电动大客车电控气压制动系统的设计

电动大客车电控气压制动系统的设计

制动能量回收城市公共交通的拥挤。乘客的行程安排是中断的，出发速度是缓慢的，污染极其严重。电动大客车有着低排放(或零排放)、多能量来源等优势,可以在很大程度上缓解城市环境污染和能源短缺的问题。因此,电动大客车的研究和应用成为汽车工业的一个热点。电动汽车的突出优点之一是能够实现制动能量回收。由于在电动客车上引入了再生制动,其制动力分配特性发生了变化,而前、后轮的制动力分配直接影响到汽车制动效能和方向稳定性。如采用传统的固定比例分配摩擦制动力和电机制动力的并行制动系统,则制动控制器只能对电机制动力进行调节,且电机制动力还受到电池SOC等因素的影响,这势必不能将摩擦制动力和再生制动力进行很好的协调,影响了汽车的制动效能和方向稳定性。因此,有必要研究一种新的适用于电动客车上的制动系统,而对电控气压制动系统的研究正是在这方面的一种尝试。1制动强度控制系统电控气压制动系统的原理图如图1所示,在该系统中,将原来的机械式制动踏板用电子制动踏板来代替,制动踏板通过线束与制动控制器相连。同时,用电气比例压力调节阀(以下简称:电气调压阀)代替了传统气压制动系统中的制动阀。当驾驶员踩下制动踏板后,制动踏板信号传给制动控制器;制动控制器根据踏板信号,计算得到驾驶员的制动强度需求,并计算出车辆所需总制动力;根据程序设定的制动力分配方式和当前电机可提供的再生制动力情况,计算出前、后轮所需的摩擦制动力,输出为前、后电气调压阀的控制信号;前、后电气调压阀根据输入的控制信号,调节阀体输出所需的气压,并将其输出气压作为继动阀的控制信号,控制继动阀输出气压,进而使前、后制动器产生所需的制动力矩。为实现前、后轮气压制动力的精确控制,在前、后制动气室处分别安装压力传感器,将气压信号反馈到制动控制器,实现了制动气室处气压的反馈控制。一部分的后轮制动力由电机来提供。2系统模型的构建如图2所示为整车制动时的控制原理图。再生制动过程中,能量的传递路线为:驱动轮→主减速器→变速器→电机→电池组。2.1车辆动力学模型在车辆制动过程中,本文采用如图3所示的3自由度车辆动力学模型,包括1个纵向平动和2个车轮转动。建模过程中忽略车身侧倾和车轮转向角,并假设前/后轮在同一平面内运动,其中考虑了滚动阻力和空气阻力的影响,则车辆动力学模型的基本方程如下:式中,Iw为车轮转动惯量;iω为车轮旋转角速度;FXbi为地面制动力;Tbi为摩擦制动或电机制动所提供的制动力矩;Tfi车轮滚动阻力矩;Ff为滚动阻力;wF为空气阻力。其中下标i取f和r,分别表示前轮和后轮。2.2轮胎模型的方法整车的制动过程是通过轮胎与地面相互作用来实现的,轮胎纵向特性对制动性能起着重要的影响,因此有必要对轮胎模型进行细致分析。目前常用的基于经验公式的轮胎模型有两种:双线性模型和魔术公式。其中最常用的是由Pacejka等人提出并发展起来、利用三角函数组合公式拟合轮胎试验数据的魔术公式:式中,ϕ0为车轮在纯滚动时的附着系数,一般设为0;A、B、C、D为待定参数,都是与路面有关的常数。2.3电气调压阀和继动阀均起压实作用电控气压制动系统中的主要部件有电气调压阀、继动阀和制动器。其中电气调压阀和继动阀均起调压的作用,它们的基本功能是当输入气压一定时,使输出气压与所受的控制信号强度成一定的比例关系。如图4所示即为电气调压阀和继动阀的工作示意图。2.3.1无起点死区和高控制稳定性电气调压阀采用压电技术制造,具有响应时间短、控制精度高、无起点死区和高控制稳定性等特点。当输入气压一定时,其控制信号与输出气压的关系为:式中,p2为电气调压阀输出气压;KP为电气调压阀比例系数;UP为电气调压阀输入控制信号。2.3.2继动阀的特性方程文中采用膜片式继动阀结构。根据继动阀的膜片及阀门的平衡,可得继动阀的特性方程为:式中,Am、Af为继动阀膜片的有效面积和继动阀阀门的面积;F为阀门弹簧作用力。2.3.3制动气室液压系统bfci对于领从蹄式凸轮制动器,在一定的制动气室气压输入条件下,制动器可产生的车轮制动力矩为:式中,BFci为制动器外部因数,制动器输出力矩与凸轮轴输入力矩之比;iA为制动气室有效承压面积;ih为制动气室输出推杆力对凸轮轴轴线的力臂;p为制动气室的工作压力;p0i为克服制动气室和制动器弹簧回复力所需压力。其中下标i取f和r,分别表示前轮和后轮。2.4电机制动转速电机转矩受到最大功率曲线和最大转矩曲线的限制,可以产生的最大制动转矩是电机转速的函数,如图5所示。