CN106218419B - 一种前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法 - Google Patents

一种前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其特征在于：首先，检测制动踏板开度判定是否存在制动需求；然后，判断车速、电池组SOC和制动强度是否均满足再生制动控制开启条件；之后，建立前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型，并求解得出Tbf和Tbr。本发明控制方法能保证前后轴驱动电动汽车在制动过程安全、稳定的同时最大限度地回收制动能量，进一步延长电动汽车的行驶里程。

Description

一种前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车再生制动技术领域，更具体地说，涉及一种前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法。
背景技术
电动汽车最重要的特点之一就是能够对制动能量进行回收，制动能量的回收有利于进一步提高能源利用率，延长电动汽车的行驶里程。电动汽车的再生制动系统不仅需要满足车辆减速时的制动性能要求，还要求能尽可能多地回收制动能量。
再生制动的控制涉及两个基本的问题：1)控制策略根据期望的总制动力需求，如何在再生制动和机械摩擦制动之间进行合理分配，以回收尽可能多的制动能量；2)控制策略如何在前后轮上合理分配总需求制动力，以达到稳定、安全的制动过程的目的。
目前电动汽车的再生制动过程大多采用简单逻辑的门限控制，依据制动强度的不同门限值来对再生制动转矩进行简单的分配。这种方法只能回收一小部分的能量，无法充分发挥电动汽车回收制动能量的能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种既可保证汽车制动过程安全和稳定，又可最大化回收制动能量，可延长电动汽车行驶里程的前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，检测制动踏板开度，直至制动踏板开度＞0；
第二步，采集整车状态信息；所述整车状态信息包括车速、前轴驱动电机的当前转速nf、后轴驱动电机的当前转速nr、电池组SOC、制动踏板开度和开度变化率；
根据整车状态信息，判断车速、电池组SOC和制动强度是否均满足再生制动控制开启条件：若均满足，则进入第三步；否则跳至第一步；
第三步，以前轴制动力Fbf为横坐标、后轴制动力Fbr为纵坐标生成机械摩擦制动与再生制动分配关系图；所述机械摩擦制动与再生制动分配关系图中包括I曲线、ECE线、β线和ax线；其中，I曲线为前后轴理想制动力分配曲线，ECE线为前后轴安全制动力分配关系曲线，β线为前后轴机械摩擦制动力固有分配线，ax线为等减速度线；
第四步，采集制动油缸压力值得到机械制动总制动力Fb；根据机械制动总制动力Fb计算前轴机械摩擦制动力Fbf_m和后轴机械摩擦制动力Fbr_m：
Fb＝Fbf_m+Fbr_m
其中，β为前轴机械摩擦制动力与后轴机械摩擦制动力的固有分配系数；
根据制动踏板开度选取ax线；在所述机械摩擦制动与再生制动分配关系图中生成点a、点b和点c：点a是横坐标为前轴机械摩擦制动力Fbf_m、纵坐标为后轴机械摩擦制动力Fbr_m的点；点b是过点a的水平延长线与所选取的ax线的交点；点c是所选取的ax线与I曲线的交点；
设定点c的纵坐标值为后轴最大制动力FIy、点c的横坐标值为前轴最小制动力FIx；判断点b是否位于ECE线下方：若是，则设定ECE线与所选取的ax线的交点的横坐标为前轴最大制动力Fmz；否则设定点b的横坐标值为前轴最大制动力Fmz；
第五步，建立前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型：
其中，Tbf为前轴驱动电机的再生制动转矩；Tbr为后轴驱动电机的再生制动转矩；ηbf为前轴驱动电机在当前转速nf和转矩下的运行效率；ηbr为后轴驱动电机在当前转速nr和转矩下的运行效率；Tbf_max为前轴驱动电机在当前转速nf下能够提供的最大制动转矩；Tbr_max为后轴驱动电机在当前转速nr下能够提供的最大制动转矩；Pch为电池组最大允许充电功率；if为前轴的减速比；ir为后轴的减速比；r为轮胎半径；
对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解得出Tbf和Tbr；
