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單軸解耦式復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略及試驗(yàn)驗(yàn)證*

2014-08-16 08:01初亮蔡健偉富子丞張永生姚亮魏文若
關(guān)鍵詞:前軸模擬器踏板

初亮 蔡健偉? 富子丞 張永生 姚亮 魏文若

(1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130022;2.中國(guó)第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心,吉林 長(zhǎng)春 130011)

汽車制動(dòng)能量再生系統(tǒng)是指在汽車減速或制動(dòng)時(shí),將其中一部分機(jī)械能(動(dòng)能)轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,并加以再利用的裝置[1].制動(dòng)能量回收提高了能量利用率,是新能源汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段之一[2-3].由于有電機(jī)的參與,汽車制動(dòng)能量再生系統(tǒng)會(huì)改變?cè)熊囕v的制動(dòng)力分配特性和駕駛員踏板感覺(jué),影響車輛安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性.為了提高制動(dòng)能量回收率并保證踏板制動(dòng)感覺(jué),國(guó)外開(kāi)發(fā)了成熟的制動(dòng)能量回收系統(tǒng),如博世公司開(kāi)發(fā)的ESP-hev 和HAS-hev 系統(tǒng)、德國(guó)大陸公司開(kāi)發(fā)的基于ESC(電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng))的再生制動(dòng)系統(tǒng)、豐田公司開(kāi)發(fā)的ECB 系統(tǒng)以及尼桑公司與日立公司共同開(kāi)發(fā)的EDIBS 系統(tǒng)[4-7]等.我國(guó)在制動(dòng)能量再生系統(tǒng)方面的研究尚處于起步階段,部分公司和高校提出了新的構(gòu)型,并申請(qǐng)了專利,但是沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品出現(xiàn).

為開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并具實(shí)用性的汽車制動(dòng)能量再生系統(tǒng),吉林大學(xué)提出了單軸解耦式液壓制動(dòng)系統(tǒng)方案,自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了踏板行程模擬器[8].此方案適用于具備ESC 功能的液壓制動(dòng)系統(tǒng),同時(shí)要求制動(dòng)管路的布置形式為II 型.在驅(qū)動(dòng)軸制動(dòng)主缸和ESC 液壓調(diào)節(jié)單元之間增設(shè)了制動(dòng)踏板行程模擬器,以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸輪缸與主缸的壓力解耦,提高制動(dòng)能量回收率,并保證踏板感覺(jué).文中對(duì)此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了研究,并開(kāi)展了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 車輛簡(jiǎn)介

文中試驗(yàn)車輛為某款國(guó)產(chǎn)混合動(dòng)力轎車.該車動(dòng)力系統(tǒng)包括一臺(tái)1.5LD-VVT 汽油機(jī)、五檔AMT(機(jī)械式自動(dòng)變速器)、兩個(gè)永磁同步電機(jī)(BSG 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī))、一個(gè)高性能鎳氫動(dòng)力電池.BSG 電機(jī)通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連接,驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)與變速器輸出軸相連,動(dòng)力總成布置為前置前驅(qū)[9].

1.2 硬件介紹

圖1 為吉林大學(xué)設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)硬件方案.常規(guī)狀態(tài)下,閥1 常開(kāi),閥2 常閉.進(jìn)行制動(dòng)時(shí),閥1 和2通電,利用閥1 切斷前軸主缸與輪缸之間的液壓制動(dòng)回路,利用閥2 控制模擬器工作,模擬前軸踏板感覺(jué).當(dāng)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足或需求制動(dòng)力矩增加時(shí),需要液壓制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,此時(shí)利用ESC 液壓調(diào)節(jié)單元的液壓泵和單向閥1 實(shí)現(xiàn)主動(dòng)增壓.當(dāng)踏板行程模擬器失效時(shí),車輛恢復(fù)傳統(tǒng)制動(dòng),保證車輛安全.

