混合动力汽车利用电动机再生制动的机电混合防抱死制动系统的设计与分析外文翻译资料

 2022-10-29 10:10

Design and Analysis of Electro-mechanical Hybrid Anti-lock Braking System for Hybrid Electric Vehicle Utilizing Motor Regenerative Braking

ZHANG Jianlong*, YIN Chengliang, and ZHANG Jianwu

School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Received April 15, 2008; revised November 12, 2008; accepted December 18, 2008; published electronically February 20, 2009

Abstract: Braking on low adhesion-coefficient roads, hybrid electric vehiclersquo;s motor regenerative torque is switched off to safeguard the normal anti-lock braking system (ABS) function. When the ABS control is terminated, the motor regenerative braking is readmitted. Aiming at avoiding permanent cycles from hydraulic anti-lock braking to motor regenerative braking, a novel electro-mechanical hybrid anti-lock braking system using fuzzy logic is designed. Different from the traditional single control structure, this system has a two-layered hierarchical structure. The first layer is responsible for harmonious adjustment or interaction between regenerative system and anti-lock braking system. The second layer is responsible for braking torque distribution and adjustment. The closed-loop simulation model is built. Control strategy and method for coordination between regenerative and anti-lock braking are developed. Simulation braking on low adhesion-coefficient roads with fuzzy logic control and real vehicle braking field test are presented. The results from simulating analysis and experiment show braking performance of the vehicle is perfect, harmonious coordination between regenerative and anti-lock braking function, significant amount of braking energy can be recovered and the proposed control strategy and method are effective.

Key words: hybrid electric vehicle, regenerative braking, anti-lock braking, fuzzy logic control,electro-mechanical hybrid anti-lock braking

1 Introductionlowast;


The focus of current research towards electric and hybrid electric vehicles has been on increasing energy efficiency and reducing emission. A primary area of concern in electric vehicle design, because of limited battery storage capacity, is the amount of energy used by the various vehicle subsystems. Therefore, designing vehicle control systems that minimize energy use and conserve the available energy stored in the battery is critical[1].

Anti-lock braking system is well known and commonly employed in conventional internal combustion engine vehicles. However, the development of electric and hybrid vehicles has introduced concerns and opportunities unique to electric vehicle control system design. A further opportunity unique to the electric or hybrid vehicle is the possibility of regenerating the kinetic energy dissipated during braking, or any other period in which the acceleratorpedal is not depressed and the vehicle is in motion, e.g. coasting. S uch regeneration can be accomplished by controlling the operation of the electric traction motor so that it behaves like a generator. The kinetic energy received during this process can be used to recharge the traction battery and stored for future use[2]. Applying supplemental hydraulic braking only when the braking torque supplied by the electric traction motor cannot meet the driverrsquo;s brake demand significantly increases the amount of energy recovered. The amount of kinetic energy that is wastefully dissipated while driving or launching an electric or hybrid vehicle is decreased if energy losses associated with wheel slippage conditions can be kept minimal.


During deceleration, electric motor takes the regenerative braking torque from the power train. The
kinetic energy of the vehicle can be regenerated into the battery as electrical energy. Therefore, a hybrid electric vehicle (HEV) has two different braking torques, one is regenerative braking torque which is offered by electric motor; the other is hydraulic braking torque which is provided by the hydraulic braking system. For the regenerative braking torque only add to front axle (in this research we assume that electric motor adds the regenerative braking torque to the front axle), so the front wheels can easily slip and lock-up under low road friction coefficient compared to traditional vehicle. Due to the effect of regenerative braking torque, the hydraulic braking torque distribution between front and rear axles should be changed compared with traditional vehicle, so the control logic of anti-lock braking system (ABS) ought to be adjusted according to the regenerative braking system.

Fuzzy logic is a branch of logic that uses degree of membership, rather than strict true/false or binary
membership, to define a set. As a result, fuzzy sets have no definite boundaries. The degree of membership represents the level of confidence that a particular value belongs in a given fuzzy set. DAVID, et al[3], in their research told that automotive systems realize superior characteristics through
the use of fuzzy logic controllers especially in nonlinear cases. The brake system is a challenging control problem because the vehicle brake dynamics are highly nonlinear with uncertain time-varying parameters. Fuzzy controllers have the benefit of not requiring a mathematical model of the plant, while still being highly robust. Also, certain fuzzy control designs can be implemented that have the ability to learn or to adapt them to improve its performance. Because of these features, in recent years, fuzzy logic control techniques have been applied to a wide range of systems[4]. Many electronic control systems in the automotive industry such as automatic transmissions[5–6] and anti-lock brake control[7–8] are currently being pursued. These electronically controlled automotive systems realize superior characteristics through the use of fuzzy logic.

