（光学工程专业论文）基于混杂系统理论的汽车再生制动稳定性分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 再生制动是提高混合动力汽车燃油经济性和增加续驶里程的一项重要 技术。再生制动系统是在原有的液压制动系统基础上增加了电机制动，从 而产生了再生制动、复合制动和液压制动三种制动模式。根据驾驶员的制 动意图，通过判断制动强度的大小，选取合适的制动模式。 混合动力汽车制动系统作为一个包含了几种子系统的切换系统，在制 动过程中选择适当的制动模式以及不同制动模式间进行切换时，其切换系 统的稳定性会随之发生变化，同时在制动过程中也涉及到离散事件的切换 和连续变量的变化，因此本文应用混杂系统理论来研究混合动力汽车再生 制动系统，完成的主要研究工作有： 应用混杂系统基本理论定义了再生制动过程中离散事件和连续变量的 标识，进而描述了汽车再生制动系统，为应用混杂系统的理论研究再生制 动系统提供了理论方法。 应用微分p e t r i 网建立制动过程中三种制动模式切换的动态模型。基于 微分p e t r i 网能够较好地刻画系统中离散变迁和微分变迁的优点，建立了 汽车再生制动系统统一的混杂动态模型，进行了根据不同制动强度合理切 换制动模式的建模与仿真。 利用切换系统理论定义了制动模式切换过程，给出了制动模式切换系 统的稳定性定义，并依据李雅普诺夫稳定性定理提出了制动过程稳定性控 制规律。通过将车辆制动滑移率稳定在一定范围内，实现对制动模式合理 切换的控制。 关键词：混合动力汽车，混杂系统，再生制动，稳定性 江苏大学硕士学位论文 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 tt e c h n i q u et oi m p r o v et h ef u e le c o n o m ya n d i n c r e a s et h ed r i v i n gr a n g eo fh y b r i dv e h i c l e s r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mi n c r e a s e st h e e l e c t r i cm o t o rb r a k i n go nt h eb a s eo fo r i g i n a lh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m ，s ot h eb r a k i n g c o u r s ec o n t a i n st h r e ek i n d so fb r a k i n gm o d e ss u c ha sr e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，c o m p o u n d b r a k i n ga n dh y d r a u l i cb r a k i n g a c c o r d i n gt ot h ed r i v e r sb r a k i n gi n t e n t i o n ，ar e a s o n a b l e b r a k i n gm o d e c a nb es e l e c t e db yj u d g i n gt h eb r a k i n gi n t e n s i t y h y b r i de l e c t r i cv e h i c l eb r a k i n gs y s t e mc o n t a i n sav a r i e t yo fs w i t c h i n gs u b s y s t e m s d u r i n gt h ep r o c e s so fb r a k i n g ，t h eb r a k i n gs t a b i l i t yc a l lb ec h a n g e db e c a u s eo fs e l e c t i n g a p p r o p r i a t eb r a k i n gm o d ea n ds w i t c h i n gb e t w e e nd i f f e r e n tb r a k i n gm o d e s ；t h i sb r a k i n g p r o c e s si n v o l v e di ns w i t c h i n gc o n t r o lb e t w e e nd i s c r e t ee v e n t sa n dc o n t i n u o u sv a r i a b l e s b a s e do nt h et h e o r yo fh y b r i ds y s t e m s ，t h i ss t u d ya n a l y z e dt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n g p r o c e s s t h ek e yf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： a