混合动力汽车复合制动系统的研究论文

混合动力汽车机电复合制动系统的研究摘要环境污染和能源短缺是汽车工业发展面临的最重要的压力，因此电动汽车和混合动力汽车是当今各大汽车厂商争相研发的重点，但是由于纯电动汽车存在续航里程和电池容量的问题，因此混合动力汽车在目前市场上占有主导地位，随之产生的问题就是混合动力汽车的机电复合制动问题，不同于传统的纯机械制动，机电复合制动系统具有其自身的结构特点，本文分析了国、内外机电复合制动系统研究的现状和机电复合制动的控制结构原理，并对机电复合制动的能量回收原理进行了阐述,同时展望了以后机电复合制动的研究方向。Abstract:Environmentpollutionandenergyemergencyisoneofthemostimportantproblemtoautoindustry.Somanyauto-companyalldotheirbesttodevelopelectricandHybridelectricvehicle.While,thepureelectricautomobileexiststwoshortcomings:theflightmileageandthecellcapacity.Takeallthesefactsintoconsideration,Hybridelectricvehiclestilldomainsthemarket.WhentalkingabouttheHybridelectricvehicle,wehavetotalkaboutelectro-mechanicalcompositebrakingsystem,differfromthetraditionalbrakingsystem;theelectro-mechanicalcompositebrakingsystemhasitscharacter.Inthispaper,thestructureanddevelopmentoftheelectro-mechanicalcompositebrakingsysteminhomeandabroadisstudiedandwegiveadetailonbrakingenergyrecoverycontrolstrategy.Meanwhile,thedevelopmentwayofelectro-mechanicalcompositebrakingsystemisdescribedinthefuture.关键词：混合动力汽车、机电复合制动、能量回收Keywords:Hybridelectricvehicle、electro-mechanicalcompositebrakingsystem、energyrecovery.一绪论1.1机电复合制动系统的研究意义及目的车辆制动系统是保证车辆行驶安全性的重要组成部分，与车辆的运动学动力学目标密切相关，它直接影响车辆的行驶安全性。车辆制动系统按制动能源可分为机械式、液压式、气压式和电磁式等，同时采用两种或两种以上的制动系统称为复合制动系统[[]]。这样可以将几个不同的制动器或制动系统联合使用，在保证车辆制动稳定性的基础上，协调分配各制动力，让其充分发挥各自的优点，以达到减少制动器发热延长制动器寿命，并且能回收部分制动能量的目的。在高速制动时，涡流制动系统利用电磁力提供额外的制动扭矩，以获得更高的制动减速度。在这种复合制动系统结构中，还未利用涡流制动系统进行制动能量的回收。近年来随着电动车辆的发展，车辆又增加了一种制动方式即电气制动。电气制动指车辆制动期间驱动电机可运行在制动状态，产生制动力矩使车辆制动。因此复合制动系统的应用也越来越广泛。复合制动系统具有多种形式，最常见的有液力机械复合制动和电气机械复合制动。在传统的履带车辆中，行车和驻车制动系所用的制动器几乎都是机械制动器，动力切断的方式都是分离离合器。由于履带车辆惯性大，在高速、长时间、大制动力制动时，机械制动系统中的制动带和制动鼓易损坏，影响使用寿命。对于要研究的机电复合传动履带车辆，能量的传递由电气系统完成，因此电传动的制动方式有优于传统车辆之处：可以直接制动电机，在切断能量传递的同时还能提供部分制动力，即电气制动力，从而和机械制动一起形成复合制动。电机制动除了能减少机械制动器的发热，延长机械制动系统的寿命外，还有一个优势就是在电池荷电状态允许的情况下能回收部分制动能量。汽车制动过程中：车辆的行驶阻力包括制动器产生制动力、空气阻力以及滚动阻力。在城市工况中，车速相对较低，空气阻力与车轮滚动阻力对车辆制动的整体作用效果较小，车辆主要依靠制动器产生的制动力实现制动。图显示了三种制动影响因素的分配关系，从图中观察得到：制动过程中制动器消耗的能量约占整体的，轮胎和空气因素消耗仅占主体的。可以得出结论城市工况中，交通拥挤、车速不高、起动与停止操作频繁，这些特点导致了车辆产生的牵引能量主要以摩擦产生的热能形式消耗，汽车能量利用效率偏低。复合制动系统，最早用于轨道机车方面，这是因为机车的行驶动能很大，制动时机械制动器会产生大量的热量，明显降低制动效率．因此引入了动力制动等其他制动方式，以获得较高的制动减速度。车辆上的复合制动系统的应用，也是始于重型商务车上，称为复合电液制动系统（HEBS），包括一个传统液压系统（CBS）和一个布置在原制动器附近的涡流制动系统（ECB）。在高速制动时，涡流制动系统利用电磁力提供额外的制动扭矩，以获得更高的制动减速度。在这种复合制动系统结构中，还未利用涡流制动系统进行制动能量的回收。近年来随着电动车辆的发展，车辆又增加了一种制动方式即电气制动。电气制动指车辆制动期间驱动电机可运行在制动状态，产生制动力矩使车辆制动。因此复合制动系统的应用也越来越广泛。复合制动系统具有多种形式，最常见的有液力机械复合制动和电气机械复合制动。在传统的履带车辆中，行车和驻车制动系所用的制动器几乎都是机械制动器，动力切断的方式都是分离离合器。由于履带车辆惯性大，在高速、长时间、大制动力制动时，机械制动系统中的制动带和制动鼓易损坏，影响使用寿命。而对于本文要研究的某机电复合传动履带车辆，能量的传递由电气系统完成,因此电传动的制动方式有优于传统车辆之处：可以直接制动电机，在切断能量传递的同时还能提供部分制动力，即电气制动力，从而和机械制动一起形成复合制动。电机制动除了能减少机械制动器的发热，延长机械制动系统的寿命外，还有一个优势就是在电池荷电状态允许的情况下能回收部分制动能量。汽车制动过程中：车辆的行驶阻力包括制动器产生制动力，空气阻力以及滚动阻力。在城市工况中，车速相对较低，空气阻力与车轮滚动阻力对车辆制动的整体作用效果较小，车辆主要依靠制动器产生的制动力实现制动。