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混合动力汽车利用电动机再生制动的机电混合防抱死制动系统的设计与分析

张建龙,尹成良,张建武

上海交通大学机械工程学院,上海200240

2008年4月15日收到; 2008年11月12日修订; 2008年12月18日接受; 2009年2月20日电子出版

摘 要:在低粘性系数道路上制动,混合动力电动车辆电动机再生转矩被关闭以保护正常的防抱死制动系统(ABS)功能。当ABS控制终止时,发动机再生制动重新接受。为了避免从液压防抱死制动到电动机再生制动的永久性循环,设计了一种使用模糊逻辑的新型机电混合防抱死制动系统。与传统的单控制结构不同,该系统具有两层分层结构。第一层负责再生系统和防抱死制动系统之间的协调调整或相互作用。第二层负责制动扭矩分配和调整。闭环仿真模型就构建了。再生制动和防抱死制动之间的控制策略和协调方法在不断的发展。在低粘性系数道路上的模糊逻辑控制和实际车辆制动现场试验的模拟制动被提出来了。模拟分析和实验结果表明,车辆制动性能完美,再生制动和防抱死制动功能协调配合,可以回收大量制动能量,提出的控制策略和方法有效。

关键词:混合动力电动车;再生制动;防抱死制动;模糊逻辑控制;机电混合防抱死制动

1 介绍

目前对电动和混合动力电动车辆的研究的焦点是提高能量效率和减少排放。 由于电池存储容量有限,在电动车辆设计中的主要关注领域是各种车辆子系统使用的能量的量。 因此,设计车辆控制系统最小化能源使用和节省存储在电池中的可用能量是至关重要的[1]。

防抱死制动系统是众所周知的,并且通常用在传统的内燃机车辆中。然而,电动和混合动力车辆的发展已经引入了对电动车辆控制系统设计的关注和机会。电动或混合动力车辆独特的另一机会是再生在制动期间或在其中加速踏板未被压下并且车辆处于运动中的任何其它时期中消耗的动能的可能性,比如,滑行。这种再生可以通过控制电力牵引电动机的操作来实现,使得其行为像发电机。在这个过程中接收到的动能可以用来为牵引电池充电和存储以备将来使用[2]。仅当由电力牵引电动机提供的制动转矩不能满足驾驶员的制动需求时才施加补充液压制动显着地增加了回收的能量的量。如果与车轮打滑条件相关联的能量损失可以保持最小,则在驾驶或发射电动或混合动力车辆时浪费地耗散的动能的量减少。

在减速期间,电动机从传动系获取再生制动转矩。车辆的动能可作为电能再生到电池中。因此,混合动力电动车辆(HEV)具有两个不同的制动转矩,一个是由电动机提供的再生制动转矩;另一个是由液压制动系统提供的液压制动转矩。对于再生制动转矩只增加到前轴(在本研究中我们假设电动机增加再生制动转矩到前轴),因此在摩擦系数低的道路上,与传统车辆相比,前轮可以容易滑动和锁定。由于再生制动转矩的影响,前桥和后桥之间的液压制动转矩分配应该与传统车辆相比有所改变,因此防抱死制动系统(ABS)的控制逻辑应该根据再生制动系统的变化而改变。

模糊逻辑是使用隶属度而不是严格的真/假或二元来定义集合的逻辑分支。这就造成了模糊集合没有确定的边界。隶属度表示特定值属于给定模糊集合的置信度水平。DAVID等 [3]在他们的研究中指出,特别是在非线性情况下,汽车系统通过使用模糊逻辑控制器实现优越的特性。制动系统是一个具有挑战性的控制问题,因为车辆制动动力学是高度非线性的,具有不确定的时变参数。模糊控制器具有不需要工厂数学模型的优点,同时仍然是高度强大的。此外,可以实现某些模糊控制设计,其具有学习或适应它们以提高其性能的能力。由于这些特征,近年来模糊逻辑控制技术已经应用于广泛的系统[4]。汽车工业中的许多电子控制系统,例如自动变速器[5-6]和防抱死制动控制[7-8]的相关应用目前就在进行中。这些电子控制的汽车系统通过使用模糊逻辑实现优越的特性。

在许多论文中提出了基于模糊推理的常规车辆的防抱死制动控制系统。 然而,在那些论文中呈现的控制系统被设计为仅用于在具有内燃机的常规车辆中的操作,并且不在混合动力电动车辆中的再生制动和防抱死制动之间提供协调控制。

因此,对于在混合电动车辆中提供混合防抱死制动系统的控制方法存在强烈的工程需求,其在制动期间提供最大再生动能,最小化动能损失并且提高车辆的制动性能,使液压制动 扭矩和再生制动扭矩彼此分开。