p p l y i n gt h eh y b r i ds y s t e m st h e o r y t o a n a l y z er e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw a s p r o p o s e d ，t h ed i s c r e t ee v e n t sa n dc o n t i n u o u sv a r i a b l e so fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gp r o c e s sa r e d e f i n e dw i t ht h eb a s i ct h e o r yo fh y b r i ds y s t e m s ，w h i c hm a d ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e v e h i c l er e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m t h i sm e t h o dp r o v i d e saw a yt o s t u d yr e g e n e r a t i v e b r a k i n gs y s t e mw i t ht h el a t e s th y b r i ds y s t e m st h e o r i e s u s i n gd i f f e r e n t i a lp e t r in e tt oe s t a b l i s ht h ed y n a m i cm o d e l sd u r i n gt h et h r e ek i n d so f b r a k i n gm o d e ss w i t c h i n gw a sa n a l y z e d a st h er e s u l to ft h ea d v a n t a g e so fd i f f e r e n t i a lp e t r i n e t s ，au n i f i e dd y n a m i cm o d e lo fa u t o m o b i l eh y b r i dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw a ss e tu p ， w h i c ha c h i e v e dt h er e a s o n a b l eb r a k i n gm o d em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nd u r i n gt h es w i t c ho f d i f f e r e n tb r a k i n gi n t e n s i t y d e f i n i n gt h eb r a k em o d e ss w i t c h i n gp r o c e s sw i t ht h et h e o r yo fs w i t c hs y s t e m ，t h e s t a b i l i t yd e f i n i t i o no fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gm o d es w i t c h i n gw a sg i v e n b a s e do nl y a p u n o v s t a b i l i t yt h e o r e m ，b r a k i n gc o n t r o ll a w w a s p r o p o s e d c o n t r o l i n gt h es l i po fv e h i c l eb r a k i n g w i t h i nac e r t a i nr a n g ea c h i e v e dar e a s o n a b l eb r a k i n gm o d e ss w i t c h k e y w o r d s ：h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e s ，h y b r i ds y s t e m s ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，s t a b i l i t y i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密1 7 ，在年解密后适用本授权书。 不保密阢 学位论文作者签名：雀吏薇 o i o 年f 户j o 日 指导教师签名：专百l ； j 伽f d 年占月o 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：径丈投 日期：多汐户年月口日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车再生制动的研究背景及现实意义 1 1 1 课题研究背景 汽车作为主要交通工具和国民经济的重要支柱产业得到了快速的发展，但与此同 时，汽车也带来了能源消耗、环境污染等诸多负面影响。