图1-1显示了三种制动影响因素的分配关系，从图1-1中观察得到：制动过程中制动器消耗的能量约占整体的，[]图1-1三种制动因素损耗的能量分配制动能量回收是混合动力汽车突出的特点之一，电动汽车上的电机具有两种工作状态，可以实现电能与机械能相互转换的功能。驱动电机除了可以为提供车辆行驶的驱动力以外，还可以在车辆制动过程中，提供负转矩辅助车辆制动。从能量转换角度来讲，在制动过程中，电机提供制动转矩[[]][]1.2机电复合制动系统的研究现状目前，国内外学者对汽车机电复合制动系统进行了广泛研究，已经取得了一定的研究基础与进展，研究成果成功应用于电动汽车上，获得了较理想的制动性能及能量回收效果。协调控制策略是复合制动技术研究的核心部分，制动性能的优劣、能量回收率的高低在很大程度上依赖于协调控制策略的品质。复合制动系统协调控制策略的研究主要集中在稳态协调控制策略(即制动力分配策略)与动态协调控制策略。稳态协调控制策略主要解决总制动力在汽车前后轴上的分配问题与驱动轴上机械摩擦制动、电机再生制动之间的制动力分配问题，相关研究成果已较为成熟。比较典型的是YiminGao等提出的3种制动力分配策略，即并联再生制动力分配策略、最大能量回收制动力分配策略和最优制动性能制动力分配策略。1.2.1国内研究现状国内清华大学、重庆大学、上海交通大学、北京交通大学、华南理工大学等都开展了关于混合动力汽车制动力分配控制和再生制动控制策略的研究。通过系统建模与城市循环工况仿真，验证了控制策略性能，计算了制动能量回收率。并建立了一套控制算法和数学模型，详细分析了轻度混合动力汽车在典型城市驱动循环工况下的工作特点，在传统汽车制动理论的基础上，基于制动安全性和高效制动能量回收，提出了一种简单有效的混合动力汽车制动力分配控制策略，进行了整车再生制动系统建模和城市驱动循环下的仿真研究。北京理工大学、装甲兵工程学院对军用车辆电传动和混合驱动系统电气机械联合制动进行了建模与仿真，完成了联合制动中的制动力分配和策略优化。十一五期间，北京理工大学在某型装甲车辆上进行了混合驱动系统联合制动道路试验测试，试验结果表明加入电制动勃发展的阶段，国内主要汽车生产厂家一汽集团，东风汽车集团，奇瑞等都相继推出了各自的混合动力车型[[]]同时国内在电动汽车在复合制动技术方面的研究水平还需要进一步提升，主要研究方向为解决制动过程中制动能量回馈效率较低、整车制动稳定性不高的问题。同济大学余卓平、张元才等针对轮边电机驱动电动轮车的复合制动系统进行了一系列研究[[]]。张元才、余卓平等提出了基于制动意图辨识的复合制动力分配方法,证明了基于有效辨识制动意图的复合制动力分配方法能够合理分配制动力。同济大学宁国宝等针对后轮由双轮毅电机进行驱动的电动轮车提出了复合制动系统制动力协调分配策略,并研究了驱动电机性能参数对复合制动系统的作用江苏大学陈庆樟、何仁等针对前轮开关磁阻电机驱动车辆,基于对其制动意图与制动电机的特性分析的条件下,提出了能量回收制动控制策略,并通过对系统建模与进行硬件在环试验,证明了使用该控制策略能提高电机效率并减少能量损失。此外,陈庆樟、何仁等结合防抱死控制与再生制动,利用电机再生制动扭矩进行ABS控制,提出了包含电机防抱死与能量反馈的集成制动控制方法,取得了一定的成果[[]]。清华大学罗禹贡与李蓬等运用最优控制理论针对混合动力车建立了制动力分配的模型,该模型能在秒内辨识司机的制动意图,并能有效提升能量反馈能。。上海交通大学彭栋建立了HEV制动控制系统的仿真模型,分析了该电动车的制动综合控制策略,并以此为基础设计了制动控制系统的模糊控制策略。通过试验验证了电机再生制动同液压防抱死制动控制能够协调工作,并能保证制动稳定性。上海交通大学王保华等通过搭建并联HEV的仿真模型,研究了该HEV的机电复合制动与电机单独制动[]。武汉理工大学过学迅、郑伟等研究了并联式的HEV复合制动系统与防抱死系统的协同工作的控制策略。在PAST与Simulink仿真环境下搭建基于模糊防抱死控制系统的车辆模型,仿真分析了减速与制动频率高的城市循环工况。吉林大学王鹏宇与王庆年等通过使用AMESim与Simulink建立的客车的HEV联合仿真平台,验证了基于并行再生制动条件下,运用液压防抱死系统调整机械制动力的复合制动控制能够达到提升能量回馈能力与制动稳定性的目的。吉林大学吕奉阳研究了纯电动客车气压与再生协同制动的复合制动系统,提出了改进并联与单轴串联两类复合制动控制方法[[][][][][][]1.2.2国外研究现状电力机车最早采用机电混合制动技术，机车在减速或制动过程中进行制动能量回馈。汽车于上世纪年代首次采用机电复合制动技术，汽车研究人员发现电动机车上采用复合制动技术后，达到了非常明显的节能效果，因而尝试着在使用直流电机的电动汽车上添加复合制动系统，研究效果获得了成功。美国TEXASA&M大学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ABS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。日本公共交通研究机构开展了装备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。1982年美国古德伊尔宇航公司开展了机电联合制动技术的预研，提出了加大电机制动力的分配比例将有利于提高整车的能量回收率的观点，并于1988年成功完成了系统装车检查和运行试验。由于当时电动汽车的动力电池技术一直无法突破，受其限制，复合制动技术一直发展缓慢，没有突破性进展。直至上世纪80年代，车辆研究人员将混合动力汽车作为新一代汽车的主要发展方向，电动汽车技术提到了质的提高，随之而来的复合制动技术又重新回到了人们的视野。其中丰田公司在1997年推出了第一款Prius混合动力汽车，在两年后，本田公司又推出了一款Insight混合动力轿车。在这两款实现产业化的，成熟的混合动力轿车中，丰田公司选择应用了复合制动系统[[]]。丰田的Prius混合动力汽车在搭载丰田THS－Ⅱ混合系统后，能通过再生制动提整车能量利用率达20％以上，这是一个相当可观的数字。本田汽车公司在其开发的Insight混合动力汽车上，基于ISG电机、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，实现了混合动力汽车制动能量的高效回收。在军用车辆中，美国的M113电传动系统研究的中期报告显示，该原理样车也使用了电气、机械两种制动系统。异步电机轴端使用了干式风冷制动片和制动卡钳，在侧传动位置上使用了湿式多片制动器。电驱动系统提供再生制动，机械制动系统提供紧急制动、驻车、驻坡制动和在时速低于5英里/小时（约8km/h）时补充电气制动不足的制动力。