纯电动汽车再生制动充电安全与制动稳定性研究

【摘要】：纯电动汽车由于结构简单、零排放以及高能量利用率等特点在新能源汽车的高速发展中占据重要地位。能量管理技术是纯电动汽车发展的关键技术之一,而再生制动的能量回收功能可以提高整车经济型、延长续驶里程,是能量管理的重要环节。再生制动控制是一个涉及电池充电安全、车辆制动稳定性以及能量回收率等多目标条件下的动态过程,其研究目标是实现整车制动安全前提下的能量回收最大化。纯电动汽车再生制动充电安全与制动稳定性研究在国内外尚属前沿,论文结合重庆市自然科学基金重点项目“电动汽车动力传动系统匹配优化与综合控制”(2011BA3019)和长安汽车公司密切合作,以纯电动汽车为研究对象,围绕纯电动汽车的再生制动电池温度控制、能量回收最大化与制动稳定性协调控制算法展开研究。研究内容主要涉及制动力分配与高效能量回收、电池充电安全控制以及再生制动与ABS/ESP协调稳定性控制三个方面。论文的主要内容包括:①在分析再生制动能量回收影响因素的基础上,提出了基于理想制动力分配原则的制动力分配方法。这些影响因素包括制动力分配关系、制动稳定性、制动强度以及电机和电池的影响。依据理想制动力分配原则设计了再生制动力与液压制动力分配方法,以及前后轮制动力分配方法,并确定了以能量回收率为再生制动能量回收能力的评价指标。②通过电机台架试验,得到了电机的工作效率特性,考虑电机发电效率对电机最大转矩进行约束;并对电机最大制动转矩进行了温度修正。基于电池的充放电试验,得到了由电池充电电流限制的电机最大制动力矩。采用遗传算法对电机、电池联合工作效率进行优化,得到了电机电池联合效率最优工作曲线,以实现最大化能量回收。在此基础上,研究了电池最大有效回收制动功率,采用智能优化算法,求解Pareto最优电机制动转矩值。③在分析电池的充放电内阻特性和开路电压特性的基础上,结合汽车行驶模型,建立了基于车辆行驶工况的电池生热模型,提出了充电电流主动控制的电池生热控制方法。将电池热模型与行驶模型结合,得到了车辆实时的电池动态热响应。行驶工况温度响应仿真结果表明再生制动对电池温升的影响主要取决于充电电流的大小和充电时间。设计了电机制动力分配系数模糊控制器,通过调节电机制动力分配系数改变充电电流,对电池温升进行控制。仿真结果表明,控制后的充电电流中,大电流比例减小,小电流比例增多,电池温度有明显降低。④建立了制动受力模型、滑移率模型、魔术轮胎纵向力学模型、液压制动系统模型以及制动器模型。提出了基于模型参考自适应滤波控制的驱动轮机电复合制动系统防抱死控制方法。为了保证较好的附着利用率,将制动力分配控制转化为滑移率分配控制。该控制方案使驱动轴电机制动力矩和液压制动力矩波动均较小,可使汽车获得更好的制动稳定性和平顺性,同时提高了能量回收率。⑤建立了九自由度弯道制动力学模型和纵横向魔术轮胎模型,得到了纵向与横向联合的轮胎力与滑移率的关系。提出了ESP与再生制动联合控制方法,设计了横摆力矩模糊控制器,求得了校正横摆力矩。将校正横摆力矩需求转化为作用在车轮的纵向制动力,进行再生制动力与摩擦制动力的分配,以调整车辆的不稳定趋势。最后,以协调控制器为中心,将电池系统、电机系统、以及ABS和ESP系统进行关联,提出了分散最优协调控制策略,该控制策略除能完成各自的分散最优控制功能之外,还能协调一致地工作,使全系统的总体性能指标最优。在保证制动稳定性的同时,使制动能量回收率及电池温升等方面都有一定程度的改善。 【关键词】：再生制动控制 电池温度 充电电流控制 防抱死控制 防侧滑控制
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72;U463.5
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 课题的提出11
• 1.3 课题的相关研究现状11-17
• 1.3.1 制动力分配与高效能量回收研究现状11-14
• 1.3.2 锂离子电池热管理研究现状14
• 1.3.3 汽车纵向稳定性控制研究现状14-16
• 1.3.4 汽车横向稳定性控制研究现状16-17
• 1.4 本文主要研究内容17-20