2 机电混合防抱死制动系统

混合防抱死制动系统具有至少两个从动轮,可操作地连接到具有用于控制电动机的操作的电动机控制装置的电力牵引电动机的再生制动系统,以及具有制动控制装置的单独的液压制动系统, 通过液压制动系统施加在每个车轮上的流体压力。

用于提供混合防抱死制动控制的方法包括以下步骤:感测车辆参数以获得定义车辆行为的实时测量; 计算描述在感测车辆参数的步骤中未直接测量的车辆行为的附加车辆参数; 基于车辆行为和临界值确定是否需要再生制动控制或液压制动控制; 将模糊逻辑应用于车辆参数; 响应于车辆参数和所需控制产生命令信号,用于控制电力牵引电动机的电动机控制装置和液压制动系统的制动控制装置,以提供再生防抱死制动控制或液压制动控制;以及根据命令信号控制电力牵引电动机的电动机控制装置和液压制动系统的制动控制装置。

2.1车辆动力学模型

根据研究的问题,图1表示出了基本模型的运动方程。

图1 车辆动力学模型

车辆动力学模型可以描述如下:

其中是轮胎纵向力;是轮胎横向力,取决于垂直载荷和滑移角;表示滚动阻力;是两个前轮胎之间的距离;表示迎风阻力;表示其关于质心的偏转惯性;是轮胎的转动惯量;A是迎风面积;a是质心和前轴之间的距离;B是质心和后轴之间的距离;G是车辆重量;g是由于重力的加速度;delta;是前转向角;是车轮旋转阻力矩;omega;是车轮偏航速度;是电动机再生制动转矩;是摩擦制动转矩;是迎风阻尼系数。

2.2电机模型

大多数混合动力电动车辆采用常规制动系统和再生制动系统。传统的制动系统通常包括由液压系统选择性制动的摩擦鼓或盘式制动组件。再生制动系统利用电动机,向驱动轮提供负转矩,并将动能转换为电能以对电池或电源再充电。现代电驱动电机是具有基于微处理器的控制器,先进的电力电子设备和复杂的控制算法的复杂系统。在本文中,电机的类型是永磁同步电机。其模型基于实验数据,如转矩特性,效率特性等。

在电动机再生制动模式期间,存在影响再生制动转矩的多个因素,包括电池荷电状态(SOC),电动机速度和电动机温度。

关于电池充电状态,Ksoc定义为再生制动转矩的电池充电状态影响因子。SOCh1和SOCh2是其阈值。其定义如下:

对于电机速度,,表示再生制动转矩的电机速度影响因子。和是其阈值。其定义如下:

关于电机温度,热指数可用于表示电机的输出转矩超过连续转矩曲线的事实,热指数将越大,直到其达到1,并且输出转矩越差到连续转矩曲线,热指数将越小,直到其达到0。其定义如下:

其中hc是电机的温升常数,Tmotor_cont是电机的连续转矩。

因此,电机的可用最大再生制动转矩Tmotor_reg_max应该是:

其中T Motor _ peak是电机峰值扭矩。 Im_max和U分别是最大电流和电压。

2.3轮胎模型

轮胎力的建模在确定车辆动态行为中起重要作用。一般来说,轮胎模型的研究可以分为两种不同的方法。一个是开发分析模型[9],另一个是建立半经验模型。最新的半经验轮胎模型为PACEJKA [10]的幻想公由于其方便性和准确性,故在本研究中使用。

轮胎摩擦力计算的重要量是车轮垂直载荷Fzij,其是车辆静态载荷和动态载荷传递的函数。它可以表示如下:

其中和是车辆纵向和横向加速度。,,和分别是前左,前右,后左和后右车轮的车轮垂直载荷,它们是加速度和垂直力之间的瞬时关系。不考虑悬浮效应。

轮胎横向力计算取决于车轮垂直载荷和滑移角,每个车轮的滑移角计算如下:

其中,,,和分别是前左,前右,后左和后右车轮的车轮纵向速度。

在本文中,不考虑驱动转矩,因此纵向车轮滑移是:

粘附系数的精确确定对于确定从动轮的当前工作点是关键的。所以根据以下等式计算每个从动轮的:

其中k是车辆驱动轴的弹簧刚度;是电机速度的积分;是差速器和变速器的组合齿轮比;和是右侧速度的积分和左驱动轮;是车轮惯性;是电机轴和车轮之间的阻尼率。对于轴承,是电机速度;是右驱动轮的速度;是速度左驱动轮;是被监测的从动轮的速度的时间导数,即从动轮加速率。