文献是针对直流电动机驱动的电传动系统的电气机械联合制动的制动力分配的仿真，采用调制的能耗制动方案，优化了系统。新型制动器的驱动技术也是车辆制动领域的研究热点。由于对制动性能要求的不断提高，传统的液压或者气压制动系统在加入大量电子控制系统后，结构和管路布置越来越复杂，加大了液压（气压）回路泄漏的隐患，同时装配和维修的难度也随之提高；因此，结构相对简单、功能集成可靠的电控机械制动EMB系统越来越受到重视，成为未来车辆制动系统的发展方向。EMB显著特点在于它不再需要制动液以及液压部件，制动力矩完全是通过由电动机驱动的执行机构产生因此相应地取消了液压缸、液压管路等等，可以大大简化制动系统的结构，减轻了系统的质量，便于布置、装配和维修；更为显著的优点是不使用制动液，降低了对环境的污染；便于融入到车辆综合控制的网络中（CAN总线），对车辆底盘进行综合主动控制。博世公司在此方面取得了一些专利。20世纪以来，国际各主要汽车公司都积极地投身于混合动力汽车的研发，混合动力汽车产业的得到了巨大的发展，复合制动技术进而逐步发展成熟。这其中，2004年丰田公司产业化的Prius混合动力轿车首次采用(ECB)电子制动控制单元，该控制单元的主要负责控制车辆制动过程中电机制动转矩和摩擦制动转矩的大小分配，车载采用容量大的动力电池，来实现制动能量回收[[]]。同时的使用提高了制动过程的制动稳定性，并有效地进行了制动能量回收。美国福特公司于同一年发布了混合动力汽车Escape，该车型选用了线传操控技术的电液制动的复合制动控制系统，线传操控技术可以把来自驾[[[][][](1）制动能量回收研究的必要性：一般选取典型城市工况为目标研究工况，比较传统燃油车与混合动力车辆的耗油成本，定性与定量的分析HEV安装复合制动控制系统后，对车辆整体动力性与燃油经济性等方面的影响。可以得出结论：选择在城市典型工况下行驶的混合动力车辆，其燃油经济性有明显改善，同时进一步的研究成果表明，在城市典型工况下一般制动需求都可以通过电机制动转矩来满足，进而提高了传统机械制动部件的使用寿命。(2）制动能量回收效率：制动能量回收充分性的关键在于是否能保证在制动过程的短时间内充电系统拥有较高的充电效率。这方面的研究以不同能量贮存器的研究为主体，不同的能量贮存器由于本身属性的差别，各自充电能力有很大区别。研究表明贮存系统选择以动力电池为主，超级电容为辅的贮存方式，进而接收复合制动能量，可以达到最好的能量回收效果。(3）驱动电机控制技术：通常电动车辆选择采用永磁同步交流电机作为驱动电机，这类电机与逆变器方案实现电机的四象限运行，同时当车辆进行电机制动时，逆变器的回路结构及控制电路无需进行硬件改动。(4）复合制动控制策略：现阶段对复合制动控制策略的研究处于多元化的阶段，但整体各个控制策略的控制方式大体如图1-2所示：以传统机械制动与电机制动复合的制动系统为例，当处于一般制动状态时，车辆制动强度较小，可以选择仅靠电机制动方式满足制动需求；当紧急制动状态下，制动强度较大时，采用电机制动与液压制动复合的方式。这种控制模式，传统制动系统的结构传统车基本相同，需要考虑如何添加电机制动转矩，和如何对传统制动方式和电机制动进行有效协调控制。(5)机械制动与电机制动协调控制选用了电子控制单元，一方面可以有效地提高了车辆复合制动的制动稳定性，同时可以提高制动能量回收效率。大部分研究人员的研究方法主要表现为四个阶段：调研、建模、仿真、实车实验。而电动汽车复合制动的研究步骤可大体分为三个层次：仿真验证、实验台开发验证与实车验证。其中实车验证可以最真实的验证控制策略的仿真效果，但一般情况下其代价偏贵，较少采用，或者作为最后验证方式进行。对比而言，仿真验证与实验台开发验证经济型更好。通过相关专业建模软件建立整车及控制策略的数学模型，使用仿真方法来研究电动汽车的性能与控制策略的控制效果，为进一步的实车验证提供理论上的数据分析与验证方向，其优点是可以提高开发速度，减少开发成本。图1-2制动器电驱动机构EMB1.3机电复合制动系统主要研究内容机电复合制动系统研究的主要内容包括动态协调控制策略，制动意图识别、机械摩擦制动机理、电机再生制动机理、机电复合制动力分配策略等。1.3.1动态协调控制策略电机再生制动与机械摩擦制动动态协调控制策略主要是指ABS未工作状态下，根据车速、制动工况、电池荷电状态(SOC)、电机制动特性、摩擦制动特性等动态协调控制电机再生制动力矩与机械摩擦制动力矩，使机电复合制动系统在满足制动性能的前提下，尽量提高再生能量回收率、制动平顺性及制动感觉一致性。1.3.2制动意识识别制动意图识别是复合制动系统协调控制策略的基础，不同的制动意图要求不同的制动强度、前后轴制动力分配及驱动轴机电制动力分配，直接决定着协调控制效果及制动性能的优劣。对再生制动操作可以通过油门踏板或制动踏板控制两种方式。前者将驾驶员对再生制动强度的要求体现在油门踏板操纵上，油门踏板行程分为再生制动区域与驱动区域2部分，可通过油门踏板行程信号、车速信号识别再生制动强度要求。例如姚杰等[[]]基于模糊逻辑推理，以加速踏板位移与电机转速为输入信号，确定了再生制动转矩需求。后者对制动强度的要求体现在制动踏板操纵上，可以根据制动踏板力、位移、角速度、角加速度、主缸油压、轮缸油压、车速等信号识别制动意图。例如，王英范等[[][][]1.3.3机械摩擦制动机理由于不同的机械摩擦制动系统结构、摩擦副磨损程度、相对转速、制动盘温度、制动压力等产生的摩擦制动力矩及其动态响应特性不同，因此机械摩擦制动机理对机电复合制动系统协调控制性能具有重要作用。武同波等[[]]分析了电机再生系统与液压制动系统动态响应特性，比较了两者动态响应特性的不同，提出了基于模糊PID控制的电机主动补偿控制与基于模型匹配的液压力补偿控制策略。李永等[[]]分析了制动系统典型部件结构特性，建立了制动器制动压力模型、制动管路液压模型，确定了制动油压频率的算法，对制动系统动态特性进行了试验分析。李玉芳等[][][]1.3.4电机再生制动机理电机再生制动能力受到制动意图、车辆行驶速度、变速器档位、电机外特性、电池SOC、最大充电电流、电池工作温度及电机发电效率、电池充电效率等因素的影响。车辆制动过程中应充分考虑上述参数，选择最优的电机再生制动状态。HoonYeo等[[]]提出再生制动力矩由电机容量、电池SOC和车辆速度决定，通过对无极变速器(CVT)的控制，使电机工作在高效率区。杨阳等[[]]根据镍氢电池组与ISG电机性能试验结果，建立了电机/电池联合优化模型，获取了电机/电池联合最佳效率曲线，实现了CVT、ISG电机及镍氢电池组的最佳匹配和系统效率优化。