圖1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)的硬件方案Fig.1 Hardware construction of hydraulic braking system

2 制動(dòng)能量回收控制策略

根據(jù)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的硬件方案,制動(dòng)能量回收控制策略分為并聯(lián)控制策略和串聯(lián)控制策略兩種[10-12].針對(duì)吉林大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的新型制動(dòng)能量回收系統(tǒng)硬件方案,為了提高制動(dòng)能量回收率并保證踏板覺(jué),同時(shí)保證算法開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單性,文中采取串聯(lián)控制策略,控制策略的軟件集成方案如圖2 所示.圖中ABS_Active 是指ABS 觸發(fā)信號(hào),為0 或者1,0 代表ABS 沒(méi)有觸發(fā),1 代表ABS 觸發(fā).

圖2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的軟件集成方案Fig.2 Software construction of braking energy recovery system

2.1 前后軸制動(dòng)力分配

前后軸制動(dòng)力分配根據(jù)傳統(tǒng)車輛的前后分配方式,使用了固定系數(shù)分配法[13],即制動(dòng)過(guò)程中前軸的制動(dòng)力分配仍保持傳統(tǒng)車的制動(dòng)力分配系數(shù)β 不變.

前軸的制動(dòng)需求計(jì)算如下:

后軸的制動(dòng)需求計(jì)算如下:

式中,Tr_f為前軸需求制動(dòng)力矩,Tr_r為后軸需求制動(dòng)力矩,Tr為總的需求制動(dòng)力矩.

文中提出的方案中,后軸輪缸與主缸為傳統(tǒng)連接狀態(tài),后軸輪缸壓力能夠反映駕駛員的制動(dòng)意圖,并且輪缸壓力傳感器所采集到的信號(hào)值不會(huì)受到車身震動(dòng)等外界因素的影響,因此制動(dòng)需求的計(jì)算使用后軸輪缸壓力傳感器信號(hào),如下式:

式中,pRR為右后輪輪缸壓力,cf為前輪制動(dòng)器的效能因數(shù),cr為后輪制動(dòng)器的效能因數(shù).

2.2 前軸電機(jī)與液壓制動(dòng)力分配

前軸制動(dòng)力包括電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力.制動(dòng)過(guò)程中,以所需要的前軸制動(dòng)力為目標(biāo),發(fā)揮電機(jī)的最大再生制動(dòng)力,不足部分由前軸液壓制動(dòng)力補(bǔ)足[14].

當(dāng)車速小于一個(gè)門限值v_min 或者電池SOC(荷電狀態(tài))大于一個(gè)門限值SOC_max 時(shí),不進(jìn)行再生制動(dòng).其中v_min 為進(jìn)行再生制動(dòng)的最低車速,程序中設(shè)置為10 km/h,SOC_max 為禁止電池充電的SOC 的上限值,程序中設(shè)置為70%.模擬器控制位為1 或者0;1 代表閥1 和2 通電,模擬器工作;0代表閥1 和2 不通電,模擬器不工作.

由此,可得到電機(jī)需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與前軸需求液壓制動(dòng)力矩分別如下:

式中,Tm_r為電機(jī)需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Tm_max為電機(jī)能夠提供的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Tr_f_hyd為前軸需求液壓制動(dòng)力矩,Tm為電機(jī)的實(shí)際力矩.

3 實(shí)車試驗(yàn)

為驗(yàn)證制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制算法的有效性,試驗(yàn)內(nèi)容盡可能覆蓋RBS(再生制動(dòng)系統(tǒng))工作的全部情況.車輛僅有一個(gè)前進(jìn)檔(D 檔),故僅在D檔下進(jìn)行試驗(yàn),并且路面條件為高附著路面.按小強(qiáng)度制動(dòng)和大強(qiáng)度制動(dòng)分別進(jìn)行車速為40 與60 km/h的單次制動(dòng).

3.1 試驗(yàn)條件

車輛質(zhì)量:車輛整備質(zhì)量加上試驗(yàn)質(zhì)量200 kg;輪胎氣壓:輪胎氣壓符合車輛要求值(前輪0.22 MPa,后輪0.24 MPa);環(huán)境溫度:-30~-10 ℃.

