基于Simulink-AMESim联合仿真

作者：王鹏宇 王庆年 胡安平 于远彬

欢迎访问e展厅 展厅 3 传动/转向/制动系统展厅 变速箱, 离合器, 制动系统... 摘 要：本文对混合动力客车制动力分配系数β的确定进行分析。在并行再生制动系统基础上，提出通过调节气压ABS调节单元来控制汽车机械制动力，以期改善混合动力客车制动力分配，提高制动稳定性，增加制动能量回收。本文建立了Simulink-AMESim联合仿真模型并进行仿真分析，仿真结果表明：这种再生制动系统可有效的提高汽车制动稳定性，增加制动能量回收。 关键词：混合动力客车 再生制动 AMESim 引言 混合动力城市公交车是目前公认的混合动力车主要应用车型，城市公交车主要工作在频繁起停的工况下，混合动力城市公交车将能够显著的提高燃油经济性，减少尾气排放，降低污染。再生制动[1]技术应用到混合动力汽车上将能够部分回收制动消耗在制动器上的能量，提高整车燃油经济性。就目前大多数混合动力汽车而言，机械制动与再生制动是并行的，这种再生制动系统存在着机械制动子系统常开，机械制动力不可控，制动能量回收有限，驱动轴容易提前抱死等问题。因此本文尝试在并行再生制动系统基础上，通过调节ABS调节单元来控制机械制动力从而提高再生制动系统性能。 １ 并行再生制动系统 如图1所示为混合动力客车的并行再生制动系统制动控制策略[2][3]，这种制动力分配控制策略在传统汽车定比例制动力分配控制策略思想的基础上发展起来的，具有控制系统简单，可靠性高，容易实现等优点是一种应用价值很高的制动力分配控制策略。但是这种控制策略下制动力分配曲线高于I曲线，在附着系数低的路面上容易发生后轮先抱死的不稳定工况，同时为了尽可能提高制动稳定性，后轮再生制动力被控制在较小的范围，限制了再生制动能量的回收。如果可以通过简单的调解机构控制驱动轴机械制动力，使再生制动力起作用后的制动力分配曲线沿原有的制动力分配曲线β线分配。将提高整车的制动稳定性，同时提高再生制动能量回收率。 2 混合动力客车制动力分配 对于混合动力客车而言，后轴为驱动轴，其制动力由机械制动力与再生制动力共同提供。增大后轴制动力可以提高再生制动力的利用，但是过分增大会导致后轴先抱死的不稳定工况。因此合理的分配混合动力客车前后轴制动力将可以在回收制动能量的同时保证汽车的制动稳定性。为保证制动时的汽车的方向稳定性和有足够的附着效率，联合国欧洲经济委员会制定的ECE制动法规对双轴汽车的前、后轴制动力提出了明确的要求。由ECE法规对货车制动力分配要求[4]，得如下不等式组： β≥(b+zhg)/L（z=0.15～0.3）（1） β≥1-(z+0.07)(a-zhg)/(0.85zL)（z=0.2～0.8）（2） β≤(z+0.07)(b+zhg)/(0.85zL) （z=0.2～0.8）（3） 其中β为制动力分配系数，a 、b为质心到前后轴距离，L为轴距，hg为质心高度，z为制动强度。 将上述不等式绘制成图如图2所示。图中A 线和B 线分别称为上控制线和下控制线，C线称为抱死顺序控制线，也可以称为第二下控制线。从图中可以看出只有β在上下控制区域内（在虚线区域内）才满足ECE 法规。 由于混合动力客车是后轴驱动的，再生制动力作用在后轴上，考虑混合动力客车制动力分配时，应使β尽量小，可以更多的利用再生制动力，提高能量回收。因此只需确定β下限即可。如图当z=0.3 时，由式(1)得到的β值为满足ECE 法规的第二下控制线的最大值，此值就应为混合动力客车β值的下限βmin。这样混合动力客车进行制动力分配时，就可以尽量使用后轴再生制动力，但β不能低于βmin即： β= Fu1 /Fu2+Fr>βmin=(b+0.3hg)/L （4） 本文按照这样的制动力分配系数确定方法进行仿真分析，结果表明这种分配方法可在中小制动强度有效的保证汽车制动稳定性而在大制动强度下会发生后轴先抱死的不稳定工况，如图3所示在湿沥青路面（附着系数0.65）进行大制动强度制动（制动踏板开度65%）的仿真结果。后轴先于前轴抱死是由于大制动强度下发生轴荷转移，前轴轴荷增大而后轴轴荷减小所致。因此这种分配系数确定方法并不理想。 由理想的前后轴制动力分配公式，可以得到理想的制动力分配系数为： β= Fu1/Fu= (b+zhg)/L （4） 将上式画入制动力分配系数对应制动强度关系图得到图4 。图4中E,D线为空载，满载的理想制动力分配系数对应制动强度关系曲线。可以看出抱死顺序控制线C即为满载理想制动力分配系数对应制动强度关系曲线D在制动强度z=0.1-0.3上的一段。处于D线上方的点总是前轮优先后轮抱死。从图4可以看出上文确定的制动力分配系数βmin只能保证在制动强度z小于0.3g的情况下前轮先于后轮抱死，而在大制动强度下并不能保证汽车的制动稳定性。理想的制动力分配系数β值边界应根据制动强度的不同而改变如图中D线,D线上方的点为保证汽车制动稳定性的工作点。采集制动踏板开度信号是混合动力汽车的发展趋势。因此按图中D线分配客车制动力是可以实现的。从图中可以看到空载的理想制动力分配系数E线在D线下方，而汽车部分载荷的理想制动力分配系数应该介于D线与E线之间，因此D线上方的点高于空载和部分载荷汽车理想制动力分配系数对应制动强度关系曲线，可以保证前轴先于后轴抱死。 如图5所示为在同样条件下，根据理想制动力分配曲线进行制动力分配的仿真结果，前后轴均不抱死。 3 建模与分析 3．1ABS 调节单元工作原理 为提高汽车的安全性，我国规定12t以上的客车要求安装ABS系统。大型商用车的制动系统大多是气压制动系统，在其上使用的ABS系统是气压ABS系统。