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摘 要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:Abstract: Environment pollution and energy emergency is one of the most important problem to auto industry. So many auto-company all do their best to develop electric and Hybrid electric vehicle. While, the pure electric automobile exists two shortcomings: the flight mileage and the cell capacity. Take all these facts into consideration, Hybrid electric vehicle still domains the market. When talking about the Hybrid electric vehicle, we have to talk about electro-mechanical composite braking system, differ from the traditional braking system; the electro-mechanical composite braking system has its character. In this paper, the structure and development of the electro-mechanical composite braking system in home and abroad is studied and we give a detail on braking energy recovery control strategy. Meanwhile, the development way of electro-mechanical composite braking system is described in the future. 关键词：关键词：混合动力汽车、机电复合制动、能量回收 Keywords:Keywords: Hybrid electric vehicle、electro-mechanical composite braking system、energy recovery.一一 绪论绪论1.11.1机电复合制动系统的研究意义及目的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1。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。2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 （HEBSHEBS），包括一个传统液压系统（CBSCBS）和一个布置在原制动器附近的涡流制 动系统（ECBECB）。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，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。3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2，车辆的惯性能量通过 车辆传动系统传递给驱动电机，电机以发电模式工作，产生高于动力电池电压， 为动力电池充电，实现制动能量回馈。1.2 机电复合制动系统的研究现状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 YiminYimin GaoGao 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。1.2.11.2.1 国内研究现状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，4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3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4。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5。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