混合动力汽车制动能量回收与ABS集成控制研究

制动状态下的能量回收是提高混合动力汽车(HEV:Hybrid Electric Vehicle)燃油经济性和延长其行驶里程的一项重要技术,在制动过程中,电动机作为发电机来使用,回收的能量以电能的形式存贮到电池中。制动能量回收技术是目前混合动力汽车制造商广泛采用的一项技术,通过电机的辅助制动,通常情况下可以将制动过程中车辆的部分动能回收到蓄电池,极大的提高了能量利用率。考虑到电机的制动效能以及制动稳定性,当前的混合动力汽车大都采用电、液制动相结合的混合制动方案,即保留了原有的ABS(ABS: Anti-Lock Braking System)液压制动控制系统。因此,如何在确保制动安全性的前提下,使能量回收制动和ABS液压制动协同工作,最大限度回收能量就成为混合动力汽车研究的关键性技术之一。本文以国家“863计划”混合动力轿车项目及其整车控制系统子课题为背景,主要研究混合动力汽车的电、液混合制动控制策略及其在实车上的应用。 制动控制策略的设计是混合动力汽车制动控制系统开发的关键环节,是一个涉及复杂问题决策和非线性时变系统控制的复杂问题,由于混合动力汽车的制动系统涉及电、液两个系统的协同工作,因而建立能够反映制动系统实际情况的仿真数学模型非常困难,同时,由于路面附着条件的影响以及驾驶员制动意图的不确定性,也增加了制动控制策略设计的难度。本文从制动安全性和能量回收效率两方面出发,做了如下几个方面的工作:混合动力汽车制动控制系统仿真建模;制动控制系统综合控制策略(CBCS: Combined Braking Control Strategy)的设计和研究;基于最优滑移率及制动力矩动态分配的模糊控制策略(FCS: Fuzzy logic Control Strategy)的研究以及制动控制策略的实车试验研究和验证。 本文建立了适合混合动力汽车制动系统仿真分析的动力学模型。这是混合动力汽车制动系统控制策略开发的重要组成部分,直接关系到制动控制器的开发效率和精度。制动系统动力学模型主要包括整车模型,非稳态半经验轮胎模型,ABS液压系统模型,电机及其控制系统模型,电池及其控制系统模型。建模过程采用实验建模与理论建模相结合的方法,其中对轮胎非稳态半经验模型和基于ABS液压调节器的液压系统模型进行了较为深入的研究,为获取必要的计算参数进行了相应的试验测试。通过电机和电池的台架试验分别获取了电机和电池的输入输出特性。仿真和试验结果都表明文中建立的制动系统动力学模型正确且稳定有效,能够满足实时控制精度要求及后续研究工作需要。 在建立制动系统动力学模型的基础上,搭建了整车制动系统仿真平台,基于此仿真平台,分析了混合动力汽车在制动状态下的能量管理策略,对制动模式和能量回收约束条件进行了分析,在此基础上研究了混合动力汽车制动控制系统综合控制策略(CBCS)及其设计方法,对ABS控制变量,如:轮速信号的采集与计算,轮加减速度的计算以及参考滑移率的计算进行了详细且以实用化为目标的算法设计,在对制动控制系统深入研究的基础上,设计了制动系统控制规则库和控制程序,确定了电机制动/液压制动控制系统不同的控制功能,实现了对制动力矩的合理分配。针对不同的制动需求,分别对新欧洲行驶循环(NEDC)下的制动,轻度制动,中度制动以及紧急制动进行了仿真分析,仿真结果证明,CBCS控制策略在NEDC行驶循环以及轻、中度制动状态下均能够高效的回收能量;对于在不同附着条件路面上的紧急制动情况,均能够通过对制动力矩的调整来确保制动过程的安全及稳定。 在CBCS控制策略研究的基础上,本文进一步提出了基于模糊控制逻辑的混合动力汽车制动系统模糊控制策略(FCS)的设计,设计了基于最优滑移率控制的模糊控制器和基于制动力矩动态分配的模糊控制器,前者可以确保在不同附着路面上车辆能够稳定运行在该路面的最优滑移率处,后者则可以根据制动系统的实际需求动态的调整能量回收制动力矩和液压制动力矩的大小。针对不同的路面附着情况,建立了不同的模糊控制规则库,并对CBCS控制策略和FCS策略的仿真结果进行了对比分析。仿真结果表明,与CBCS控制策略相比,FCS控制策略能够更好的实现制动力矩的分配,能够提升车辆的制动效能及能量回收效率。本文的研究工作为实现模糊控制技术在混合动力汽车制动控制系统上的实际应用打下了良好的基础。 本文的最后部分为实车的底盘测功机试验以及实车道路试验。底盘测功机试验对本文所设计的混合动力汽车制动系统综合控制策略(CBCS)进行了NEDC行驶循环测试分析,通过对测试结果统计数据的分析,发现试验结果与仿真结果非常接近,这验证了制动系统动力学模型的正确性以及制动控制策略对制动力矩的有效控制。实车道路制动试验在三种不同附着系数路面上进行,道路试验结果表明,采用本文提出的CBCS控制策略能够确保车辆在紧急制动情况下的制动安全性,其制动效能和稳定性与原车制动系统相近,CBCS控制策略的稳定性和有效性得到了验证。 作为混合动力汽车的关键技术之一,制动控制技术的研究在混合动力汽车的设计开发过程中占有重要的地位,本文的研究工作对于提高我国在混合动力汽车制动控制系统领域的研究水平具有一定的意义。