任祥龙等[[[][][]1.3.5制动力分配策略制动力分配策略根据制动意图及车辆状态，结合摩擦制动机理与电机制动机理确定机电复合制动工作模式，分配前后轴及驱动轴机电目标制动力，在保证制动效能、稳定性的前提下，尽量多地回收制动能量。除了YiminGao等提出的3种制动力分配策略外，本田INSIGHT混合动力汽车采用双制动力分配系数再生制动控制系统，综合控制ISG电机、液压制动系统及气门开度，实现制动能量的高效回收。何仁等以工作模式切换点的坐标及制动力分配曲线的斜率为优化对象进行优化，设计了一种以制动强度、电池SOC及电机转速为输入的制动力分配模糊控制策略。刘清河等[[]]。建立了一种以车辆行驶状态估计结果为参数，以后轮抱死线为约束参数的制动力分配策略。李玉芳等[[][][]二机电复合制动系统的结构分析2.1传统制动系统的结构及原理制动系统是关系到人车安全的关键部件，汽车的制动系统按照可靠、省力等要求设置了多种装置。2.1.1无ABS制动系统的结构及原理最常见无ABS制动系统有双回路制动系统、真空制动增压器等。双回路制动系统就是指系统内有两个分别独立的液压制动管路系统，起保险的作用。一般前轮驱动轿车多采用交叉对角线形式，制动主缸的前腔与右前轮、左后轮的制动管路相通，后腔与左前轮、右后轮的制动管路相通，形成一个交叉的形对角线，这样的好处是当有一个制动系统发生故障时，另一个系统依然能进行最低限度的制动，且不会发生跑偏现象。而后轮驱动轿车因负荷较大，多采用前后轮分别独立制动形式，即有两套制动总泵，一套控制前轮制动，另一套控制后轮制动。真空制动增压器顾名思义就是利用真空来增压。这种装置是一种助力装置，一般安装在驾驶室仪表板前的发动机舱隔壁上，串接在制动踏板与制动主缸之间，起增加踏板力的作用，从而使驾车者省力。真空制动增压器的工作原理是利用发动机工作时产生的负压与大气压之间的压力差来迫使增压器内橡胶膜片移动，推动制动主缸的活塞，以此来减轻人踩制动踏板的力。现代汽车的制动器的鼓式和盘式两大类型，中高级轿车，一般都采用了盘式制动器。盘式制动器又称为碟式制动器。它由液压控制，主要零部件有制动盘、分泵、制动钳、油管等。制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。分泵固定在制动器的底板上固定不动。制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧。分泵的活塞受油管输送来的液压作用，推动摩擦片压向制动盘发生摩擦制动，动作起来就好象用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。这种制动器散热快，重量轻，构造简单，调整方便。特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，在冬季和恶劣路况下行车，盘式制动比鼓式制动更容易在较短的时间内令车停下。有些盘式制动器的制动盘上还开了许多小孔，加速通风散热提高制动效率。反观鼓式制动器，由于散热性能差，在制动过程中会聚集大量的热量。制动蹄片和轮鼓在高温影响下较易发生极为复杂的变形，容易产生制动衰退和振抖现象，引起制动效率下降。当然，盘式制动器也有自己的缺陷。例如对制动器和制动管路的制造要求较高，摩擦片的耗损量较大，成本贵，而且由于摩擦片的面积小，相对摩擦的工作面也较小，需要的制动液压高，必须要有助力装置的车辆才能使用。而鼓式制动器成本相对低廉，比较经济。鼓式制动器是最早形式的汽车制动器，但由于结构问题使它在制动过程中散热性能差和排水性能差，容易导致制动效率下降，在轿车领域上已经逐步退出让位给盘式制动器。但由于成本比较低，仍然在一些经济类轿车中使用，主要用于制动负荷比较小的后轮和驻车制动。典型的鼓式制动器主要由底板、制动鼓、制动蹄、轮缸（制动分泵）、回位弹簧、定位销等零部件组成。底板安装在车轴的固定位置上，它是固定不动的，上面装有制动蹄、轮缸、回位弹簧、定位销，承受制动时的旋转扭力。每一个鼓有一对制动蹄，制动蹄上有摩擦衬片。制动鼓则是安装在轮毂上，是随车轮一起旋转的部件，它是由一定份量的铸铁做成，形状似园鼓状。当制动时，轮缸活塞推动制动蹄压迫制动鼓，制动鼓受到摩擦减速，迫使车轮停止转动。在轿车制动鼓上，一般只有一个轮缸，在制动时轮缸受到来自总泵液力后，轮缸两端活塞会同时顶向左右制动蹄的蹄端，作用力相等。但由于车轮是旋转的，制动鼓作用于制动蹄的压力左右不对称，造成自行增力或自行减力的作用。因此，业内将自行增力的一侧制动蹄称为领蹄，自行减力的一侧制动蹄称为从蹄，领蹄的摩擦力矩是从蹄的2～2.5倍，两制动蹄摩擦衬片的磨损程度也就不一样。为了保持良好的制动效率，制动蹄与制动鼓之间要有一个最佳间隙值。随着摩擦衬片磨损，制动蹄与制动鼓之间的间隙增大，需要有一个调整间隙的机构。现在轿车鼓式制动器都是采用自动调整方式，摩擦衬片磨损后会自动调整与制动鼓间隙。当间隙增大时，制动蹄推出量超过一定范围时，调整间隙机构会将调整杆（棘爪）拉到与调整齿下一个齿接合的位置，从而增加连杆的长度，使制动蹄位置位移，恢复正常间隙。2.1.2有ABS制动系统的结构及原理当汽车制动时,汽车轮胎与路面之间的作用力是需要重点关注的,车辆的行驶状态主要根据汽车轮胎与路面之间的纵向与横向的作用力所决定。而的主要功效就是充分利用轮胎与路面的附着系数,使车辆在制动时具有一定的稳定性,并能够具备转向能力。在汽车制动过程中,车轮的滑动会影响车轮与路面的附着系数,也就能改变汽车的制动力数值。车轮在制动时产生滑移动作的程度可以用滑移率来表示：λ=v其中v是车身速度，λ是滑移率，R是车轮滚动半径，ω是车轮角速度。图1-3是μ-λ关系曲线凡,λopt代表处于峰值附着系数时的车轮滑移率.μc则代表车轮的侧向附着系数,μ代表车轮的纵向附着系数。当时λ=0时,车轮纯滚动,μ为零当0＜λ＜λopt时,地面能够提供充足的制动力,此时的侧向附着系数也比较大,抗侧滑力较大,车轮处于稳定状态。当λ=λopt时,此时车轮处于纵向附着系数峰值处,车轮状态相当稳定当稳定。λ≥λopt时μc逐渐减小,地面制动力也逐渐减小,地面的抗侧滑力降低,车轮处于不稳定状态,附着系数曲线在非稳定区域。当λ=100%时,纵向附着系数很小,侧向附着系数达到最低值,车轮完全抱死,[][]图1-3附着系数—滑移率关系曲线ABS的工作原理就是通过判断并合理调整施加在车轮上的制动力数值。使制动过程中车轮的滑移率能保持在最佳值λopt附近,使车轮的μ和μABS制动系统的一般组成包括轮速传感器、电子控制单元ECU（ElectronicControlUnit）和液压控制单元（HydraulicControlUnit）三部分。（1）轮速传感器轮速传感器是ABS系统中最主要的一个部件，它是根据电磁原理工作的，其组成包括电磁感应式传感器和齿圈两部分。