为准确的 单轴并联混合动力客车的模型，以便对再生制动控制策略进行离线仿真测试。 2 1 单轴并联双离合器混合动力客车系统结构 混合动力客车制动系统在传统客车气压摩擦制动系统的基础上增加了电制动系统， 电制动系统依靠传动系统将整车动能和能量转化为电能的形式反馈回收到储能系统中。 由于摩擦制动系统和电制动系统以及能量储存系统的相互关系复杂，是非线性动态变化 系统且与客车的运行状态息息相关，任何一个状态量的变化都有可能对再生制动系统的 工作发生影响。为了对单轴并联双离合器混合动力客车的再生制动系统进行模拟仿真研 究，必须建立较为准确的客车仿真模型【7 引。 针对实际运行工况分析后，本文以某大型客车厂的1 2 m 城市公交客车为原型进行系 统总成配置和参数匹配设计，构建出了一套新型并联式混合动力总成方案( 见图2 1 ) ， 该方案由配备起动发电一体电机( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ，i s g ) 单轴并联混合动力 系统改进而成：采用双离合器结构，发动机通过电控自动离合器与电机连接，电动机再 经过一个手动离合器与变速箱相连，然后通过传动机构将动力传递到车轮上。 主减速器 鬻 奠 变速器 区娶圆 = 二 电气连接 机械连接 手动离合器i s g 电机自动离合器 i = = = i i i 八八厂、厂、 l - _ y1 ii ii iu u v v 日丁 发动机 逆变器 目目目 匡蓦詈簿囊誊l 图2 1i s g 单轴并联混合动力城市客车结构简图 在针对系统进行过参数匹配和仿真测试后最终得到单轴并联双离合器混合动力客 车的样车，其具体的整车参数见表2 1 。 1 2 硕上学位论文 表2 1 单轴并联混合动力客车整车及主要部件参数表 该方案的主要结构特点是： ( 1 ) 将i s g 电机安装在发动机飞轮的位置与其同轴相连，比之双轴混合动力车少 了一根传动轴和相应的动力传递部件，传动效率大大提高；i s g 电机的功率比传统的起 动电机要大很多，可以在发动机起动时迅速拖动发动机到工作转速，可以加快起动速度、 改善发动机的起动性能；i s g 电机还能在客车下坡或减速制动时提供负转矩进行再生制 动能量回馈，吸收在摩擦制动中浪费掉的能量。 ( 2 ) 在发动机和i s g 电机之间增加了一个电控自动离合器，可以将发动机和i s g 1 3 i s g 混合动力客车再生制动控制策略及r c p 在环仿真 电机断开，使系统的灵活度得到提升。不仅可以实现在低载低速情况下的纯电驱动功能、 在短时停车时进行发动机的停机和快速启动功能，实现对发动机运行状态的优化，减少 低效运转区间，有效地提升了燃油经济性；制动回馈时还能通过断开自动离合器避免发 动机的反拖效应来提高能量的回收量，进一步提高能源的使用效率。 ( 3 ) 结构较为简单，对原型客车的改动较小，可以套用原有系统的各种附件并参 考原有客车的各项设计，节省了设计时间和改装时间；i s g 电机取代原飞轮的位置，对 安装空间的要求不大，不必占用过多的使用空间。 ( 4 ) 由于混合度适中，且混合驱动能带来更好的动力性能，所以发动机的功率可 以适当减小，同时对动力电池的需求量不是特别大，由改装带来的重量增加不多，所以 相对原型客车，整车整备车重的增加不大，能提供更多的有效运载。 2 2 样车仿真模型 按照仿真中信息流动的方向不同，混合动力电动汽车系统仿真可分为后向式仿真和 前向式仿真两种1 7 3 1 。 后向式仿真从系统需求出发，仿真沿轮胎、变速箱，再到电机、发动机等，通过仿 真计算为实现目标车速所需要驱动系统各部件传递的动力参数。后向式仿真不考虑驾驶 员的意图以及系统的动态过程，计算步长较大，计算速度快，可以反复计算以达到系统 最高性能，适用于系统总成匹配估计或对控制策略的性能进行测试【_ 7 4 】。 前向式仿真拥有驾驶员控制模型，给出加速踏板位置和制动命令信号以跟踪给定的 车速信号，仿真信息沿发动机、电机、减速器传递到车轮。