目前，汽车节能与环保技术 主要有两条路线：一条是针对传统车辆进行改进来达到节能和环保的要求；另一条是 新型节能与环保车辆的研发，包括替代燃料汽车( a l t e r n a t i v e f u e lv e h i c l e s ，a f v ) 、 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 s ，h e v ) 等。然而研发的新型节能与环 保车辆只能够在新一代车辆上减少燃油消耗和c o ：的排放，并不能从根本上解决现有 车辆的燃油浪费的问题【1 】o 汽车的制动能量是_ 种亟待开发的能量，特别是对于需要频繁起动和制动的市区 行驶的汽车。目前汽车使用的制动装置主要形式有机械式、气压式、液压式、气液混 合式等，它们的工作原理相同，都是利用制动装置把汽车行驶的动能通过机械摩擦方 式转化为热能而耗发掉，以达到汽车制动或减速的目的。 汽车制动能量回收，是指汽车减速或制动时，将其中一部分机械能( 动能) 转化 为其他形式的能量，并加以再利用的技术。制动能量再生方法的基本原理：先将汽车 制动或减速时的一部分机械能( 动能) 经再生系统转换( 或转移) 为其它形式的能量 ( 旋转动能、液压能、化学能等) ，并储存于储能器中，同时产生一定的负荷阻力使 汽车减速制动；当汽车再次起动或加速时，再生系统又将储存在储能器中的能量转换 为汽车行驶所需的动能( 驱动力) 【2 1 。 理论上汽车制动能量回收的方法有空气储能、液压储能、飞轮储能和电储能。空 气储能装置结构庞大，密封性能要求很高，实用化困难；液压储能装置能量密度低，但 功率密度大，其零部件密封性能要求高，控制结构复杂和存在工作噪声等；飞轮储能装 置功率密度较大，其体积小质量轻，但要求高转速和周围空间真空，技术上实现较复杂， 且只能短时间储能；电储能各方面性能均很好，且结构简单只是功率密度低，能量转 换环节多。通过制动能量的回收与利用可大大提高汽车能源综合利用率，同时可降低 江苏大学硕士学位论文 汽车废气排放。随着汽车驱动电机技术和储能技术的进一步发展，采用电机来回收与 利用制动能量越来越显现出其优势，特别是在纯电动或混合动力汽车中，主要采用电 储能的再生制动方式【3 。 1 1 2 研究的现实意义 与传统制动相比，再生制动具有以下几个优点： ( 1 ) 制动效能更佳 再生制动和传统制动总成组成了复合制动系统，配置有复合制动系统的车辆将两 种制动结构提供的制动力矩进行了很好的匹配，既保证了汽车原有的制动性能，又提 高了制动效率，优化了制动策略，进而改善了汽车制动总成对整车性能的影响。 ( 2 ) 有利于实现节能环保 据美国对电动汽车的实际运行测试结果表明，通过再生制动回收的能量，能使电 动汽车一次充电后行驶的里程增加8 2 5 。图1 1 给出了美国城市工况( e p a 7 5 u r b a n ) 、澳洲经济工况( a u s t r u r b a n ) 、欧洲经济i 况( e c e - 1 5 ) 、日本工况( j a p a n1 0 1 5 ) 和英国城市工况( n e wy o r kc i t y ) 五种典型工况下的整车驱动能量和制动能量关系图， 由此可以看出制动能所占比重很大，若对其进行有效回收并合理利用，将会极大的提 高汽车的燃油经济性，增加汽车续驶旱程，同时降低汽车尾气排放，减少污染，减轻 对自然环境的压力【3 1 。 一驱动铯k 噩) 劾锕动畿( 射a 1 ) ； 鳓孙t l i 妇“心h h砒一1 5 细札1 ( 1 1 6 4 i 1 1i r a c t tm ， 图1 1 五种典型工况下的整车驱动能量和制动能量 f i g 1 1v e h i c l et r a c t i o na n db r a k i n gp o w e re n e r g yo ff i v et y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s 2 0 0 o 0 0 0 0 o o o o o o 6 5 4 3 2 l 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 减少传统制动器的摩擦和损耗 采用电机进行再生制动可以分担一部分机械摩擦制动力，通过电机制动减少了对 制动器摩擦片的摩擦，降低了摩擦时产生的热量，有效的减少了制动器热衰退现象的 发生。这样不仅有利于延长制动器的使用寿命，而且大大降低了制动器的更换频率， 因此一方面减轻了工人的工作量，另一方面降低了汽车的维修成本和使用成本。 研究意义：在环境日益恶化、能源危机日趋严重的今天，提高车辆的燃油经济性 和降低排放已经时不我待。尤其是在人口众多、车辆拥挤的城市，由于运行中制动频 繁，制动过程中能量消耗显著，若采取再生制动则可以很大程度的提高汽车制动过程 中能量的利用率，进而改善现有条件下汽车的燃油经济性。再生制动过程中采取不同 的制动控制策略将会引起制动模式切换过程中稳定性的变化，因此对再生制动过程中 制动模式切换稳定性的分析是确保再生制动安全、高效工作的重要保障。