传感器以间隙方式对准齿圈，而齿圈却可随车轮或驱动轴一起转动。当车轮、驱动轴转动时，传感器中产生于车轮转速成正比的交流信号，并将此信号传输至电子控制单元ECU进行运算和处理。轮速传感器的组成包括磁极、永久磁铁和线圈。轮速传感器的工作原理类似于交流发电机。永久磁铁可以产生磁场，齿圈在该磁场中旋转时，齿圈与磁极组成的磁路中的磁阻随着齿圈与传感器磁极间的间隙周期性变化而发生变化，磁通量随着间隙的周期性变化而发生周期性的增减，感应电压就随着磁通量的增减速度而成正比的产生所以，就将这类传感器称为电磁感应式轮速传感器，简称为轮速传感器。（2）电子控制单元ECU如同其他电子控制技术一样，防抱死制动系统ABS也有自己的控制中枢ECU，在工作工程中，ECU负责接收轮速传感器等输入的信号，并根据输入的信号和事先存储的计算算法在ECU电脑中计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等，逻辑判断出要输出的控制指令，来控制制动压力调节器等完成制动工作。除了起到控制作用外，ECU还具有监测故障的功能。ECU模块的电路组成包括如下几部分：轮速传感器输入放大整形电路：车轮速度传感器测量的信号是正弦电压波，但是在这个信号里面还会有一些高频的干扰信号，这就需要一个输入电路将这一高频干扰信号进行滤波处理。同时，经过滤波处理的信号还需要经过放大电路。整形电路的处理，输出为一系列的方波信号，便于车速的计算。运算电路（微处理器）：运算电路的主要功能是对输入的信号进行运算处理，根据控制算法输出控制指令，实现对制动车轮的检测和对进液、出液电磁阀通断电的控制，从而实现对轮缸压力的控制，避免车轮抱死。（3）液压控制单元HCU液压控制单元其实也是一个微型电脑，它的作用主要是控制ABS系统中的液压电磁阀、液压泵、驱动电机直接或间接地控制制动压力的增减，达到制动防抱死的目的。液压控制单元根据控制制动压力的形式可分为循环式、回流式和可变容积式。ABS系统的工作原理汽车防抱死系统（简称ABS）是在汽车制动的时候发挥作用来将更加科学的分配制动器的压力，进而能防止车轮在紧急制动是发生抱死的装置。ABS系统按照一定规律对制动液压力进行不断改变的过程就是ABS系统的控制策略实施的一个过程。ABS系统的控制策略的完成可以采用不同的控制方式，用基于车轮加减速度逻辑门限值的控制方法在汽车行驶在直线的单一路面上这一特定条件时ABS系统发挥作用进行制动控制的原理。ABS系统之所以能控制制动过程是因为他能够通过控制制动液压的大小汽车在制动之前，制动管路中油压为零，当驾驶员踩下制动踏板的过程就是制动的过程，这个过程中伴随着制动管路中的油压的上升，这个油压的作用表现在两个方面——车轮施加制动力矩和产生地面制动力，进而能够车速降低。这个时候，ABS系统尚未发挥作用，也就是说，驾驶员增加制动踏板的行程使得油压不断增大，制动力不断增大，而车轮减速度也就随着增大，直到车轮减速度的值达到规定的门限值-a，这一过程就是ABS制动系统的增压过程当车轮减速度的值达到规定的门限值-a时，增压过程结束。过了这点之后，就开始ABS制动系统工作的减压过程，在此过程中，ABS系统开始对制动过程发挥作用，将制动油压降低。车轮减速度受液压制动系统惯性的作用仍然会继续下降一段时间，这样车轮减速度值就会低于门限值-aECU检测到车轮减速度值低于门限值-a时，产生一个保压信号，所谓保压就是让制动油压维持在一个恒定值。在保压的过程中，车轮就由减速变为加速，一直加速到车轮速度与车速值相近，保压的过程一直持续到车轮加速度达到设定的门限值+a，如图中点3所示。保压过程结束后就进入了ABS系统工作的升压过程，由制动防抱死系统产生增压信号，所谓增压就是让制动管路里面的油压上升，车轮加速度在惯性作用下上升一段时间开始降低，再次由加速状态进入减速状态，又进入减压-保压-增压的循环工作状态。ABS系统之所以能够使汽车在制动过程中不产生抱死就是因为它使制动器的油压随时根据路况和车况而发生升压-减压-保压的变化，这个循环变化的过程能保证车轮转速控制在一定的范围内。所以，很明显，这个方法的最关键问题是如何设定合理的车轮加减速度的门限值。也就是说，合理的门限值才能保证车轮运动状态比较合理。但是如何确定这个门限值远没有想象的那么简单，它必须基于大量的实验。ABS制动系统的控制过程中，最常用的控制参考值是选择车轮加、减速度门限值，此外，还有一种常见的提高控制品质方法的类型就是根据控制质量和路面类型的不同设定不同的门限值，这种类型中最成熟的就是参考滑移率门限值。2.2复合制动系统的结构及原理复合制动系统是指由两套均能提供制动力矩组成的一种制动系统形式,如由摩擦制动系统和电力制动系统组成的复合制动系统。摩擦制动系统是指采用制动盘/制动鼓的液压或气压制动系统;电力制动系统是指不通过制动盘/制动鼓的摩擦作用,而将车辆的动能转化为电能的制动系统,如电涡轮辅助制动系统、电机制动系统等。电液复合制动系统主要为载荷相对较小的乘用车所使用,对于载荷较大的商用车辆主要采用气液复合制动系统2.2.1EHB结构及原理EHB是一种线控制动（brake-by-wire）系统，它以电子元件替代了部分机械元件，制动踏板不再与制动轮缸直接相连，驾驶员操作由传感器采集作为控制意图，完全由液压执行器来完成制动操作，弥补了传统制动系统设计和原理所导致的不足，使制动控制得到最大的自由度，从而充分利用路面附着，提高制动效率。图2-1EHB控制结构图如图2-1所示，EHB系统主要由制动踏板单元、电子控制单元ECU、液压控制单元HCU以及一系列的传感器组成。（1）制动踏板单元包括踏板感觉模拟器、踏板力传感器或踏板行程传感器以及制动踏板。踏板感觉模拟器是EHB系统的重要组成部分，为驾驶员提供与传统制动系统相似的踏板感觉（踏板反力和踏板行程），使其能够按照自己的习惯和经验进行制动操作。踏板传感器用于监测驾驶员的操纵意图，一般采用踏板行驶传感器，采用踏板力传感器的较少，也有二者同时应用，以提供冗余传感器且可用于故障诊断。图为为Teves公司的电子制动踏板单元。图2-2Teves公司的电子制动踏板单元（2）HCU制动压力调节装置用于实现车轮增减压操作HCU中。一般包括如下几个部分。独立于制动踏板的液压系统：该系统带有由电机、泵和高压蓄能器组成的供能系统，经制动管路和方向控制阀与制动轮缸相连，控制制动液流入流出制动轮缸，从而实现制动压力控制。人力驱动的应急制动系统：当伺服系统出现严重故障时，制动液由人力驱动的主缸进入制动轮缸，保证基本的制动力使车辆减速停车。平衡阀：同轴的2个轮缸之间设置有平衡阀，除需对车轮进行独立制动制的工况之外，平衡阀均处于断电开启状态，以保证同轴两侧车轮制动力的平衡。