电动汽车制动力的分配分析及优化

1、电动汽车制动力的分配分析及优化薛咏梅，郝彩红，鲁凤杰（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）摘要：新能源汽车中，特别是电动汽车，因其节能环保的优势，是社会和国家相关部门提倡的重点，在私 人轿车中的比例也逐步增大。因此，当今对电动车的研究也更加深入，电动汽车的制动力分配作为电动汽 车安全性的主要内容，也是本文重点研究的方向。本文主要介绍电动汽车制动力分配特点，兼顾制动力分 配的制动系统能量回收以及制动力分配的相关理论曲线。并引入实际车型，通过其实际制动力分配曲线与 理想制动力分配曲线的对比来验证其制动力分配的合理性，根据对比结论分析制动力分配的特点。并对制 动力分配的优化方案进行介绍与展望

2、。通过整个体系的阐述，强调制动力分配的重要性以及对电动汽车制 动安全性、稳定性的意义，也是电动汽车今后发展的重要方向。为我们今后对电动汽车的研究奠定了一定 的基础。关键词：电动汽车制动；能量回收；制动力分配；分配优化The braking force of electric car distribution optimization analysisXUE Yong-Mei,HA0 Cai-Hong,LU Feng-JieSchool of automobile,Chang an University,Xi an,710064,ChinaAbstract: this article expou

3、nds the electric car braking force distribution optimization , chapter five written in full. Was the center of the braking energy recovery and the optimization of braking force distribution of two parts, the two parts is also a corresponding content. The first chapter focuses on the overview of the

4、electric car braking and research background; The second chapter mainly analyzes the braking energy recovery, recycling development present situation and the main methods of recycling and how to maximize the recovery of energy; The third chapter expounds the theory of braking force distribution, the

5、 theoretical basis of this is the fourth chapter; The fourth chapter mainly studies the optimal allocation of braking force, this is the ultimate goal of our research and results; The last chapter of this article has carried on the summary and prospect of the system. In this paper, based on the rese

6、arch of the electric car braking, based on the theory of braking force distribution optimization analysis to its, this paper expounds the current new technology of the car care point and deficiency, and on the analysis of the study and prospect.Key words: the electric car braking energy recovery, br

7、aking force distribution, distribution optimization1绪论新世纪以来，社会发展趋势使得电动汽车成为新时期轿车的主力之一。而且，当今能源 和环境问题更加严重，电动汽车因节能环保很占优势。而将电动汽车的制动能量回收与制动 力的分配相结合的优化设计，正是我们研究的重点。本文通过对制动系统能量回收和制动力 的优化分配策略两大体系内容的研究与分析，对电动汽车进行系统研究。进而实现电动汽车 的节能环保。本文的主要写作思路是：1.制动系统的能量回收。2.制动力优化分配策略。制 动系统构型，制动强度二次再分数学模型，优化过程及实例分析。2兼顾制动力分配的制动能

8、量回收同时，对电动汽车来说，制动力在优化分配的同时。还要考虑另一个重要的理论，就是 电动汽车制动能量的回收。因其靠电机驱动，没有内燃机提供动力，因此电动汽车需要回收 相应的制动能量以提高汽车行驶的动力性，而电动汽车能量的回收又与制动力的优化互不兼 容。因此，我们需要对两者做详细的分析。主要是制动力的分配原理，因为电动汽车没有内 燃机，故其动力性也是一个需要考虑在内的问题，我们不能只考虑制动力的优化分配，也要 兼顾制动能量的回收。制动系统能量回收是将汽车刹车时的能量存储于蓄电池，然后用于牵引驱动。回收制动 能量采用回馈制动。制动系统能量回收仅管节约了能源；但其中也不乏一些不足之处，如消 耗电能多

9、。因此，我们需要在原有基础上进行技术和设计上的改进和更加成熟，使能量回收 发挥更大的优势。电动汽车能量回收的基本原理是电动机的可逆性。即电机可以在发电机和电动机两种模 式切换，再将汽车的驱动和制动能量储存起来。3制动力分配及其合理性分析制动力的分配是制动系统制动的主要关注要点。如果制动力分配不恰当甚至是不可靠， 会使汽车在制动过程中因为发生制动不当等引起制动跑偏、甩尾等严重的问题。严重时，甚 至会引起严重的交通事故，其后果是不堪设想的。纯电动汽车稳定性要求稳定性要求，根据汽车稳定性的理论研究，汽车在制动过程中对其前后车轮的受力有如 下的条件是较为安全的：(1)第一为不发生后轴侧滑，避免后轮比前