3.2 采集設(shè)備

試驗(yàn)過(guò)程中,安裝壓力傳感器與踏板轉(zhuǎn)角傳感器等,并利用CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù).利用CANoe 采集傳感器信息以及整車控制器等發(fā)出的CAN 信息.

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先進(jìn)行模擬器參與工作的協(xié)調(diào)制動(dòng),以車速為60km/h 為中強(qiáng)度示例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖3)進(jìn)行說(shuō)明.

圖3 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)的車速、標(biāo)志位和壓力曲線Fig.3 Speed,signal and pressure curves of coordination braking

RBS 控制位表示制動(dòng)控制狀態(tài),0 為驅(qū)動(dòng),1 為SOC 過(guò)高不進(jìn)行再生制動(dòng),2 為低車速停車,3 為再生制動(dòng).圖中將模擬器控制位與RBS 控制位乘以10,制動(dòng)開(kāi)關(guān)(為0 或者1)乘以15,以方便查看.可以看出,制動(dòng)開(kāi)始階段,電機(jī)制動(dòng)力矩不能滿足前軸需求制動(dòng)力矩,因此前軸進(jìn)行主動(dòng)增壓.前軸輪缸實(shí)際壓力跟隨目標(biāo)壓力,后軸液壓跟隨主缸壓力.電機(jī)制動(dòng)力矩不斷增加,在時(shí)間t=31 s 時(shí),電機(jī)制動(dòng)力矩達(dá)到最大值并且保持穩(wěn)定.踏板轉(zhuǎn)角繼續(xù)增加,前軸輪缸壓力跟隨目標(biāo)制動(dòng)力矩不斷增加.當(dāng)t=33 s 時(shí),踏板保持穩(wěn)定,前軸液壓和電機(jī)均保持穩(wěn)定.當(dāng)車速減小到15 km/h 左右時(shí),電機(jī)制動(dòng)力矩減小,開(kāi)始退出再生制動(dòng),但是踏板仍然保持相對(duì)穩(wěn)定,故后軸液壓保持穩(wěn)定,前軸再次進(jìn)入主動(dòng)增壓狀態(tài),與電機(jī)形成協(xié)調(diào)控制.車速達(dá)到3 km/h時(shí),模擬器控制位由1 變?yōu)?,退出模擬狀態(tài),模擬器常開(kāi)閥打開(kāi),常閉閥關(guān)閉.車速為10 km/h 時(shí),電機(jī)制動(dòng)力矩已經(jīng)為零,完全退出再生制動(dòng).車速為3 km/h時(shí),進(jìn)入停車模式.

圖4(a)中RBS 需求電機(jī)制動(dòng)力矩由制動(dòng)控制器輸出,HCU(整車控制器)需求力矩在制動(dòng)過(guò)程中由整車控制器輸出.由圖4可以看出,最大電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為-100 N·m.電機(jī)實(shí)際制動(dòng)力矩響應(yīng)的是RBS 需求電機(jī)制動(dòng)力矩和HCU 電機(jī)轉(zhuǎn)矩二者中絕對(duì)值較小的那個(gè).前軸輪缸實(shí)際液壓跟隨目標(biāo)值.

圖4 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)的電機(jī)力矩與前軸壓力曲線Fig.4 Motor torque and front-axle braking pressure curves of coordination braking

圖5(a)中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩是指經(jīng)過(guò)減速器至車輪的轉(zhuǎn)矩.由圖5 可以看出,需求力矩與實(shí)際力矩基本相符.在制動(dòng)結(jié)束階段,電機(jī)轉(zhuǎn)矩退出,前軸液壓增加,需求力矩與實(shí)際力矩基本不存在偏差,不會(huì)導(dǎo)致車輛加速度(統(tǒng)一為加速度)發(fā)生變化.由圖5還可以看出:t=35.2 s 時(shí),車輛加速度存在突變,這是由于此時(shí)車輛速度很低,僅為3.5 km/h,導(dǎo)致車輛加速度估算存在突變,但車速較低并不影響車輛控制.