研究再生制 动的理论和技术，不仅有重要的学术价值，同时对汽车环保与节能有重要的实际意义。 1 2 国内外汽车再生制动的研究现状 1 2 1 国外再生制动技术研究现状 面对石油资源日益枯竭和人们对能源需求不断增加的矛盾，节能优势明显的混合 动力汽车成为研究热点。目前，国际上各大汽车公司都积极开发自己的混合动力车型。 随着混合动力汽车的发展，再生制动能量回收技术的研究也逐渐走向成熟。 日本丰田p r i u s 轿车的e c b $ ! j 动系统能够实现四轮单独控制，车辆的常规制动、紧急 制动、制动能量回收以及防加速打滑控制等技术只需一套制动系统就可能实现，该款 混合动力汽车在搭载丰田h t s - ii 混合系统以后，能通过再生制动系统提高整车能量利 用率达2 0 以上，同时也确保了制动安全障1 。 本田汽车公司在其开发的i n s i g h t 混合动力汽车上，基于i s g 电机( i n t e g r a t e d s t a r t e rg e n e r a t o r ) 、液压系统并结合发动机节气门控制，提出了一种双制动力分配系 数控制再生制动系统，通过该系统，实现了混合动力汽车制动能量的高效回收【6 】。 美国福特公司推出的混合动力款e s c a p e 应用了线传电液系列再生制动系统，线传 控制技术以及电子机械制动器代替机械及液压制动系统，把来自驾驶员的命令转变为 电信号，以驱动电机实现所需的操作，显著提高了制动能量回收效率，改善了汽车制 3 江苏大学硕士学位论文 动方向的稳定性和舒适性门。 美国t e x a sa & m 大学的m i ng a o 等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。此后，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和纯电 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【& 9 1 。 韩 s u n g k y u n k w a nu 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【l o l 。 综上所述，国外对再生制动领域的研究己具有了一定的基础，也取得了比较快的 进展。许多大公司已经将再生制动技术应用于所开发的混合动力汽车上，以达到降低 整车燃油消耗，增加续驶里程的目的。 1 2 2 国内再生制动技术研究现状 清华大学罗禹贡等人对混合动力汽车在中小制动强度下制动能量回收系统进行了 研究，并以制动意图和制动能量回收率为设计目标，应用最优理论和p i 理论设计有 效的制动力分配模型。仿真结果表明，该控制方法能够显著提高汽车制动时的响应速 度，大约在0 5 s 以内就能实现制动意图，并且能够提高制动能量回收率1 0 左右【1 2 1 。 重庆大学的研究人员对复合制动中的电机和液压制动器制动力分配控制策略有所涉 及，其基于制动强度和制动稳定性，按照i 曲线进行制动力分配和制动模式的选择， 以实现制动能量的回收，并保证良好的制动效能【1 1 】。 仇斌，陈全世【1 3 l 等在分析影响电动汽车制动能量回收潜力各种主要因素的基础 上，以一辆电动轻型客车为例，结合北京市区轻型客车行驶工况调查数据，统计分析 了在不同车速下最大制动功率的分布特征，发现其与电动机的制动工作特性能够很好 地吻合。通过对典型路段上净制动能量和可回收制动能量的统计分析，表明在行驶工 况变化比较频繁的长安街上行驶，采用制动能量回收可增加的续驶里程为2 4 4 左右。 江苏大学【1 4 1 的研究人员把再生制动力矩折算为相应的液压制动踏板行程，使再生制动 力矩产生的制动感觉和液压制动感觉相一致，并根据纯再生制动模式、紧急制动模式 4 江苏大学硕士学位论文 和一般制动模式三种情况下的制动距离的计算，提出了合理的再生制动控制策略。 重庆大学的褚明以“在满足车辆制动性能要求、保证车辆制动稳定性的条件下， 最大限度地回收再生制动能量”的原则，对独立式制动控制系统的制动力分配原理进 行了分析，得出再生制动力及液压制动力的分配与控制规律：制动强度小于z 时，只 有前轮提供需求制动力，包括再生制动力和摩擦制动力，在提供足够的需求制动力的 同时也能保证制动稳定性；制动强度大于z 时，则由前、后轮同时提供制动力【1 5 】。 北京交通大学耿聪、刘溧和张欣等分析了典型循环工况下城市公交车制动能量随 制动减速度变化的分布规律，根据城市公交车车速变化大，制动频繁且制动强度较低 的特点，提出了适合于混合动力电动公交汽车( h e b ) 的再生制动控制策略低制 动强度时优先采用再生制动，高强度时按比例复合再生制动与摩擦制动。这种控制策 略既可保证低制动强度时制动能量的再生利用，又能保证制动效能和制动安全性的要 求。针对e q 6 1 1 0 h e v 混合动力电动汽车进行的再生制动性能仿真计算表明：不同循 环工况下，采用这种再生制动控制策略的h e b 均有较好的节能效果，可降低能耗 1 0 , - - - - 2 5 1 1 6 1 。 