10、轮先抱死或只有后轮抱死，这样的后果是危险I(2)同时，为保证转向能力，我们要减少前后车轮同时抱死或只有前轮先抱死。(3)最理想的情况是前后车轮均不抱死网。根据上述汽车制动时的稳定性要求，我们要研究三种制动力的特性曲线，从理论上应满 足汽车制动时的制动力的合理分配，以保持汽车制动的安全性能。前后制动力理想分配曲线如果汽车在制动时，分配到前后车轮的制动力能够保证前后车轮同时抱死的情况，这是 以前后车轮的制动力Fpl、Fp 2作为横纵坐标而制成的曲线称为理想制动力分配曲线，通常 称为I曲线1、较好的制动情况即为前后轴同时抱死的情况，应满足的条件为： TOC o 1-5 h z Fp1+Fp 2=(|

11、)G(3.1)Fp1 =(|)Fz1(3.2)Fp2=(|)Fz2(3.3)即前轮制动器制动力加后轮制动器制动力等于附着力。前后轴各自的制动器制动力等于其自身附着力即由(3.1)、 (3.2)、 (3.3)可得Fp 1/F 仙2 = Fz1/Fz2(3.4)而汽车制动时，其受力图如下图 3.1所示：图3.1汽车制动时受力分析则汽车受力情况为：Fz1=Fz10+mghg Z=mg(l2 +hg Z)(3.5)Fz2=Fz20-mghg Z=mg（, -hg Z）（3.6）由（3.4）、（3.5）、（3.6）联立可得： 兽J=l2+hgZ（3.7）F 仙 z ii-ngz又因为：Fp 1+Fp 2

12、=Fj=W Z（3.8）由（3.8）可得： 二2 =Z-FjL1（3.9）mg mg由（3.7）和（3.9）分别为函数，并以Fpk F2分别为横纵坐标，则可作出过原点和与 坐标轴呈45。角的两组直线，将这两条直线的交点以光滑的曲线联接， 就形成了理想制动力分 配曲线-I曲线11,如下图3.2所示：理想制动力分配曲线上，汽车前后轴同时抱死是较为理想的状态。这种抱死的状态，也 是我们所追求的，由I曲线可知，前后轮制动力之比不是一固定数值，而是不断不变化的。 根据这一理论，我们引入了一套如今通用的较为安全的装置即ABS防抱死控制系统，保持制动的安全性。实例分析制动力的分配是否复合制动性能的基本要求，

13、是汽车相关参数在考虑制动系统设计方面 的最终检验目的。因此，我们也可以利用制动力分配的相关数据模型，来验证已成型汽车的 设计的合理性，以及路面相关因素对制动性能的影响。汽车相关参数设计的合理性通过对制动力分配的理论研究，运用 I曲线，结合以下实例，分析制动力的分配。以下 为唐骏王子电动汽车的相关参数如下表 3.1所示：表3.1实例车型相关参数参数数值汽车质量 m/kg1220前轴到质心长度a/m1.010后轴到质心长度b/m1.464质心高度h/m0.553车轮半径r/m0.315电动机功率p/kw7.3(4000r/min 时)满载质量 m满/kg1650传动效率Y0.83主减速比i02.6

14、53变速器速比i1.335根据I曲线和B曲线的制作过程，如上述式 号5=制1 （3.7）、膂2=Z-Fmg 1（3.9）以及式F n 2 11-(J)hg,在不同附着系数下，将表格中的相应参数值带入。分别取不同附着系数的值，分别取Fpk F2为横纵坐标，按FQ逐渐增大的趋势随机取值，带入实际制动力分配 曲线公式可得如下4组数据：（5,6）、（10,8）、（25,14）、（30,15）。连接上述各点，模 拟实际制动力分配曲线可得如下图 3.5 , B为实际参数经实际制动力分配的公式计算制成的制 动力分配曲线，由下图3.5和图3.3 （即实际制动力分配曲线图）可知，制动力的中度和重度 制动段与理想

15、制动力分配的I曲线一致。故此汽车的相关参数设计比较合理，因而，具有良 好的制动性能。图3.5实际制动力分配曲线不同路面附着系数对制动性能的影响在制动过程中，要想满足汽车前后车轮同时抱死的理想制动情况，应使实际制动力分配 曲线与理想制动力分配曲线重合。但一般情况发下两者不可能完全重合，下面，我们就以两 条曲线的交点来分析。以上述3.3.1中的实例进行分析，以所给参数进行计算，选取附着系数小值分别为：0.2、0.4、0.6、0.7、0.8、0.9。表2.2不同路面附着系数对比路面类型附着系数柏油或水泥路面0.700.80卵石路面0.500.55碎石路面0.600.70木块路面0.600.750.5

