汽车再生制动稳定性与制动踏板平稳性控制研究

摘要

汽车制动能量至今还是一种未开发利用的能源，在制动过程中大量的动能只能通过摩擦转化为热能耗散掉，且导致汽车制动系统过早地磨损，增加了汽车使用成本。汽车再生制动把制动过程中的部分动能转化为电能回收并进行再利用，提高了汽车能量综合利用率、节约了汽车使用成本，但再生制动系统加入到传统制动系统中会改变原有车辆制动性能，影响制动稳定性及制动踏板平稳性。如何实现再生制动与常规液压制动之间协调，在车辆行驶制动稳定的前提下，如何充分利用电机的再生制动，实现能量回收最大化是再生制动系统急需解决的问题。针对这些问题本文做了如下工作： 首先，为了达到能量回收的最大化和制动稳定性的统一，实现车辆原有的液压制动系统与再生制动的协调，在液压制动子系统的基础上，设计了一套能够实现根据机电制动力分配控制策略进行自动调节液压前后制动力的压力调节装置；根据再生制动特点及回收约束条件，结合开关磁阻电机的特性，提出双开关磁阻电机前轮制动、复合储能的再生制动系统方案；建立了开关磁阻电机再生制动控制模型；结合复合储能系统简化等效电路模型，采用能量方法建立了复合储能系统的能量流模型。 其次，建立车辆再生制动动力学模型，提出了基于模糊滑模变结构控制的电机防抱死再生制动控制策略模型与液压防抱死制动协调控制策略；以电机制动效能为车辆制动强度划分依据，建立前后制动力分配控制模型、机电制动力分配策略模型。并建立了基于前轮双电机制动力矩控制的制动稳定性控制策略模型。 对再生制动系统制动踏板平稳性影响因素进行理论分析，建立了制动踏板模型，设计了再生制动踏板结构，提出了基于轨迹跟踪的制动踏板平稳性控制策略，以实现与原有纯液压制动系统一致制动踏板平稳特性。 建立了再生制动稳定性集成控制模型，以协调控制器为中心，车辆稳定性控制、再生制动控制、能量回收控制及液压制动控制相互关联制约，实现集成控制。 最后，采用模块化分层设计的方法建立了再生制动模拟试验平台，并对上述提出的汽车再生制动控制策略进行硬件在环试验验证。 仿真计算及模拟试验结果表明，本文提出的汽车再生制动相关理论和方法可以有效提高汽车制动能量回收率、实现良好的制动稳定性和制动踏板平稳性。通过对再生制动系统相关控制理论和方法的深入研究，为汽车再生制动系统开发与设计提供了理论依据和新的思路。 本文的创新点在于： 1)提出了一种基于双开关磁阻电机前轴再生制动，并以铅酸蓄电池与超级电容并联成复合储能器的汽车再生制动系统； 2)在原有液压制动子系统的基础上，设计了一套能够实现根据机电制动力分配控制策略进行自动调节液压前后制动力的压力调节装置，从结构上解决了再生制动与液压制动之间协调问题； 3)根据复合储能系统简化等效电路模型，采用能量方法建立了复合储能系统的能量模型； 4)提出了一种通过对再生制动开关磁阻电机输入反向防抱死制动电压实现电机防抱死制动控制的方法，并设计了基于模糊滑模变结构控制的电机防抱死控制策略； 5)建立了再生制动稳定性集成控制模型，以集成控制器为中心，车辆稳定性控制、再生制动控制、能量回收控制及液压制动控制相互关联制约，实现集成控制； 6)采用模块化分层设计的方法建立了再生制动模拟试验平台，试验平台系统可以满足车辆再生制动方面理论研究需要，并具有良好的可扩展性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1.汽车再生制动系统概述

1.2.国内外研究现状

1.2.1.能量转换装置

1.2.2.能量储存装置

1.2.3.控制策略研究

1.3.关键技术问题

1.4.本文研究主要内容、方法和目的

第二章再生制动能量回收系统结构方案与模型

2.1.制动能量回收原理与回收率分析

2.1.1.再生制动过程能量分析

2.1.2.前后轴车辆制动能量分担分析

2.1.3.能量回收约束条件

2.2.能量回收最大化系统结构方案

2.3.液压制动系统结构及制动力分配调节原理

2.4.双开关磁阻电机制动

2.4.1.制动电机再生制动状态

2.4.2.双电机再生制动控制模型

2.4.3.最大电机再生制动力矩确定

2.5.复合储能能量流分析及建模

2.5.1.复合储能系统结构及等效简化

2.5.2.DC/DC转换器模型

2.5.3.复合储能器的容量

2.5.4.复合储能器电压

2.5.5.复合储能系统能量流建模

2.5.6.复合储能器荷电状态确定

2.6.本章小结

第三章再生制动与液压制动协调控制方法研究

3.1.车辆系统再生制动动力学模型

3.1.1.动力学模型

3.1.2.轮胎模型

3.2.再生制动对车辆稳定性影响分析

3.3.液压ABS系统模型

3.3.1.系统结构

3.3.2.系统模型

3.3.3.制动器模型

3.4.基于滑模变结构控制的电机防抱死制动控制

3.4.1.滑模变结构控制的基本原理

3.4.2.系统模型

3.4.3.滑模控制器设计

3.4.4.变结构控制的模糊化

3.5.再生制动机电制动力分配控制策略

3.5.1.前后制动力分配控制方法

3.5.2.机电制动力分配控制模型

3.5.3.再生制动后轮不先抱死控制策略

3.6.协调控制仿真结果与分析

3.6.1.仿真参数

3.6.2.无滑移制动仿真分析

3.6.3.有滑移制动仿真分析

3.6.4.NEDC行驶循环仿真分析

3.7.本章小结

第四章基于双电机再生制动车辆稳定性控制策略

4.1.车辆稳定性控制原理

4.2.侧滑角估计

4.3.模糊控制器的设计

4.3.1.控制系统原理及策略

4.3.2.模糊控制器

4.4.稳定性控制仿真结果与分析

4.4.本章小结

第五章再生制动系统制动踏板平稳性控制方法

5.1.制动踏板平稳性影响因素

5.2.再生制动系统制动踏板控制模型

5.2.1.常规系统制动踏板模型

5.2.2.再生制动系统踏板结构及系统模型

5.2.3.基于轨迹跟踪的踏板感觉系统控制策略

5.3.仿真结果与分析

5.4.本章小结

第六章再生制动稳定性集成控制

6.1.集成控制原理

6.2.再生制动稳定集成控制模型

6.3.仿真结果与分析

6.4.本章小结

第七章再生制动系统仿真试验研究

7.1.仿真试验原理分析

7.2.试验系统总体方案

7.3.系统模块实现方法

7.3.1.驱动模拟模块

7.3.2.常规制动及道路阻力模拟模块

7.3.3.制动踏板输入模块

7.3.4.制动能量转换模块

7.3.5.能量储存管理模块

7.3.6.惯性模拟模块

7.4.测控系统方案

7.5.本章小结

第八章总结与展望

8.1.本文工作总结

8.2.本文的创新点

8.3.进一步的工作展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表与完成的论文

博士期间参加的科研项目

申请专利