西安交通大学白志峰，曹秉刚等分析了当前几种电动汽车再生制动方式的不足， 为防止过大的充电电流对蓄电池造成损害，提出了以蓄电池充电电流为控制对象的再 生制动方案。另外，根据电动汽车电机反电动势、电池电压、道路状况，以及初始 车速有较大范围变化的特点，设计了电动汽车再生制动h 。鲁棒控制器，并利用 s i m u l i n k 建立了电动汽车再生制动系统模型以进行不同条件下的仿真研究，结果表明 h 。鲁棒控制器比传统的p i 控制器具有更好的稳定性、更强的鲁棒性和抗干扰能力【1 刀。 1 3 再生制动系统的关键技术 从国内外研究现状可看出，汽车制动能量回收系统研究主要集中在回收制动能量 方法、回收制动能量的效率、驱动电机与功率转换器的控制技术、再生制动控制策略、 机电复合制动的协调等方面。由于国内的再生制动技术水平还比较低，因此在以下几 个方面有待深入研究f 掘1 9 2 0 1 ： ( 1 ) 建立车辆再生制动模型：根据车辆再生制动的要求，建立合理的电池充电 模型，电机制动模型，以及基于再生制动模型和机械制动模型，建立多工况下的混合 动力汽车复合制动模型。 5 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 再生制动控制策略：根据不同的行驶工况、路面附着条件及驾驶意图，在 保证制动安全性与制动稳定性的前提下，选择合理的制动能量分配模型和适当的控制 策略，实现再生制动、机械制动和复合制动的协调控制。要在保证制动安全的条件下 实现能量充分回收，再生制动就要与常规制动系统、a b s 系统良好协调兼容，合理设 计电机制动转矩和制动器制动转矩的综合控制策略，实现电机回馈能量制动与a b s 制动的协调控制。 ( 3 ) 再生制动系统的实验：搭建准确可行的混合动力汽车再生制动系统的实验 台架，对再生制动系统进行参数匹配和性能优化，并通过实验模拟车辆实际制动工况， 提出科学合理的混合动力汽车再生制动综合性能的测试与评价方法。 1 4 论文研究的主要内容 再生制动理论的研究主要集中于能量回收最大化和制动过程安全性高，稳定性好 两个方面，本课题将在目前现有研究成果的基础上，首次将混杂系统理论引入再生制 动系统。通过讨论再生制动过程中的连续变量和离散变量，将再生制动过程作为一个 混杂系统来研究，将该过程中的离散事件再生制动模式的合理切换作为研究目 标，不同制动模式间的切换引起的制动稳定性变化作为研究对象，结合制动过程中初 始速度、制动力矩、电池s o c 等连续变量的变化，提出一种应用微分p e t r i 网理论来 解决再生制动过程中模式最佳切换的新方法。利用现有的成熟混杂系统理论，为再生 制动过程的研究提出新的理论方法，将此过程中不为人们重视的离散事件和连续变量 之间的相互影响展现出来，探究出一套新的研究再生制动系统的方法。 具体内容安排如下： ( 1 ) 研究混杂系统理论的应用 作为本课题的创新点，就是把混杂系统理论应用到再生制动过程。首先学习混杂 系统理论的基本知识，在明确了混杂系统理论的特性，应用范围及其优缺点之后，论 证再生制动过程也是一种混杂系统，从混杂系统的角度分析再生制动过程，为应用最 新的混杂系统理论成果研究再生制动系统打下基础。 ( 2 ) 建立汽车再生制动系统模式切换的微分p e t r i 网模型 探讨混杂系统建模方法之一微分p e t r i 网的基本理论以及建模特点，应用微 分p e t r i 网建立再生制动系统模式切换过程模型。利用m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 构建 6 江苏大学硕士学位论文 仿真模型，对再生制动过程中的离散事件进行刻画，以实现不同制动强度下的再生制 动模式判断、切换和执行。 ( 3 ) 寻找再生制动模式切换过程稳定性判断方法 利用切换系统的定义刻画再生制动过程动态切换行为，定义制动模式切换稳定性 并寻找制动模式切换稳定性的判别依据，利用该稳定性判据来实现对制动过程中电机 制动力和前、后轮液压制动器制动力的合理分配，保证车辆制动过程的稳定性。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章再生制动系统模型与控制策略 通过了解汽车制动过程的基本理论，以及传统汽车和混合动力汽车制动时前后轴 制动力的变化情况，分析再生制动过程基本动力学模型，并给出常见的再生制动控制 策略及制动模式切换规则。 2 1 再生制动系统模型 2 1 1 再生制动过程动力学分析 汽车制动时，制动器的制动片就产生一个摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向相反。 制动器将该力矩传到车轮后，由于车轮与路面间有附着作用，车轮对路面作用一个向 前的周缘力，同时路面也对车轮作用一个向后的反作用力，即路面制动力。 