第六步，将Tbf和Tbr分别传送给前轴驱动电机驱动器和后轴驱动电机驱动器，前轴驱动电机驱动器和后轴驱动电机驱动器分别对前轴驱动电机和后轴驱动电机进行转矩控制。
本发明控制方法在车速、电池组SOC和制动强度均满足再生制动控制开启条件时才启动再生制动能量回收，可提高回收效率。为保证制动过程的安全和稳定，本发明控制方法结合了电动汽车对制动性能的要求，对制动力在前后轴的分配关系进行约束；利用牛顿力学定律计算出前后轴制动力的理想分配关系，用于对前后轴制动力分配关系进行上限约束；利用ECE法规对前后轴制动力分配关系进行下限约束；使施加在前后轴的制动力分配关系处于理想制动力曲线和ECE制动力分配关系曲线之间，从而实现汽车稳定制动。充分考虑了前后轴驱动电动汽车的结构特点和系统的工作效率，建立起以制动能量回收效率为目标的优化模型。本发明可使所述电动汽车在保证制动过程安全、稳定的同时回收尽可能多的制动能量，进一步延长电动汽车的行驶里程。
进一步地，所述I曲线的计算式为：
其中，Fbzf为前轮载荷；Fbzr为后轮载荷；Lb为电动汽车重心与前轮之间的距离；La为电动汽车重心与后轮之间的距离；axi为电动汽车制动时的减速度；h为电动汽车重心距地面高度；g为重力加速度；
所述ECE线的计算式为：
Fbr＝[0.1+0.85(μ-0.2)]·mGg-μFbzf
Fbf＝μ·Fbzf
其中，μ为路面摩擦系数；mG为电动汽车质量；L为前轮与后轮之间的距离，L＝La+Lb；
所述β线的计算式为：
所述ax线的计算式为：
优选地，判断车速是否满足再生制动控制开启条件是指，判断车速与车速阈值之间的大小：若车速≥车速阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件；
判断电池组SOC是否满足再生制动控制开启条件是指，判断电池组SOC与电池组SOC阈值之间的大小：若电池组SOC＜电池组SOC阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件；
判断制动强度是否满足再生制动控制开启条件是指，分别判断制动踏板开度的大小和开度变化率的大小：若开度下限阈值≤制动踏板开度≤开度上限阈值，且开度变化率≤变化率阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件。
设计人员根据电动汽车特性设定车速阈值、电池组SOC阈值和制动强度阈值。当车速低于车速阈值时再生制动能量回收效率较低，不进行再生制动；当电池组SOC超过电池组SOC阈值时，为避免过充而对电池组使用寿命造成影响，不进行再生制动；当制动踏板开度幅度过小时，判定为小制动，再生制动能量回收效率较低，不进行再生制动；当制动开度幅度过大，或开度变化率过大时，判定驾驶员需要紧急制动，为避免对电动汽车ABS系统产生干扰，不进行再生制动，以保证制动过程的安全。只有当车速、电池组SOC和制动强度均满足判断条件时，再生制动功能才开启；有利于提高再生制动回收能量效率，延长电池组使用寿命，避免对电动汽车ABS系统造成干扰，提升制动安全性能。
优选地，所述车速阈值为10km/h；所述电池组SOC阈值为0.8。
优选地，所述第五步中，对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解，是指利用软件MATLAB的优化工具箱对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
本发明控制方法能保证前后轴驱动电动汽车在制动过程安全、稳定的同时最大限度地回收制动能量，进一步延长所述电动汽车的行驶里程。
附图说明
图1是本发明控制方法的流程图；
图2是本发明控制方法中电动汽车在制动过程中的受力示意图；
图3是机械摩擦制动与再生制动分配关系图；
图4是采用了本发明控制方法和采用逻辑门限控制的同一电动汽车模型在UDDS综合测试工况下的电池组SOC对比结果。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本实施例前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其流程如图1所示；包括如下步骤：
第一步，检测制动踏板开度，直至制动踏板开度＞0；当制动踏板开度＞0时，判定驾驶员有制动需求，进入第二步；否则判定驾驶员没有制动需求，继续检测制动踏板开度；