16、0-0.60土路积雪软路面0.200.35结冰路面0.100.20,并将计公，人人，卜、F li 1 12+hgZF li 2 F li 1，、i、Ful 12+将已给参数代入力=不能 37)、瑞=Z-瑞39)以及式甫2=不算结果连点描线可得如下图3.6所示制动力分配曲线。图3.6制动力分配曲线由上图可知，唐骏王子电动汽车在空载和满载时，附着系数分别为 0.45和0.75时两曲线 重合。因此，此时的汽车制动为理想制动情况，即前后车轮同时抱死，是较为安全也是较为 稳定的制动情况。由下表 3.2各种路面的附着系数可知15,唐骏王子电动汽车在空载时，为 能得到良好的制动性能，应在土路或卵石路面行驶；

17、而在满载时，柏油和水泥路面的制动性 能更佳。4制动优化策略4.1制动力分配优化策略欧洲经济委员会(ECE)制定了相法规，即ECE动法规来提高汽车制动性能。其具体 分析如下：对于M1类型汽车，具制动力分配应满足：(1)当制动强度z0.60时，后轴利用附着系数曲线低于对应的前轴该曲线，且满足小=Z+0.07)/0.85。(2)当制动强度z =0.30.45时，如果后轴利用附着系数曲线在曲线小=z +0.05的下方，0 0J 02030.70j8制动强熨化6/京加1三一.-/图4.1 ECE法规对M1类型汽车制动强度的规定后轴利用附着系数可以稍大。即一定范围内后轮可以抱死，但超过这个范围，后轮的抱

18、死是不允许的。电动汽车的制动系统的设计要遵循以下两点：一是制动性能要满足要求，确保制动的安全性与稳定性，二是制动能量的回收方面，制动能量回收要多。由上图 4.1的规定可以推导。一般情况下制动力的分配主要是根据制动强度的取值来规定的17,原则为：1)当制动强度z不大于0.45时，主要考虑制动能量回收值。2)当制动力的范围大于0.45小于0.6时，应该把制动系统的安全性和稳定性放在一个主要位3)当制动减速度超过0.6时，我们不考虑制动能量的回收问题，保证达到可靠的制动性能就 好。4.2制动系统优化在制动过程中，在能量方面，在蓄电池和驱动轮的能量传递路线中。第一，在车轮的制 动力分配必须满足制动的可

19、靠性要求。第二，传动装置会产生由于存在机械摩擦而引起的能 量流失。而且，电动机工作时的角速度和制动转矩不应超过其能达到的相关参数的最大值。 再者，在能量的转化过程中，电动机的工作也会由于铁损，铜损以及摩擦损失而产生的一系 列对本身的破坏，进而影响其使用寿命。对于蓄电池而言，当电容较高时，就不要再给蓄电 池充电，因为功率过大会对蓄电池造成一定的损害，这也必然会缩短其使用寿命。同时，蓄 电池充电也会因为蓄电池的内阻而产生能量损失。因此，必须克服这些障碍，回收更多制动 能量。将其以一个函数的形式表现出来。在这个函数中，电动机的转矩、前轮机械制动摩擦转矩以及传动系统的传动比和各种限制约束条件作为控制变

20、量；将制动性能和之制动量的加权 和作为目标函数。那么上述问题的具体优化过程如下：将上述的制动力分配加以优化，在t时刻模型如下：Maximize f(x,t)(4.8)x XFbf FbfmaxFbr ()tZ+0.07s. t. f, 0.85- 0.1 Z 0.61(4.9)Tm TmavailmmmaxPc Pcm上式中，目标函数是：f(x,t) o f( x, t) = Pb + k1 1 - ( (M z) 2 + k2 1 (小 r z) 2(4.10) TOC o 1-5 h z 式(4.10)中：k1、k2分别是权系数；式中的自变量仍为 x,x = i , Tm, Tff ,Tff为 汽车前轮产生的摩擦制动转矩；i为传动系统的比值，X作为一个限制性变量，来确定变量的 范围；Fbf和Fbfmax分别是地面作用于前轮的制动力和地面可作用于前轮的制动力最大值;Fbr和Fbrmax分别是地面作用于后轮的制动力和地面可作用于后轮的制动力最大值;小r和小屋后轮的附着系数和前轮的附着系数；mmax为电动机角速度的最大值。式(4. 10)中，权系数k1和k2的选取是优化函数的关键。当制动减速度属于小于0.5和大于0.5而小于0.7时