根据车辆动力学理论，驱动过程中，作用在车轮上的驱动力f 为2 1 】： e = f r - i - l4 - e - i - ， ( 2 - 1 ) 其中：e 一汽车驱动力( n ) ；e 一滚动阻力( n ) ；e 一空气阻力( n ) ；鬈一坡 度阻力( n ) ；f ：一加速阻力( n ) ； 当汽车在水平路面上制动时，计入滚动阻力偶矩和转动质量减速时产生的惯性力 偶矩，同时忽略汽车制动过程中的空气阻力，建立如下汽车制动过程运动方程： f j = m 面d u = f f4 -fb(2-2) 其中：弓一汽车惯性力( n ) ：聊一汽车整备质量( k ) ；瓦d u 一汽车制动减速度 ( m s 2 ) ；e 一汽车总制动力( n ) ； 车轮负载功率己删为： 只删= e v = ( 乃+ 瓦少 由车轮输入到传动系统的瞬时功率最删为： 最删= e ， 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 江苏大学硕士学位论文 制动开始时车辆动能为巨为： 巨= 三胁嵋 ( 2 s ) 制动结束时车辆动能为： 易= 主册呓 ( 2 - 6 ) 制动过程中总能量消耗为： 衄= 易一臣= 芎1m ( 谚一彳) ( 2 7 ) 设玩为制动能量消耗、e ，为车轮滚动阻力能量消耗，由能量守恒可得： 缸= 灿= i f v d t + i f b v d t = 玩+ e 厂 ( 2 8 ) 忽略滚动阻力随车速变化则有： e ，2 一j 础= t s ( 2 - 9 ) 其中：，一当前车速( m s ) ；u 制动初始车速( 吣) ；屹制动结束车速( 邮) ； s 一制动距离( m ) ； 用e 一出础表示电机分担的制动功率，一一表示传统制动器提供的功率，则有： 墨删= o 撕+ 最栅础 e 6 = 肛。黼出+ 幢枷舭疵 输入到发电机的瞬时功率为： ( 2 1 0 ) ( 2 i i ) e = k 1 忍一。k 庇= k 1 2 0 b k 眦q ( 2 1 2 ) 其中k 。为机械传动效率，出。础为发电机制动转矩( n m ) ，q 为电机转速( r p m ) 。 输入到储能系统中的瞬时功率为： 只= k 2 = k 1 k 2 最如毗 ( 2 1 3 ) 其中疋为发电效率。 回收能量的功率为： 乞妯= k 3 只= k l k 2 k 3 名出毗 ( 2 1 4 ) 9 江苏大学硕士学位论文 其中疋为储能器充电效率。 回收总能量为： e 椭= n 翩d t = k ，k ：k 3 仁一黼出= k 。k ：k 。( 丝一s 一亿一愀出) ( 2 - 1 5 ) 充电电流为： i r e c 如f l ，l = 吃c 缸妇u = k 1 k 2 k 3 e u = k 1 k 2 k 3 艮妇眦q u ( 2 1 6 ) 电池所能接受的最大能量为： = ：( 乓一u 风。o ) 叻 ( 2 1 7 ) 其中：e 一蓄电池电动势( v ) ；k o ) 一蓄电池所允许的最大充电电流( a ) ；u 一电池端电压( v ) 。 再生制动过程中，制动能量从车轮通过传动系统传递到集成电动发电机，转化 成电机的发电功率，产生的电能由能量储存装置储存。 在制动能量回收控制策略中，制动控制器根据驾驶员的制动要求和可用的再生制 动力矩大小来确定液压制动力矩，以求最大限度的回收能量。可用的再生制动力矩大 小是电机转速对力矩特性的函数。如果驾驶员的制动力矩要求大于可用的再生制动力 矩，则将全部的再生制动力矩施加到驱动轮之后，不足的部分再用液压制动力矩来补 充。这个过程中要确保制动的平衡性，避免驾驶员产生不良感觉，非驱动轮使用液压 制动力矩以保持制动平衡。此时的液压制动力矩与能量回收制动力矩的关系如下： 瓦= + ( 2 - 1 8 ) 其中：瓦一车辆需求制动力矩( n m ) ；一液压制动系统提供的制动力矩( n m ) ； 毛一电机提供的再生制动力矩( n m ) ； 如果驾驶员需要的制动力矩要求低于或是等于可用的制动能量回收制动力矩，那 么电机提供的再生制动力矩就可以满足驾驶员的需要，而不需要液压制动力矩的辅助 补充，非驱动车轮仍然采用液压制动力矩进行平衡。制动控制器还需对每个车轮的打 滑情况进行监控，一旦出现车轮打滑情况，就必须根据实际情况减小液压制动力矩和 能量回收制动力矩2 到。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 制动畿量回收约束条件 再生制动系统是汽车提高其能量综合利用率的一种辅助装置，制动安全性仍然是 第一要素，因此，能量回收效率不仅受到装置本身结构性能的约束，还要受到汽车行 驶工况、制动安全性约束【1 7 2 3 以2 5 1 。 ( 1 ) 满足制动的安全要求，符合驾驶时的制动习惯。制动过程中，安全要求是 第一位的。需要找到电机制动和机械制动的最佳结合点。在确保安全的前提下，尽可 能多的回收能量。同时充分考虑电动汽车的驾驶员和乘客的感受，具有能量回收系统 的电动汽车的制动过程应尽可能的与传统的制动过程近似，这将保证再生制动系统在 实际应用中可以为大众所接受。 ( 2 ) 确保电池组在充电过程中的安全，防止过充。电动汽车中常用的电池为铅 酸电池、镍氢电池、锂离子电池。蓄电池的荷电状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 是决定 再生制动能量回收的最重要的因素，过大的充电电流和过长的充电时间都会造成对蓄 电池的损坏。根据蓄电池的放电深度不同确定出来的最大可充电电流和最大可充电时 间决定了蓄电池回收能量的能力。因此应深入考察不同蓄电池的充放电特性，避免充 电电流过大或充电时间过长。 ( 3 ) 考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力。