• 2 再生制动能量回收影响因素与制动力分配20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 再生制动能量回收评价指标20-23
• 2.3 再生制动能量回收影响因素分析23-28
• 2.3.1 制动力分配关系24-25
• 2.3.2 制动稳定性的影响25-26
• 2.3.3 制动强度z的影响26-28
• 2.3.4 电机与电池的影响28
• 2.4 制动系统制动力分配方法28-31
• 2.4.1 传统制动力分配方法28-30
• 2.4.2 本文制动力分配方法30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 基于电机电池联合效率最优的再生制动控制32-50
• 3.1 引言32
• 3.2 电机发电特性研究32-36
• 3.2.1 电机发电外特性分析33-35
• 3.2.2 电机温度补偿35-36
• 3.3 电池充电特性分析36-41
• 3.4 电机-电池联合效率优化41-46
• 3.4.1 电机-电池联合效率曲线41-43
• 3.4.2 基于遗传算法的联合效率优化43-46
• 3.5 电机电池联合效率最优的再生制动控制算法46-48
• 3.5.1 电机制动转矩优化46-47
• 3.5.2 电机电池联合效率最优的再生制动控制策略47-48
• 3.6 本章小结48-50
• 4 基于电池温度安全的再生制动控制50-66
• 4.1 引言50
• 4.2 电池组热模型50-54
• 4.3 基于车辆行驶工况的电池生热模型54-56
• 4.4 基于车辆行驶工况的电池生热控制56-65
• 4.4.1 充电电流主动控制方法56-59
• 4.4.2 基于模糊逻辑的充电电流控制59-61
• 4.4.3 特殊工况下的仿真分析61-65
• 4.5 本章小结65-66
• 5 机电复合制动系统纵向稳定性控制66-84
• 5.1 引言66
• 5.2 机电复合制动系统工作区66-67
• 5.3 机电复合制动系统建模67-72
• 5.3.1 制动时车辆纵向动力学模型67-68
• 5.3.2 制动时滑移率模型68-69
• 5.3.3 魔术轮胎纵向模型69-70
• 5.3.4 液压制动系统模型70-71
• 5.3.5 制动器模型71-72
• 5.4 机电复合制动系统防抱死控制72-78
• 5.4.1 机电复合制动系统制动力分配72-75
• 5.4.2 传统车辆车轮防抱死控制方法75-77
• 5.4.3 机电复合制动系统防抱死控制方案77-78
• 5.5 仿真结果分析78-82
• 5.5.1 液压制动防抱死仿真分析79-80
• 5.5.2 机电复合防抱死仿真分析80-82
• 5.6 本章小结82-84
• 6 机电复合制动系统横向稳定性控制84-100
• 6.1 引言84
• 6.2 弯道制动动力学建模84-89
• 6.2.1 整车动力学模型84-88
• 6.2.2 魔术轮胎纵横向联合建模88-89
• 6.3 ESP与电机联合横向稳定性控制89-94
• 6.3.1 ESP与电机联合控制方法89-91
• 6.3.2 横摆力矩模糊控制器设计91-93
• 6.3.3 任务分配逻辑93-94
• 6.4 仿真结果与分析94-99
• 6.5 本章小结99-100
• 7 制动系统最优分散协调控制100-108
• 7.1 前言100
• 7.2 最优分散协调控制策略100-102
• 7.3 制动系统最优分散协调控制策略102-103
• 7.4 仿真分析103-107
• 7.5 本章小结107-108
• 8 结论与展望108-110
• 8.1 全文总结108-109
• 8.2 本文主要创新点109
• 8.3 研究展望109-110
• 致谢110-112
• 参考文献112-120
• 附录120
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录120
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目120

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