第二步，采集整车状态信息；所述整车状态信息包括车速、前轴驱动电机的当前转速nf、后轴驱动电机的当前转速nr、电池组SOC、直流母线电压、制动踏板开度和开度变化率；其中，开度变化率可由传感器直接测出，也可由电位器测出不同时刻的制动踏板开度后换算而得；
根据整车状态信息，判断车速、电池组SOC和制动强度是否均满足再生制动控制开启条件：若均满足，则进入第三步；否则跳至第一步；
具体地说，判断车速是否满足再生制动控制开启条件是指，判断车速与车速阈值之间的大小：若车速≥车速阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件；
判断电池组SOC是否满足再生制动控制开启条件是指，判断电池组SOC与电池组SOC阈值之间的大小：若电池组SOC＜电池组SOC阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件；
判断制动强度是否满足再生制动控制开启条件是指，分别判断制动踏板开度的大小和开度变化率的大小：若开度下限阈值≤制动踏板开度≤开度上限阈值，且开度变化率≤变化率阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件。
设计人员根据电动汽车特性设定车速阈值、电池组SOC阈值和制动强度阈值。当车速低于车速阈值时再生制动能量回收效率较低，如果此时进行再生制动能量回收，除了电机工作效率低下，不但回收的能量很少，还容易造成车辆行驶的不稳定，影响驾驶的舒适性，因此此时不进行再生制动；当电池组SOC超过电池组SOC阈值时，为避免过充而对电池组使用寿命造成影响，不进行再生制动；当制动踏板开度幅度过小时，判定为小制动，再生制动能量回收效率较低，不进行再生制动；当制动开度幅度过大，或开度变化率过大时，判定驾驶员需要紧急制动，为避免对电动汽车ABS系统产生干扰，不进行再生制动，以保证制动过程的安全。只有当车速、电池组SOC和制动强度均满足判断条件时，再生制动功能才开启；有利于提高再生制动回收能量效率，延长电池组使用寿命，避免对电动汽车ABS系统造成干扰，提升制动安全性能。优选地，所述车速阈值为10km/h；所述电池组SOC阈值为0.8。
第三步，以前轴制动力Fbf为横坐标、后轴制动力Fbr为纵坐标生成机械摩擦制动与再生制动分配关系图，如图2所示；所述机械摩擦制动与再生制动分配关系图中包括I曲线、ECE线、β线和ax线；其中，I曲线为前后轴理想制动力分配曲线，ECE线为前后轴安全制动力分配关系曲线，β线为前后轴机械摩擦制动力固有分配线，ax线为等减速度线；
如图2所示的电动汽车在制动过程中的受力示意图，所述I曲线的计算式为：
其中，Fbzf为前轮载荷；Fbzr为后轮载荷；Lb为电动汽车重心与前轮之间的距离；La为电动汽车重心与后轮之间的距离；axi为电动汽车制动时的减速度；h为电动汽车重心距地面高度；g为重力加速度；Lb、La和h分别通过对电动汽车相应位置测量得出；axi通过安装在电动汽车车身上的三轴加速度传感器检测获得；
所述ECE线的计算式为：
Fbr＝[0.1+0.85(μ-0.2)]·mGg-μFbzf
Fbf＝μ·Fbzf
其中，μ为路面摩擦系数，为设计人员根据道路的已知路面摩擦系数来设定；mG为电动汽车质量，通过对电动汽车进行测量得出；L为前轮与后轮之间的距离，L＝La+Lb；
所述β线的计算式为：
其中，β为前轴机械摩擦制动力与后轴机械摩擦制动力的固有分配系数，β为从制动系统制造商处获取。
所述ax线的计算式为：
当驾驶员操作制动踏板开度恒定时，可认为此时驾驶员需求的制动减速度为一个定值axi，由此可计算出在该制动减速度下的前后轮制动力分配关系，分配关系的计算式如下：
Fbr＝-Fbf+axi·mG
根据上式计算结构绘制的曲线即为等减速度线，当axi取不同的值时，可绘制出一簇等减速度线，如图3中所示的ax线。
第四步，通过安装在电动汽车制动主油缸的压力传感器采集制动油缸压力值得到机械制动总制动力Fb；根据机械制动总制动力Fb计算前轴机械摩擦制动力Fbf_m和后轴机械摩擦制动力Fbr_m：
Fb＝Fbf_m+Fbr_m
其中，β为前轴机械摩擦制动力与后轴机械摩擦制动力的固有分配系数；
根据制动踏板开度选取ax线；在所述机械摩擦制动与再生制动分配关系图中生成点a、点b和点c：点a是横坐标为前轴机械摩擦制动力Fbf_m、纵坐标为后轴机械摩擦制动力Fbr_m的点；点b是过点a的水平延长线与所选取的ax线的交点；点c是所选取的ax线与I曲线的交点；