2.4再生制动和防抱死制动系统的协调方法

在具有低摩擦系数的驱动表面上可以启动ABS控制系统,因为所需的制动转矩不足。 当ABS系统活动时,再生制动器关闭,将车轮从驱动轨道脱开,并保护正常的ABS功能。

当ABS控制终止时,有利的是再生制动器。然而这将再次使总制动功率转移到驱动轴,并且可能发生从液压防抱死制动到电动机再生制动的永久循环。这种情况会使驾驶员感到不舒服并且对驾驶稳定性具有不利影响。为了克服上述缺点,应协调再生制动和防抱死制动(参见图2)。

图2 再生制动和防抱死制动的合作

(ABS enabled:ABS启用 Timerhellip;expired:计时器hellip;过期

Do not stop:不要停止 Timerhellip;run:计时器hellip;运行)

首先,在进入ABS控制之前的部分制动范围中,通过再生制动实现由发电机预定的最大值的要求制动功率。任何超过需求都将通过车轮制动器实现。

其次,在进入ABS控制时,再生制动器被停用。所要求的制动功率通过ABS控制中的车轮制动器完全实现。

第三,在ABS控制结束之后,等待定时器停止运行。在此期间,再生制动器保持断开,类似于条件2。制动需求仅通过车轮制动器来实现。确定在ABS控制结束时,车轮制动液缸中的压力将其转换成制动扭矩并存储。

第四,在条件3结束时再生制动器再次接通。然而,制动转矩被限制。该极限以从0开始的预设梯度升高到在条件3中确定的在ABS控制结束时达到的驱动轴的制动转矩的限定部分。车轮制动器仍然需要制动力。在这种情况下,与ABS控制的结束相比,在车轴上的制动力分配不改变。新的ABS进入不可能具有未修改的边际条件,例如摩擦系数和制动需求。

第五,在条件4结束时,再生制动器的制动转矩的极限继续低地上升,直到达到发电机预定的最大值。车轮制动器产生超过最大值的制动功率。在这种情况下,到车轴的制动力分配逐渐移回到驱动轴。新的ABS进入可以具有未修改的边际条件,例如摩擦系数和制动需求。

最后,在条件5期满时,再生制动器再次完全启动。因此,再次恢复条件1。

为了避免永久循环,运行次数限制如下:

a)在条件5中具有新的ABS条目时,在下一个运行期间在条件4中停止,其不再转换到条件5。因此,再生制动的制动转矩的极限保持在条件4中达到的值。

b)在条件4中具有新的ABS条目时,在下一个运行期间在条件3中停止,其不再转换到条件4。

c)对于条件3中的新ABS条目,运行次数不受限制。不存在有害的再生制动的激活和去激活。

因此,在ABS输入之后,以下运行是可能的:1-2-3-4-5-1,1-2-3-4-5-2-3-4,1-2-3-4-2-3,1-2-3-4-5-2-3-4-2-3和1-2-3-2-3-2。当如上所述停止循环时,启动定时器。在长时间段期满时,或者当驾驶员加速,或者不需要更多的制动转矩时,再次释放循环,即在其停止的点继续循环。周期被选择为长到使得可以假设驾驶员不再注意到相关性为干扰。

在本文中,混合防抱死制动系统是一个具有从属控制器,防抱死制动的液压模糊控制器作为低级模块的两层控制结构。

滑移率lambda;是整个车辆模型中的输出参数之一。通常滑移率lambda;用于评估“滑移”。在本文中,模糊逻辑控制基于在期望的滑移率和实际信号之间的误差e以及基于误差的变化Delta;e创建二维规则表。控制器接收信号e和Delta;e作为输入,并产生液压变化作为输出,以控制液压制动系统。

将滑移率误差e定义为e =,其中是车辆滑移率,是期望的车辆滑移率。

为了在滑移率满足期望的车辆滑移率的同时沿着期望的轨道驱动车辆,控制动作必须将液压制动的行为强加为由slip_ratio_error和error_change量化的其实际状态的函数。在经验和要求的基础上,输入和输出的隶属函数被选择为高斯函数。

语言变量slip_ratio_error具有七个语言术语,而error_change具有七个语言术语,导致可以实现的最大数量的49个术语。用于控制车辆的规则具有一般格式:if(slip_ratio_error,error_change)then(hydraulic_change)。

输出变量hydraulic_change的去模糊化方法是区域中心。规则列于表1。

表1 模糊控制法规则

(hydraulic_change:液压变换 slip_ratio_error:滑移率错误

error_change:错误变化)

3模拟结果

进行模拟以确认所提出的控制器的有效性。表2显示了模拟中的参数。

表2 模拟参数

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参数

数值

汽车质量 m/kg

1080

车轮惯性

1.1858

车轮半径 r/m

0.304

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