（3）传感器包括轮速传感器、压力传感器和温度传感器，用于监测车轮运动状态、轮缸压力的反馈控制以及不同温度范围的修正控制等。EHB的工作原理分为基本制动和控制制动。基本制动是指驾驶者根据自己的意图，施加或大或小的踏板力，控制车辆的减速度并保证他所期望的行驶方向，踏板力的值还达不到使车轮抱死的程度。而此时的EHB系统要充分反应驾驶者的意图，给予车轮驾驶者所期望的制动力。控制制动则指在必要的附加干预下施行的制动。即当驾驶者欲对车辆采取紧急的全力制动，而大力并快速的踩下制动踏板时，EHB系统就应该识别出这一要求，在给予车轮足够大的制动压力的同时，对车轮上的制动压力进行控制以防止车轮抱死和车辆的制动稳定性下降等情况的出现。EHB系统还可以融合多种车辆控制系统：当车辆在弱附着路面起步或加速时，以及车辆从高附着路面行驶到低附着路面时，系统集成驱动防滑功能；在车辆转弯时，EHB系统通过车轮制动实现车辆稳定性控制；此外，前述的自动清水功能、电子辅助制动功能、电子驻车制动功能等均属于控制制动。2.2.2EMB结构及原理电子机械制动系统（是最新一代的线控制动系统，是真正意义上的无机械备份的线控制动系统。典型的电子机械制动系统主要由车载电源，电子制动踏板，基于时间触发的车载网络系统，制动力分配单元，制动力控制单元，制动执行模块，和轮速传感器等少量实时监测车辆运行状态的传感器组成，如图2-3所示。图2-3EMB制动原理图其中，车载电源为整个制动系统提供能量来源，电子制动踏板识别驾驶者的制动意图并产生适当的制动反力，模拟真实的路感。制动力分配单元根据电子制动踏板传来的制动信号和车身传感器传递过来的车辆运行状况分析并还原驾驶者的制动意图，并为各个车轮单独分配所需要的制动力。制动信号通过可靠的车载计算机网络传递到制动力控制单元。各个制动力控制单元根据制动力分配单元分配的制动力，驱动制动执行单元将车轮制动力控制在要求的范围。最大化的利用地面附着系数，实现最佳的制动效果。制动力控制单元和制动执行单元组成一个完整的车轮制动力控制模块。它和车身传感器以及制动盘等部件一起组成一个闭环控制系统，根据制动力控制信号精确调节制动力，如图2-4所示。图2-4车轮制动力控制模块控制原理简图制动执行单元作为车轮制动力控制模块的核心组成部分，一般由力矩电机、传动装置和制动钳体三部分组成。其工作的基本原理为：力矩电机的高速低扭矩旋转输出通过减速增矩装置，转换成低速大扭矩输出，再通过运动转换装置将旋转运动转换为直线运动，驱动制动钳对制动盘的夹紧和放松。2.3本章小结本章综合分析了无ABS制动系统和有ABS制动系统的结构和工作原理以及EHB和EMB的结构和工作原理，并且认为EMB系统具有传统制动系统无法比拟的优越性，但EHB系统仍然采用电液控制方式，严格意义上说并不是纯粹的Brake-by-wire系统，与电子机械制动系统EMB相比，EHB系统在当前技术更加成熟，因而在短期内有极佳的发展前景。三机电复合制动策略分析3.1ABS控制策略ABS控制系统的关键是它的鲁棒性，除传统的逻辑门限方法是以比较为手段之外，增益调度PID控制、变结构控制和模糊控制是目前所采用的以滑移率为目标的鲁棒控制系统。另外,也有采用其它的控制方法，如基于状态空间及线性反馈理论的方法，模糊神经网络控制系统等。这些控制方法往往是根据路面的情况预先设定几种模式，由驾驶员根据实际情况确定当前的状态；因而在实际使用中还是偏保守的，需要在控制器设计中考虑各种安全保险措施，这样一来就会影响制动效能[[][]3.1.1门限值门限值控制方式的特点是不需要建立具体系统的数学模型，控制过程比较简单，结构原理上比较容易实现，并且对系统的非线性控制很有效[[]]。同时，如果控制参数选择合理，则可以达到比较理想的控制效果，能够满足各种车辆的要求。但其缺乏足够的理论指导，需要进行大量的道路试验，开发时间相对较长，成本较高。但是近年来，随着ABS仿真试验台的研发，通过台架试验调试ABS控制软件，使ABS程序在台架上调试成熟后在进行道路试验，较大程度的缩短了ABS的开发周期，减少了开发费用。因此逻辑门限值法仍然是开发[]3.1.2PIDPID控制是在实践中得到广泛应用的控制方法，它是按偏差的比例(P-Proportional)、积分(I-Integral)、微分(D-Derivative)线性组合进行控制的方式。PID控制器的最大优点在于不需要确切了解被控对象的数学模型，只需根据经验调整调节器参数即可取得良好的控制效果，结构简单，鲁棒性强，是目前控制系统应用最广泛的一类控制器。PID控制器基于负反馈原理，时域模拟PID控制为：P式中P(t)为输出信号，e(t)为偏差信号，e(t)=u(t)-P(t)，u(t)为给定信号；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td图3-2PID控制器原理PID控制器三种控制作用各有优缺点：比例控制的优点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KppK。其缺点是：对于具有自平衡性(即系统阶跃响应终值为一有限值)的被控对象存在静差。加大Kp可减小静差，但Kp过大时，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。积分控制的优点是：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。微分控制的优点是：它能敏感地感知误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统的稳定性。它的缺点是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。即比例环节、积分环节和微分环节分别是对“现在时”、“过去时”和“将来时”进行的调节。比例控制系数Kp、积分控制系数K表1控制参数对系统稳定的影响PID控制方法是一种基于经典理论的控制方法，最大优点是不需要了解被控制对象的数学模型，只需要根据经验进行调节器参数的整定。3.1.3模糊控制模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑为基础的计算机智能控制。模糊控制是基于经验规则的控制，不依赖对象的数学模型，控制规则符合人的思维规律，便于利用人的经验知识，具有鲁棒性强和简单实用等优点。JuanA.Cabrera[[]]。等设计的模糊控制策略，通过在仿真台架上反复测试，积累了大量的学习样本，制定了完善的模糊控制规则，并实时计算出了车轮优化目标滑移率，缺点是缺乏相应的理论基础，只能依靠设计者的经验和反复调试。