前向式仿真更接近真实的运 行情况，其模型相对复杂，计算时间也要长。前向式仿真适用于动力系统设计师在系统 环境下使用准确的模型对控制策略进行开发【_ 7 5 l 。 2 2 1c r u i s e 软件介绍 本文采用的c r u i s e 汽车仿真软件是a v l 平台下用于研究行驶特性、燃油消耗与废 气排放的高级模拟软件，它综合了一些研究行驶性能、油耗及排放的优秀软件的特点： 评价各种行驶工况( 如f t p 7 2 ，e c e r 1 5 ，h d c 等) 加速性能、最大车速、爬坡能力。 该软件可以用于车辆开发过程中的动力传动系的匹配、车辆性能预测，还能够对混合动 力车和电动汽车进行建模仿真和性能模拟。 a v lc r u i s e 软件界面友好，提供了与m a t l a b 、c 、f o r t r a n 等通用编程软件的接口， 为用户建立自定义模块及控制元件的模型提供了方便。c r u i s e 提供了一种图形化的交互 环境，只需用鼠标拖动的方法从模型库中拖出相应的元件，便能迅速地建立系统框图， 根据研究的需要添加相应的控制模块，并正确连接数据总线，便可很快得到系统模型。 大大简化了汽车建模的难度和复杂度，利用提供的各种模块( 如发动机，电机，离合器 等) ，可以轻松地建立各种汽车模型，甚至连奇异的概念车如混合动力轿车或多发动机 1 4 硕士学位论文 轿车也能建立，并进行快速的模拟运算。该软件既能计算纯运动学模型也能计算运动学 动力学混合模型，计算可以是稳态的也可以是真实工作模拟，精巧的司机模型考虑了驾 驶者的个性( 驾驶动作，换档时间等) ，精密完善的算法程序保证了较快的运算速度。 利用c r u i s e 软件可以缩短研发周期，节约研发成本，减少设计的盲目性。 利用c r u i s e 计算任务中的b r a k e 工况，可以仿真出在固定制动踏板下客车整车和制 动系统的性能表现，同时也可以得出电池s o c 的变化量从而分析出能量回馈的效果。 c r u i s e 建模的步骤主要包括：建立物理模型并填入相应参数；建立物理模型的信号连接 作为参数和变量的传递：设置计算任务，选择并调整你需要的仿真任务进行计算1 7 6 。7 7 j 。 2 2 2 建立物理模型 依照系统总成的配置，将模型库中的车体模块( v e h i c l e ) 、驾驶室模块( c o c k - p i t ) 、 驾驶员模块( d r i v e r ) 、发动机模块( e n g i n e ) 、自动离合器模块( f r i c t i o nc l u t c h ) 及 离合器控制模块( c l u t hc o n t r o l 和c l u t c hp r o g r a m ) 、混合动力用i s g 电机模块( e m o t o r ) 、 混合动力用动力电池模块( b a t t e r yh ) 、离合器模块( c l u t h ) 、主减速器模块( s i n g l er a t i o t r a n s m i s s i o n ) 、缓速器模块( r e t a r d e r ) 、差速器模块( d i f f e r e n t i a l ) 、车轮( w h e e l ) 和 制动器模块( b r a k e ) ，以及发动机和传动系统损耗以及汽车上其它耗能部件用耗能模 块( e l e c t r i c a lc o n s u m e r ) 等模块拖入c r u i s e 的工作区中，选定各子系统模块之后，根 据其真实的客车配置方案和部件连接关系情况用c o n n e c t 建立模型的物理连接将各个模 块连接起来，最终构成整车的物理模型建图2 2 。在第3 章中可以将在m a t l a b s i m u l i n k 中建立再生制动控制模