电动汽车中常用的是永磁直流 电机和感应异步电机，应针对不同的电机的发电效率特性采取相应的控制手段。 由以上分析，再生制动能量回收的限制条件包括： ( 1 ) e c e 制动法规。制动过程中，由于再生制动力的参与使得电动汽车的制动 力分配系数发生变化。为了保障电动汽车的制动性能和制动稳定性，电动汽车的制动 力分配与传统汽车一样要满足e c e 法规的规定。也就是说电动汽车的制动力分配系 数的变化应在一个合理的范围内。 ( 2 ) 电池充电功率限制。根据电池的荷电状态s o c 的不同，电池可接收的最大 充电电流也不相同。电池s o c 小于临界值时，根据恒流充电特性对充电功率进行限 制，可以以最大充电电流对电池进行充电；电池s o c 大于临界值时，根据恒压充电 特性对充电功率进行限制，随着s o c 值的增大，最大充电电流逐渐变小。 ( 3 ) 电机峰值转矩限制。当前车速和变速器挡位下允许输出的最大电机再生制动 力矩。制动过程中，当车速较高，电机转速大于基速，电机处于恒功率区，其最大制 动力随转速降低而增加，但最大制动功率基本保持恒定。电动机转速随着车速逐渐降 江苏大学硕士学位论文 低而降低，当电动机转速小于基速，进入恒转矩区，电动机最大制动力不随转速变化。 2 2 再生制动能量回收系统的分类 目前有关再生制动与液压制动系统共同作为车辆制动系统的研究中，根据制动力 分配模式的不同可将制动能量回收系统分为并联式制动能量回收系统和串联式制动 能量回收系统。并联式制动能量回收系统中液压制动系统和再生制动系统相互独立， 而串联式制动能量回收系统的前、后制动器制动力则可根据电机制动力的大小进行适 当的调节【2 7 1 。 并联式制动能量回收系统中，在较小的制动强度范围内，电机的最大制动力满足需 求制动力的前提下，仅采取电机制动；当需求制动力大于电机提供的制动力时，前、后 制动器制动力根据制动踏板开度按照一定的比例进行分配，并且将电机制动力附加在传 统制动力上。其制动力分配关系简单，控制简单，但在复合制动过程中，由于电机制动 力矩附加于传统制动力矩，因此制动力矩变化较大，与无能量再生制动的车辆相比，驾 驶员制动感觉波动大，制动能量回收率也相对降低。制动力的具体分配情况见图2 1 。 串联式制动力分配模式，驱动轮( 前轴) 的制动力由电机制动力和制动器制动力 矩共同组成，电机制动力占主要地位，剩余部分由前、后制动器来提供，与无能量再 生制动系统的车辆相比，驾驶员有相同的制动感觉，且能量回收率可实现最大化，但 是前后制动器制动力要可调，结构更复杂，而且与a b s 系统产生干涉，控制策略更 复杂。制动力具体分配情况见图2 2 。 制动踏板力 图2 1 并联式制动力分配模式 f i g 2 1p a r a l l e lm o d eo fb r a k i n gf o r c e s d i s t i l b u t i o n 1 2 收 需 纂 制动踏板力 图2 2 串联式制动力分配模式 f i g 2 2s e r i e sm o d eo fb r a k i n gf o r c e s d i s t r i b u t i o n 江苏大学硕士学位论文 2 3 典型的再生制动控制策略 2 3 1 并联式再生制动控制策略 并联式制动能量回收系统一般是在传统汽车制动系统基础上加入一个制动电机 ( 即混合动力汽车的驱动电机) ，电机提供的制动力作用于驱动轮，并与原有的机械 制动系统组成并联结构，即根据制动强度的大小来判断是采取再生制动还是传统的机 械制动。如图2 3 所示为并联式再生制动控制策略，在制动减速度要求小于0 1 9 时， 机械制动系统不工作，仅制动电机工作，制动效果与发动机制动类似：在制动减速度 大于0 1 9 且小于o 7 9 时，如b 点的前轮制动力为一懒+ k 出眦，而后轮制动力 为一，其中由液压制动产生的前、后制动器制动力分配仍遵循线( 纯液压制 动系统中前后制动力分配系数) ，前、后制动力的大小与传统车一样正比于制动踏板 开度的大小，而电机提供的制动力按比例叠加在液压制动力上时，实际的制动力分配 曲线将下移，即为曲线a b c ；当制动减速度要求大于o 7 9 时，要由机械制动系统单 独完成制动。 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 嫩x 弋弋 5 0 0 o a2 0 0 0 4 0 0 06 0 0 08 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 k 一懒妇 f b 妇k 亩f 妯韵l 矗卉r m 图2 3 并联式再生制动控制策略 f i g 2 3c o n t r o ls t r a t e g i e so fp a r a l l e lr e g e n e r a t i v eb r a k i n g 依据上述控制策略，在混合动力汽车实际制动过程中，主控制器根据驾驶员对制 动转矩的需求，以及当前车辆的运行状态等条件划分了车辆的3 种制动模式，分别为 再生制动模式，复合制动模式和机械制动模式。因此车辆制动将在3 个制动模式之间 进行相互切换，即制动模式切换。