[]3.1.4模糊PIDPID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统.在控制理论和技术飞速发展的今天,工业过程控制领域仍有近90%的回路在应用PID控制策略.PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定，但是在实际的应用中,大多数工业过程都不同程度地存在非线性、参数时变性和模型不确定性,因而一般的PID控制无法实现对这样的过程的精确控制.模糊控制对数学模型的依赖性弱,不需要建立过程的精确数学模型,因此,针对PID控制和模糊控制的各自特点,国内外学者分别采用不同的方法将模糊控制与PID控制相结合,研究出了多种模糊PID控制器。图3-3为模糊PID控制器的结构。图3-3模糊PID控制器的结构模糊PID以误差e、误差变化率ec作为二维模糊控制器的2个输入量，将占空比D的变化率u设为输出变量。将模糊控制理论应用在常规PID控制器上，并利用模糊控制规律在线整定PID参数。当对象参数有变化、运行条件改变或PID控制器失调时，系统中的监督控制器自动判断并开发出相应措施，能够自动调整PID控制器的参数，达到优化系统性能指标的目的。图3-3为模糊PID控制系统结构，该系统中模糊控制器的设计是否合理直接影响到比例增益因数Kp积分因数Ki和微分因数Kd的选取，从而影响性能指标U(t)=Kpe(t)+式中：e(t)为系统偏差，e(τ)dτ为偏差之和，de(t)dt为偏差变化率Kp为比例增益系数Kl为积分因数，Kd为微分因数。模糊推理规则可以有多种选择，为了使问题简单化，不同e(t)和e(t)PID控制三个参数Kp，Kl,Kd自动调整的要求为：2）当e(t)值负中或正中时，系统响应超调偏大，应取较小的Kp值减少系统响应超调，并避免对系统响应影响大使Kd和3）当e(t)值负小或正小时，为了提高系统的稳定性并防止平衡点周围产生振荡，应取比较大的Kp和Kl,取恰当的Kd值。结合汽车制动系统的实际工况，将制动电流误差和误差变化率的语言变量值设为[NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL]，该模糊集在论域上的分布是以零为中心对称的，其语言值设为：正负大，正负中，正负小，零。论域范围设定为[-3,3]并连续离散化构成含七个整数元素的离散集合。隶属函数的确定又有主观人为性，虽然确定隶属函数的方法依赖于人的经验，但主观的反映却也可根据不同情况逼近客观性，被约束于客观性。依靠经验，然后通过实验、试验及计算机仿真得到的反馈信息进行修正，得到了如图3-4，图3-5所示e图3-4输入量e的隶属度函数图3-5输入量ec为了防止系统产生不稳定现象，保证被控对象上的实际控制量低于实际物理被控对象的接受能力。对输入量随机划分来保证稳态指标，如果实时电机电路与期望值高度相近时系统有较高的灵敏度，达到较高的稳态控制精度。通过以上原则建立模糊PID控制规则表如表2，表3，表4所示：表2Kp表3Kl表4Kd通过实时检测到的电机电流的误差及误差变化率再从控制表中查询相应的修正值，完成在线整定，并可以根据位置式算法或增量式算法的差分方程计算控制器输出量。3.2机电复合制动工作模式分析3.2.1复合制动系统的组成与分类从控制的角度出发,复合制动系统包括信号源、控制及执行3部分：（1)信号源部分:制动踏板的行程信号、制动管路液压信号或者制动阀的气压信号均可以作为系统的信号源;(2)控制部分:通过传动系统和控制系统部件,实现再生制动的控制功能;(3)执行部分:液压/气压制动和再生制动的执行机构分别是液压/气压制动部件和电机及传动系统.汽车机电复合制动系统的实现形式主要有并联和串联2种[[]]。并联制动是将电机再生制动叠加在常规液压或气压制动系统上，不改变原有制动系统的布置方式，仅对电机制动力矩进行控制，实现机电复合制动系统的协调工作。该复合形式控制参数少、精度要求低、易于实现，但制动能量回收率较低，且对制动感觉有一定影响。串联制动可分为2种情况:一种是将电机再生制动与控制动技术相结合，一般采用电子液压制动系统(EHB)提供机械摩擦制动。EHB[]3.2.2低档位制动分析当采用低速当制动时，制动踏板位移为47mm，制动强度Z=0.57，制动初速度为60Km/h在湿沥青路面上制动时，后轴电机制动力矩经减速机构作用于后轮，前轴制动力矩一直由液压提供，其仿真结果如图3-6图3-6低档位制动分析结果表明，低档位制动时电机制动力矩可满足汽车后轴需求，前轴由液压制动系统提供，随着前轴制动力矩的增大，前轮逐渐趋于抱死状态，此时压力调节器经增压、保压及减压过程中将滑移率稳定在0.18左右。随着车速的减小，滑移率波动逐渐增大，当车速趋于零时，滑移率达到最大值。整个制动过程中，制动减速度在0.57g左右波动，电池SOC值由初始值增加到70.94%，制动能量回收效率为19.32%，可见制动过程中制动能量得到较好的利用。3.2.3高档位制动分析高档位制动时，制动初速度为120Km/h制动时，后轴采用电机制动，前轴为液压制动。其仿真结果如图3-7：图3-7高速挡复合制动分析图结果表明，整个制动过程中，制动时间为6.10s，车辆滑移率稳定在0.18左右，制动减速度在0.57g左右波动，电池SOC值由70%增加到73.80%，制动能量回收效率为19.60%，该过程中制动能量得到较大的回收利用。3.3本章小结本章重点分析了机电复合制动的方法和策略，包括模糊控制，PID控制等并重点对低档位制动和高档位制动进行了仿真分析，研究结果表明，复合制动具有传统制动无法比拟的优势。四能量回收分析车辆的再生制动功能是其节能的重要途径之一。所谓能量回收是指通过控制，使车辆动力模块全部或部分具有能量逆向流动功能，从而实现将车辆的惯性能部分回馈至储能器，与此同时，对车辆起制动作用。在电动汽车中，再生制动的性质是电气制动，此时驱动电机工作于发电模式。这里说的电动汽车再生制动是一种宏观称谓，它是指电动汽车在电气制动过程中，整体上表现为将车辆惯性能变成电能，并将其储存于蓄能器中。而在微观上，根据电机驱动系统功率变换器控制信号的不同，能量回收的基本制动模式有两种：一种模式是蓄能制动与回馈制动的交替；另一种是反接制动与回馈制动的交替。所谓蓄能制动是指驱动电机产生的电能除部分消耗于回路电阻上之外，其余全部以磁场能形式储藏于电路电感中的电气制动；所谓回馈制动是指驱动电机产生的电能除部分消耗于回路电阻之外，其余全部回馈于蓄能器中的电气制动；所谓反接制动是指驱动电机的反电动势与电源电压顺向串联所形成的一种电气制动，这种制动不但没有电能回馈于蓄能器中，反而蓄能器要输出电能。