气压ABS系统由轮速传感器、电子控制单元和压力调节单元等组成。 ABS控制器根据各车轮转速传感器输入的车轮转速信号对车轮的运动状态进行监测，在防抱死制动过程中， ABS控制器根据各车轮的运动状态可以发出减小、保持或增大车轮所处控制通道制动压力的控制指令，再根据控制指令驱动相应制动压力调节装置中的电磁阀，实现对相应控制通道的制动压力调节。 本文尝试利用客车原有的ABS压力调节装置来调节制动管路压力，实现对驱动轴制动力的控制。如图6所示为带有ABS的制动系统，在其驱动轴制动管路加装压力传感器，并建立ABS控制器——车辆控制器通信通道。 如图7所示，本文将气压ABS压力调节单元简化为由两个电磁开关阀组成，车辆控制器通过计算得到制动管路目标压力，向ABS控制器发出命令控制两个电磁阀的开关，最终实现机械制动力的控制。 3．2压力调节单元的建模 压力调节单元采用AMESim软件进行建模，AMESim软件是世界公认的一流仿真平台，在工程领域应用广泛。基于此软件建立制动系统ABS调节单元模型[5]的具有更高的准确性。如图8所示，为客车制动系统的仿真模型，此模型包含的所有子模块均为AMESim模型库中自带的子模型。模型可模拟四个制动气室中制动压力随ABS开关阀调节的变化过程。ABS开关阀的开关命令由Simulink模型发出，并由压力传感器模块向Simulink模型回馈制动气室制动压力信号。 3．3制动系统仿真模型 本文在Simulink环境下建立客车制动过程仿真模型，主要包括制动力控制模块，再生制动力计算模块，电机模型[6]，电池模型，车辆动力学仿真模块[7]，以及AMESim模型。图9所示为仿真模型的控制逻辑图。 制动力控制模块根据驾驶员命令，驱动轴再生制动力分配情况计算制动气室目标压力，向AMESim模型中的压力调节元件发出控制命令，实现机械制动力的控制。车辆动力学仿真模块根据AMESim模型回馈的制动缸压力信号，电机工作情况计算出前后轴制动力，进一步计算各车轮转速，客车车速等。 4．Simulink-AMESim联合仿真 本文在上述搭建的联合仿真模型中，分别对并行式再生制动系统与加入ABS调节的再生制动系统进行仿真模拟。如图10，图11分别为两种制动系统在湿土路面上，中等制动强度下进行制动的仿真结果。经过计算可知该工况为前轴抱死，后轮不抱死的特定情况。图10为并行制动系统仿真结果，再生制动力作用时，驱动轴制动力为再生制动力与摩擦制动力之和，超过了道路附着极限，因此在2.3s时后轴抱死，再生制动力停止作用。图11为加入ABS调节的制动系统的仿真结果，可以看出由于ABS调节单元的控制作用后轴制动力并没有因为再生制动力参与作用而增加，因此后轮并没有抱死，再生制动力一直作用，回收了更多的能量。而且制动时间更短。 在不同的路面条件以及制动强度要求（制动踏板开度）下进行多次仿真，表1，为三种制动系统仿真结果。可以看出，加入ABS调节的再生制动系统在不同路面条件，极限制动强度下均表现出与传统制动系统相当的制动能力，均未丧失制动稳定性。同时回收的制动能量远远高于并行再生制动系统。仿真结果表明本文提出的再生制动系统相比并行再生制动系统在制动稳定性以及制动能量回收能力上具有明显优势。 5．结论 (1)对混合动力客车再生制动控制策略的核心问题制动力分配系数的确定方法进行分析，提出一种基于理想制动力分配的制动力分配系数计算方法。 (2)针对目前再生制动系统的缺陷，本文提出了对目前广泛应用的再生制动系统的一种改进方案。 (3)在AMESim软件环境下建立带有ABS的气压制动系统模型，该模型可较真实的反映制动气室制动压力的动态变化情况。 (4)在Simulink-AMESim联合仿真模型基础上，对两种制动系统进行仿真分析，仿真结果表明：加入ABS调节单元调节机械制动力的再生制动系统在制动能量回收能力，制动稳定性等方面均优于并行再生制动系统。而且这种再生制动系统在原有ABS系统的基础上稍加改动就可以实现，实用性很强。 参 考 文 献 [1] 陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京理工大学出版社，2002. [2] Yimin Gao, Liping Chen，Mehrdad Ehsani. Investigation of the Effectiveness of Regenerative Braking for EV and HEV[J].SAE，1999，29(10). [3] 王鹏宇, 段幼华.并联式混合动力客车再生制动控制策略仿真研究[J].中国科技论文在线，2006. Wang Peng-yu, Duan You-hua. Simulation on Control Strategy for Regenerative Brake System of a Parallel Hybrid Bus[J].Sciencepaper Online,2006. [4] 张立军，朱 博，贾云雷.依ECE法规进行汽车制动力分配新方法[J]. 辽宁工程技术大学学报，2005,4 ZHANG Li-jun，ZHU Bo，JIA Yun-leiNew method for braking force distribution of automobile according to ECE regulation, 2005,4 [5] 郑智忠，王会义，祁雪乐.气压ABS压力调节单元的建模与分析[J].机床与液压，2005,8.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/22/2008)