设定点c的纵坐标值为后轴最大制动力FIy、点c的横坐标值为前轴最小制动力FIx；判断点b是否位于ECE线下方：若是，则设定ECE线与所选取的ax线的交点的横坐标为前轴最大制动力Fmz；否则设定点b的横坐标值为前轴最大制动力Fmz；
本发明控制方法结合了电动汽车对制动性能的要求，对制动力在前后轴的分配关系进行约束；利用牛顿力学定律计算出前后轴制动力的理想分配关系，用于对前后轴制动力分配关系进行上限约束；利用ECE法规对前后轴制动力分配关系进行下限约束；使施加在前后轴的制动力分配关系处于理想制动力曲线和ECE制动力分配关系曲线之间，从而实现汽车稳定制动。
第五步，建立前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型：
其中，Tbf为前轴驱动电机的再生制动转矩；Tbr为后轴驱动电机的再生制动转矩；Tbf和Tbr均为自变量；ηbf为前轴驱动电机在当前转速nf和转矩下的运行效率，可通过对前轴驱动电机的效率MAP图进行查表得到，所述效率MAP图可从电机厂家处获得或预先通过实验测出；ηbr为后轴驱动电机在当前转速nr和转矩下的运行效率，可通过对后轴驱动电机的效率MAP图进行查表得到；Tbf_max为前轴驱动电机在当前转速nf下能够提供的最大制动转矩，由前轴驱动电机的特性决定；Tbr_max为后轴驱动电机在当前转速nr下能够提供的最大制动转矩，由后轴驱动电机的特性决定；Pch为电池组最大允许充电功率，由电池组的特性决定，可从电池制造商处获得；if为前轴的减速比，由电动汽车制造商给出；ir为后轴的减速比，由电动汽车制造商给出；r为轮胎半径，通过测量轮胎获得；
对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解得出Tbf和Tbr；
优选地，对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解，是指利用软件MATLAB的优化工具箱对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解。
第六步，将Tbf和Tbr分别传送给前轴驱动电机驱动器和后轴驱动电机驱动器，前轴驱动电机驱动器和后轴驱动电机驱动器分别对前轴驱动电机和后轴驱动电机进行转矩控制。
本发明控制方法的好处是：在车速、电池组SOC和制动强度均满足再生制动控制开启条件时才启动再生制动能量回收，可提高回收效率。为保证制动过程的安全和稳定，本发明控制方法结合了电动汽车对制动性能的要求，对制动力在前后轴的分配关系进行约束；利用牛顿力学定律计算出前后轴制动力的理想分配关系，用于对前后轴制动力分配关系进行上限约束；利用ECE法规对前后轴制动力分配关系进行下限约束；使施加在前后轴的制动力分配关系处于理想制动力曲线和ECE制动力分配关系曲线之间，从而实现汽车稳定制动。充分考虑了前后轴驱动电动汽车的结构特点和系统的工作效率，建立起以制动能量回收效率为目标的优化模型。本发明可使所述电动汽车在保证制动过程安全、稳定的同时回收尽可能多的制动能量。
针对mG为2130kg，L为2.83m，Lb为1.35m，La为1.48m，h为0.45m，前轮距1.57m，后轮距1.56m，轮胎规格225/65R17的前后轴驱动电动汽车进行验证。所述前后轴驱动电动汽车配备的前后轴驱动电机功率都为40kw，配置的电池组容量为60Ah，前后轴的主减速比为2.3。验证测试在UDDS(城市道路循环)综合测试工况下进行，综合测试工况能够模拟汽车在城市道路行驶中的频繁启动、加速、减速和停止工况，历时1370s。对使用了本发明控制方法的前后轴驱动电动汽车模型和使用简单逻辑门限控制的前后轴驱动电动汽车模型进行对比验证，并对比考察循环工况测试结束后各自的电池组SOC情况。
UDDS综合测试工况对比实验的结果如图3所示，从图3的结果可知，采用了本发明控制方法的电动汽车模型，在测试结束时，其电池组SOC比采用逻辑门限控制的同一电动汽车模型的电池组SOC高，即消耗的总电量低，能够进一步延长所述电动汽车的行驶里程。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，检测制动踏板开度，直至制动踏板开度＞0；
第二步，采集整车状态信息；所述整车状态信息包括车速、前轴驱动电机的当前转速nf、后轴驱动电机的当前转速nr、电池组SOC、制动踏板开度和开度变化率；
根据整车状态信息，判断车速、电池组SOC和制动强度是否均满足再生制动控制开启条件：若均满足，则进入第三步；否则跳至第一步；