再生制动过程中,电机在某一制动转矩和转速条件下,可产生的制动功率为:式中,mT为电机制动转矩;n为电机转速;ηm为电机对应转矩和转速下的发电效率。2.5电池soc的确定采用美国爱达荷国家实验室设计的Rint模型(也称内阻模型),如图6所示为电池充电时的电路模型。由图6得到电池的充电电压特性为:电池的充电功率为:将上式代入式(7)得:由式(9)可得电池的充电电流为:考虑到变电流的影响,采用标准电流SOC算法。得到电池SOC的计算公式如下:式中,SOC0为电池初始荷电状态;i(t)为电池瞬时放电电流;α(t)为i(t)与标准电流对应的加权系数;CN为电池额定容量。3动力分配要求在汽车制动过程中,对安全的要求是第一位的,因此,必须使汽车的前、后轮制动力分配满足一定的要求。在确保安全的前提下,合理地分配再生制动力和摩擦制动力,从而尽可能多地回收制动能量。参考目前几种典型的制动力分配策略,并结合电控气压制动系统的特点,制定出适合于电控气压制动系统的制动力分配策略。3.1生成制动能量如图7所示为前、后轮的制动力分配曲线。(1)当制动强度z≤0.1时,由于市区工况下制动强度普遍较低,为尽可能多的回收制动能量,由后轮(即驱动轮)提供全部制动力;(2)当制动强度0.1<z≤0.2时,后轮制动力分配比例大于理想制动力分配比例,这样能更充分的利用电机制动力,从而回收更多的制动能量;(3)当制动强度z>0.2时,前、后车轮制动力沿理想制动力分配曲线变化。3.2政策a0.8再生制动和摩擦制动之间的比例关系,通常有两种控制策略:固定分配策略和动态分配策略。本文采用动态分配策略,其具体控制规则为:(1)制动踏板动作时,首先判断电池的SOC值,当SOC>0.8时,为了保护电池不过充,此时认为电机可提供的再生制动力为零,而采用纯机械摩擦制动;(2)当SOC≤0.8时,采用电机再生制动,具体操作如下:(1)当制动强度z≤0.7时,后轮优先采用电机制动力,不足部分由摩擦制动力提供;(2)当制动强度z>0.7时,制动回收能力已非常有限,为保证汽车紧急制动时的安全性,停止电机再生制动,采用纯机械摩擦制动。4整车制动过程仿真为了验证制动力分配策略、评价制动能量回收效果,利用Matlab/Simulink软件平台中对整车制动过程进行仿真分析,仿真模型如图8所示。仿真中选用北京理工大学研制的某纯电动客车的参数作为仿真中所用车辆的基本参数,如表1所示。4.1制动协调过程以驾驶员的制动踏板信号为输入,采用多次不同制动强度输入和改变电池SOC初始值,进行仿真结果对比的方法。如图9所示,四次制动踏板的输入信号用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ进行编号。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的制动过程都是在电池SOC初始值为0.7情况下进行的,制动强度z由0分别迅速升至0.09、0.2和0.4,来模拟车辆的轻微制动、一般制动和紧急制动。Ⅳ和Ⅲ的制动踏板信号输入一样,区别在于Ⅳ制动过程的电池SOC初始值为0.8。4.2制动过程仿真结果仿真中,车辆以72km/h的初速一次制动到停止。仿真结果如图10和表2所示,其中图10为四次制动过程前轮摩擦制动力、后轮摩擦制动力和电机再生制动力矩的变化过程,图中(a)、(b)、(c)、(d)分别对应于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ输入下的仿真结果。如图10(a)、(b)、(c)所示,制动之初车速较高,电机工作在恒功率制动模式下,纯电机制动满足不了后轮制动力要求,需要后轮摩擦制动力参与制动;随着制动的进行,车速下降,电机制动力逐渐增大,当车速下降到电机恒转矩区时,电机制动力达到最大,在这过程中,对后轮摩擦制动力的需求相应降低;当车辆快要停止时,电机制动力迅速降为零,此时对后轮摩擦制动力的需求突然增加。在Ⅰ输入下制动强度小于0.1,因此,前轮摩擦制动力始终为零,如图10(a)所示;在Ⅳ输入下,电池SOC初始值为0.8,为了保护电池,采用纯机械摩擦制动,电机不参与制动,如图10(d)所示。仿真结果与前文制定的制动力控制策略完全符合。表2为四次制动过程的能量回收结果对比。从表中看出,Ⅰ输入下电池回收的制动能量最多,随着输入制动强度的增加,回收的制动能量依次减少。在Ⅳ输入下,电池SOC初始值≥0.8,为了保护电池,未采用再生制动,因此,电池SOC保持不变。表中能量回收率是指制动过程结束后,电池回收的制动能量与制动之前车辆动能之比(仿真中车辆势能保持不