圖5 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)的力矩與加速度曲線Fig.5 Braking torque and acceleration curves of coordination braking

由圖6 可以看出,最大回收電流為-72A,電池最大充電功率達(dá)- 20 kW,電機(jī)最大制動(dòng)功率為-25 kW.

為對(duì)比驗(yàn)證文中提出的前軸解耦方案的制動(dòng)力分配與能量回收效果,首先在軟件中取消模擬器控制,然后將電機(jī)需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩值設(shè)為80 和50 N·m(為保證制動(dòng)安全,疊加值不宜過(guò)大,疊加值單獨(dú)產(chǎn)生的車輛加速度(統(tǒng)一為加速度)小于0.1 g)進(jìn)行上述相同試驗(yàn).為方便說(shuō)明,將電機(jī)制動(dòng)力矩疊加值為80N·m 的方案稱為方案A,電機(jī)制動(dòng)力矩疊加值為50 N·m 的方案稱為方案B,結(jié)果如圖7-10 所示.

圖6 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)的電流、電壓與功率曲線Fig.6 Current,voltage and power curves of coordination braking

由圖8 可以看出,模擬器控制位為零,不參與制動(dòng).制動(dòng)開(kāi)始后電機(jī)提供制動(dòng)力矩,且制動(dòng)力矩隨著車速降低而增大,達(dá)到80 N·m 后保持穩(wěn)定.取消模擬器控制后,前后軸輪缸壓力相同,均隨著踏板轉(zhuǎn)角增加而增加.

由圖9 可以看出:在制動(dòng)開(kāi)始階段,電機(jī)制動(dòng)力矩的存在導(dǎo)致總的制動(dòng)力矩大于駕駛員需求制動(dòng)力矩;而在車速達(dá)到15 km/h 時(shí),電機(jī)制動(dòng)力矩開(kāi)始減小,導(dǎo)致總的制動(dòng)力矩減小,由后軸輪缸壓力計(jì)算得到的需求制動(dòng)力矩則保持穩(wěn)定,從而引起車輛加速度變小.在電機(jī)制動(dòng)力矩退出的過(guò)程中,車輛加速度變化率為每秒1.37 m/s2,駕駛員有制動(dòng)變“軟”的感覺(jué).

由圖10 可以看出,最大回收電流為-55A,電池最大充電功率達(dá)-16kW,電機(jī)最大制動(dòng)功率為-20kW.

為對(duì)比不同車速、不同制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)的制動(dòng)力分配情況,以車速為40 km/h、制動(dòng)強(qiáng)度分別為小和中等強(qiáng)度時(shí)為例,得到圖11 -18 所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖7 疊加方案A 的車速、標(biāo)志位和壓力曲線Fig.7 Speed,signal and pressure curves of parallel solution A

圖8 疊加方案A 的電機(jī)力矩和前軸壓力曲線Fig.8 Motor torque and front-axle braking pressure curves of parallel solution A

圖9 疊加方案A 的制動(dòng)力矩與加速度曲線Fig.9 Braking torque and acceleration curves of parallel solution A

(1)小強(qiáng)度制動(dòng)

可以看出,液壓與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)情況與前述60 km/h 時(shí)的情況基本相同.前軸液壓與電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)制動(dòng),滿足駕駛員制動(dòng)需求,并且整車加速度保持穩(wěn)定.

由圖4 可以看出,輪缸壓力為4 MPa 左右,并且踏板轉(zhuǎn)角緩慢增加;前軸左、右車輪輪缸實(shí)際壓力能夠很好地跟隨目標(biāo)壓力.由圖12 可以看出,輪缸壓力為2MPa左右,實(shí)際壓力同樣能夠跟隨目標(biāo)壓力.