第三步，以前轴制动力Fbf为横坐标、后轴制动力Fbr为纵坐标生成机械摩擦制动与再生制动分配关系图；所述机械摩擦制动与再生制动分配关系图中包括I曲线、ECE线、β线和ax线；其中，I曲线为前后轴理想制动力分配曲线，ECE线为前后轴安全制动力分配关系曲线，β线为前后轴机械摩擦制动力固有分配线，ax线为等减速度线；
第四步，采集制动油缸压力值得到机械制动总制动力Fb；根据机械制动总制动力Fb计算前轴机械摩擦制动力Fbf_m和后轴机械摩擦制动力Fbr_m：
Fb＝Fbf_m+Fbr_m
其中，β为前轴机械摩擦制动力与后轴机械摩擦制动力的固有分配系数；
根据制动踏板开度选取ax线；在所述机械摩擦制动与再生制动分配关系图中生成点a、点b和点c：点a是横坐标为前轴机械摩擦制动力Fbf_m、纵坐标为后轴机械摩擦制动力Fbr_m的点；点b是过点a的水平延长线与所选取的ax线的交点；点c是所选取的ax线与I曲线的交点；
设定点c的纵坐标值为后轴最大制动力FIy、点c的横坐标值为前轴最小制动力FIx；判断点b是否位于ECE线下方：若是，则设定ECE线与所选取的ax线的交点的横坐标为前轴最大制动力Fmz；否则设定点b的横坐标值为前轴最大制动力Fmz；
第五步，建立前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型：
其中，Tbf为前轴驱动电机的再生制动转矩；Tbr为后轴驱动电机的再生制动转矩；ηbf为前轴驱动电机在当前转速nf和转矩下的运行效率；ηbr为后轴驱动电机在当前转速nr和转矩下的运行效率；Tbf_max为前轴驱动电机在当前转速nf下能够提供的最大制动转矩；Tbr_max为后轴驱动电机在当前转速nr下能够提供的最大制动转矩；Pch为电池组最大允许充电功率；if为前轴的减速比；ir为后轴的减速比；r为轮胎半径；
对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解得出Tbf和Tbr；
第六步，将Tbf和Tbr分别传送给前轴驱动电机驱动器和后轴驱动电机驱动器，前轴驱动电机驱动器和后轴驱动电机驱动器分别对前轴驱动电机和后轴驱动电机进行转矩控制。
2.根据权利要求1所述的前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其特征在于：所述I曲线的计算式为：
其中，Fbzf为前轮载荷；Fbzr为后轮载荷；Lb为电动汽车重心与前轮之间的距离；La为电动汽车重心与后轮之间的距离；axi为电动汽车制动时的减速度；h为电动汽车重心距地面高度；g为重力加速度；
所述ECE线的计算式为：
Fbr＝[0.1+0.85(μ-0.2)]·mGg-μFbzf
Fbf＝μ·Fbzf
其中，μ为路面摩擦系数；mG为电动汽车质量；L为前轮与后轮之间的距离，L＝La+Lb；
所述β线的计算式为：
所述ax线的计算式为：
3.根据权利要求1所述的前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其特征在于：判断车速是否满足再生制动控制开启条件是指，判断车速与车速阈值之间的大小：若车速≥车速阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件；
判断电池组SOC是否满足再生制动控制开启条件是指，判断电池组SOC与电池组SOC阈值之间的大小：若电池组SOC＜电池组SOC阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件；
判断制动强度是否满足再生制动控制开启条件是指，分别判断制动踏板开度的大小和开度变化率的大小：若开度下限阈值≤制动踏板开度≤开度上限阈值，且开度变化率≤变化率阈值，则满足再生制动控制开启条件；否则不满足再生制动控制开启条件。
4.根据权利要求3所述的前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其特征在于：所述车速阈值为10km/h；所述电池组SOC阈值为0.8。
5.根据权利要求1所述的前后轴驱动电动汽车再生制动过程的控制方法，其特征在于：所述第五步中，对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解，是指利用软件MATLAB的优化工具箱对所述前后轴驱动电机再生制动转矩分配优化模型进行求解。
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