4.1制动能量回收原理再生制动系统也就是能量回馈系统，工作原理简而言之就是汽车制动时将其动能经过传动装置传递给电机，然后电机在制动控制器的作用下以发电模式工作，将原先的动能转变成电能，给储能装置充电，达到制动能量回收的目的。与此同时电机制动力又可以起到制动的作用，对驱动轮进行作用，减慢车速达到制动效果。并且回收的能量在汽车下一次启动或者是加速时又能做为驱动能量给汽车供能，达到了能量有效利用的目的[[]]。一般情况下电机的回馈电压是低于蓄电池电压的，要想使回馈的电能能充入到储能装置中，必须是电机工作在再生制动状态，这就需要专门的控制系统进行控制，如图[]图4-1电动汽车再生制动原理图当驾驶员踩下制动踏板，电动汽车处于制动状态，此时电机电枢驱动电源被断开了，但是电动机存在惯性作用转速不能马上为零，所以电机仍然旋转，这时电动机处于发电状态，在电枢两端接入由IGBT元件组成的开关电路，控制开关电路使其处于高速通断状态。则电机产生感应电势E，其与感应电流I随时间变化的关系如下：E=-Ldidt在图4-1中，当开关K闭合时，电机的感应电流在K、Rb、Ra之间形成一个回路，方向是K-Rb-Ra。假设这个电流为I1势E与电流I1I1=其中，I1为制动电流，E为感应电势，Ra为限流电阻，R当开关K断开时，由于电机属于感性器件，电流不会马上为零，电机感应电流变化率di/dt会立刻增大。同时，感应电势E也会立刻增加。当电机的感应电势超过了电池的端电压Ub，即E>Ub时，电机会给储能装置进行充电，实现制动能量回馈。假设此时回路中的电流为I2，根据回路可计算出电流I2为：I2=其中Rc为制动回馈电路的等效电阻，I2即为制动过程中给储能装置充电的充电电流。电动汽车实际能量回馈的设计过程其实是比较复杂的。电动汽车能量回馈系统结构如图4-2所示。图4-1中K的闭合和断开由T1和T2来控制。图4-2能量回馈原理图该电路由晶体管T1与T2，续流二极管VD1与VD2，电感L与电机M，电阻与电池等元器件组成[26]。电动汽车正常行驶时，T1管导通，T2管截止，此时电流的流经方向是ABCDEA。当汽车处于制动状态时，T1、T2管都截止，L中储存的电流通过VD2续流，流经方向为DFGCD，即图中的回路1；当T2管导通，T1管截止时，此时电机工作于发电状态，回路中的电流与正常行驶时的电流方向相反，电流流经方向为图中DCGFD，即回路2；经过onT时间，T2管也截止，反向电流经VD1续流，形成回路3，流经方向为AEDCBA，产生的电能回馈到储能装置里。再生制动能量回馈可以概括为三个阶段：续流阶段、电流反向阶段和能量回馈阶段。（1）在续流阶段，T1管由导通状态转为截止状态，所以电机两端的电源被切断，此时电动汽车开始进入制动状态，车速会逐渐减慢，此时电路工作在回路1中，电感L储存的电能会释放出来，电流沿原方向流动即图567中的回路1根据基尔霍夫定理，此时回路1中的方程式为：IR+E+Ldidt=0式中电动势E=CeΦn，n为电机转速，Φ为每极磁通，Ce为电势常数。假设车辆开始制动，此时电机回路的电流为I0，则续流阶段电路中的电流为：i=-ER+(I0(2）在电流反向阶段，T1管仍然处于截止状态，控制T2管导通，由于惯性作用，电机转速不能马上改变，仍然按原方向运转，但是，此时电机是工作于发电状态的，电流方向为GFD，即图4-2中的回路2，此时电机转速为n1，电流为I1，电机电动势E1=CeΦn1，则有电流反向阶段电路中的电流为:i=-E1R+(I1假设晶闸管T2的导通时间为Ton,当电机电流反向阶段结束时，整个回路中电流Ion表达式为：Ion=-E1R+(I1（3）在能量回馈阶段，控制T2管关断。此时，电流经电感L和续流二极管VD1向储能装置充电，工作在回路3回路3的微分方程为：-Ub+E+iR+Ldidt假设晶闸管T2的导通时间周期为T，此阶段储能装置总共充电的电能为：W=0此后，电机反复的工作在电流反向阶段和回馈能量阶段，即图中的回路2和回路3，直至电动汽车完成制动过程为止。4.2与传统制动系统的对比分析（1）续驶里程在实际行车中，传统内燃机制动系统在制动时，车辆机械能不可避免的以摩擦产热的形式损耗掉一部分。对于电动汽车而言，车辆制动系统基本都配备能量回收装置，可以实现对再生制动能量回收再利用，这种能量回收过程在城市道路运行时会大大提高电动汽车的续驶里程[[][]（2）能量利用效率车辆制动通常主要依靠摩擦方式，整个制动过程主要是通过利用摩擦方式的热能来消耗机械能，并最终散发到大气中。然而对于包含制动能量回收装备的车辆制动系统，系统可以先将车辆在制动过程中的一部分机械能以电能的形式存储到储能装置中以备下次再利用，混合动力车辆就以这种方式有效提高制动能量利用率，增加了车辆的续驶里程。（3）制动可靠性一般说来，车辆在下坡时或是在城市时走时停行驶过程中，往往需要频繁制动，利用传统制动器制动时，制动效果会因制动副表面温度上升造成一定的破坏，使得车辆出现不稳定制动过程，严重时甚至会出现制动失效的危险状况。电动汽车由于自身配有包含制动能量回收装备的复合制动系统，能够有效降低摩擦制动器的使用频次，进而能有效抑制制动副表面温度不稳定的情况，保证车辆制动系统的制动过程的安全性与高效性（4）维修保养以摩擦方式制动的系统，由于制动器频繁工作，刹车片损耗比较大，为了保证刹车性能，需要经常更换刹车片。这将增加用户对于汽车维修的保养费用。而基于能量回收装置的复合制动系统，电动车能有效减少制动器和刹车片的使用频率，从零部件维修方面看，也能降低制动器的维修保养费用。4.3本章小结本章重点分析了能量回收的原理和意义，其本质就是汽车制动时将其动能经过传动装置传递给电机，然后电机在制动控制器的作用下以发电模式工作，将原先的动能转变成电能，给储能装置充电，达到制动能量回收的目的。并通过与传统制动的比较，突出了机电混合制动的重要性，为以后进一步的深入研究奠定了一定的基础。五结束语总结与展望机电复合制动系统协调控制技术的未来研究重点包括线控机电复合制动系统协调控制技术、机电复合制动系统参数匹配研究、机电复合制动系统动态协调控制策略等。5.1线控机电复合制动系统协调控制技术从结构实现形式方面来看，线控机电复合制动系统将是未来研究的重点。并联式复合制动系统保留了原有的液压与气压制动系统结构，前后轴摩擦制动力按照固定比例输出，再生制动力根据制动踏板位置信号简单叠加在驱动轴上，且再生制动力矩随着车辆速度、电池SOC、电池温度等不断变化，致使实际总制动力偏离期望制动力，影响制动效能、制动稳定性及制动感觉一致性。基于传统液压/气压制动系统改造的串联式复合制动系统，虽然前后轴摩擦制动力大小可调，能够实现机电复合制动系统的协调控制，但是会因干涉原有制动系统工作而影响制动性能，且制动踏板与制动系统通常