(2)中等強(qiáng)度制動(dòng)

從圖15 -18 可以看出,中等強(qiáng)度制動(dòng)時(shí),協(xié)調(diào)過(guò)程與小強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)基本相同,同時(shí)液壓能夠很好地跟隨目標(biāo)壓力.選擇制動(dòng)能量回收率作為評(píng)價(jià)3種方案能量回收效果的指標(biāo)[15],具體計(jì)算如下.

圖10 疊加方案A 的電流、電壓與功率曲線Fig.10 Current,voltage and power curves of parallel solution A

圖11 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)小制動(dòng)強(qiáng)度下的車速、標(biāo)志位和壓力曲線Fig.11 Speed,signal and pressure curves of coordination braking with low brake intensity

圖12 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)小制動(dòng)強(qiáng)度下的電機(jī)力矩和前軸壓力曲線Fig.12 Motor torque and front-axle braking pressure curves of coordination braking with low brake intensity

制動(dòng)過(guò)程中回收的能量EB_R:

制動(dòng)過(guò)程中的總動(dòng)能EB_K:

圖13 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)小制動(dòng)強(qiáng)度下的力矩與加速度曲線Fig.13 Braking torque and acceleration curves of coordination braking with low brake intensity

圖14 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)小制動(dòng)強(qiáng)度下的電流、電壓與功率曲線Fig.14 Current,voltage and power curves of coordination braking with small intensity brake

圖15 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)中等制動(dòng)強(qiáng)度下的車速、標(biāo)志位和壓力曲線Fig.15 Speed,signal and pressure curves of coordination braking with middle brake intensity

圖16 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)中等制動(dòng)強(qiáng)度下的電機(jī)力矩和前軸壓力曲線Fig.16 Motor torque and front-axle braking pressure curves of coordination braking with middle brake intensity

圖17 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)中等制動(dòng)強(qiáng)度下的力矩與加速度曲線Fig.17 Braking torque and acceleration curves of coordination braking with middle brake intensity

圖18 協(xié)調(diào)制動(dòng)時(shí)中等制動(dòng)強(qiáng)度下的電流、電壓與功率曲線Fig.18 Current,voltage and power curves of coordination braking with middle intensity brake

制動(dòng)能量回收率:

式中:t0為制動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻;t1為制動(dòng)終止時(shí)刻;U 為制動(dòng)過(guò)程中CAN 總線測(cè)得的電池兩端的電壓,V;I為制動(dòng)過(guò)程中CAN 總線測(cè)得的電池電流,A;m 為車輛質(zhì)量,1600 kg;v1為制動(dòng)末速度,m/s;v0為制動(dòng)初速度,m/s.

根據(jù)式(6)-(8)計(jì)算不同工況下的回收能量、制動(dòng)動(dòng)能和制動(dòng)能量回收率,結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 制動(dòng)能量回收率計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated braking energy recovery

由表1 可以看出:60 km/h 制動(dòng)時(shí),3 種控制算法下,協(xié)調(diào)制動(dòng)的能量回收率明顯高于疊加方案;40 km/h 制動(dòng)、不同制動(dòng)強(qiáng)度時(shí),由于中等制動(dòng)強(qiáng)度下液壓制動(dòng)參與制動(dòng)過(guò)程的比例增加,因此能量回收率降低.

5 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)吉林大學(xué)自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的基于ESC液壓調(diào)節(jié)單元的前軸解耦式液壓制動(dòng)系統(tǒng),完成了固定分配系數(shù)的串聯(lián)控制策略的開(kāi)發(fā),并將其集成在制動(dòng)控制器中進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)前期開(kāi)發(fā)的前軸解耦式制動(dòng)能量回收系統(tǒng),文中提出的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)前軸主缸和輪缸的壓力解耦,并實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)力矩與液壓制動(dòng)力矩的協(xié)調(diào)控制,保證踏板感覺(jué),提高能量回收率;

(2)所提出的硬件方案結(jié)合固定比例制動(dòng)力分配策略,可獲得滿足駕駛員需求的制動(dòng)力,使整車加速度平穩(wěn).

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