在m a t l a b s i r n u l i n k s t a t e f l o w 中建立制动模式切换 江苏大学硕士学位论文 模块，根据并联式再生制动控制策略确定具体的制动模式切换，如图2 4 。 根据制动强度的大小，来选择合理的制动模式，制动模式同切换亦通过制动强度 的变化来进行实时判断，保证了制动过程中制动安全性及再生制动的有效实施。 232 串联式再生制动控制策略 对串联式制动力分配模式能量再生制动系统控制策略主要是在理想制动力分配 曲线的基础上进行设计，以最大程度回收制动能量为目标，在保证要求的制动减速度 和前后轮均不抱死的前提下尽可能使用电机制动的再生制动理论断z s l 。控制策略描述 如图2 5 所示。 团2 4 基于并联式拄制策略的制动模式切换用 f 培2 4 b r a k c 肿d 髂s w i t c h o f p a r a l l dr e g e n e r a l l v e b n a i n g c o n t r o ls t r a 魄i c s 江苏大学硕士学位论文 图2 5 串联式制动能量回收控制 f i g 2 5s c h e m eo fs e r i e sb r a k i n ge n e r g yr e c l a i m i n gc o n t r o l 当地面附着系数足够大，即制动强度z 要求小于地面附着系数z ( 即z 时，如当= 0 4 ，z = 0 6 时，车辆制动减速度被限制在o 4 9 内， 为了尽量满足减速度要求，缩短制动距离，制动力将被控制到理想制动力分配曲线与 制动强度z = 0 4 的交点上，如图中h 点，前轴再生制动力与液压制动力分配取决于 再生制动力的最大值与需要的前轴制动力之间的关系。当电机制动力足够大时由电机 1 5 湖 咖姗 咖。姗 咖。湖咖 湖 4 4 3 3 2 2 l 1 一弓r蒋罨簿詈 江苏大学硕士学位论文 单独提供制动力，如果电机制动系统不能满足制动力需求时，不足部分由液压制动系 统补足。 这种再生制动策略具有较高的能量回收率，但是控制系统复杂，要同时对电机制 动力和摩擦制动力进行精确控制。该控制策略中制动模式的切换主要根据制动力的分 配来判断，以保证制动过程中，最大程度的实现能量回收和整车制动安全。具体切换 原则如下： ( 1 ) 首先保证前后轮不抱死，在此前提下，尽可能采用前轮制动； ( 2 ) 采用前轮制动时，尽可能利用电机最大制动力； ( 3 ) 当电机制动力无法满足整车制动要求时，剩余的制动力由前后轮机械摩擦 制动来提供； ( 4 ) 在遇到紧急情况时，为了确保制动安全，则启动a b s 来实现车辆的制动。 2 4 本章小结 本章从理论上分析了汽车制动时能量回收的过程，建立了制动过程中的动力学方 程；并通过分析总结出影响汽车再生制动的主要因素有使用环境、驱动形式、电机、 电池及控制策略等，进而给出再生制动的三个具体限制条件：e c e 法规限制，电池充 电功率限制，电机峰值转矩限制。接着介绍了几种典型的再生制动控制策略：并联式 再生制动控制策略和串联式再生制动控制策略，为下文利用混杂系统理论研究再生制 动系统提供理论基础。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章再生制动系统的混杂动态系统模型 在传统制动结构的基础上增加再生制动系统，构成了复合制动系统，该系统可以 实现三种制动模式：机械制动、复合制动( 机械制动+ 再生制动) 和再生制动。将驾驶员 施加的制动踏板信号通过传感器传递到控制单元，并采集此时电池的s o c 值，基于 一定的控制策略执行相应的制动模式。这个过程中，可以将每一种制动模式看作是汽 车的一种状态( s t a t e ) ，这些状态之间的切换可以看成是由一系列离散事件( d i s c r e t e e v e n t ) 造成的，比如电池s o c 超过上限值可以看作是一个离散事件，这个离散事件造 成的结果可能使汽车的制动模式从复合制动切换为机械制动。同时，在每一个特定的 制动模式下，可以把此时的汽车动态子系统看作是一个相对独立的连续变量动态系 统。由此可得，再生制动系统属于一个典型的混杂动态系统，接下来我们将利用混杂 动态系统理论对其加以研究和分析。 3 1 混杂系统理论介绍 3 1 1 混杂系统基本理论 自1 9 8 6 年在美国高级控制会议上首次提出混杂系统以来，突破了以往仅仅局限 于利用微分方程和差分方程来描述系统动态变化的研究范围。混杂系统的定义虽然 众说纷纭，没有一致的标准，但对混杂系统的认识和理解却都是相通的。随着科学 技术的迅猛发展，人们着眼的系统规模越来越大，内容越来越丰富，现象也越来越 复杂。用微分方程和差分方程来描述系统中的变量是在实数空间中取值，随时间演 化，此类系统称为连续变量动态系统( c v d s ) 。而许多系统受制于一些逻辑条件， 系统的演化靠事件来驱动，不便再用微分方程和差分方程来描述，因此人们开始研 究离散事件动态系统( d e d s ) ，并且随着研究的进一步深入，将连续变量动态系统 和离散变量动态系统结合起来就形成了目前的研究热点问题混杂系统( h d s ， 混合动态系统) 【2 8 3 0 - 3 1 1 。 混杂系统理论在很大程度上是由于控制理论的发展而推动的，例如继电器控制、 优化控制理论中的b a n r b a n g 控制。自