初 亮，楊 毅，張世桐，黃禹霆

（吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

制動(dòng)能量回收是指通過電機(jī)的發(fā)電作用，將汽車制動(dòng)過程中損失在摩擦制動(dòng)器上的熱能，轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行再利用。然而電機(jī)再生制動(dòng)力的引入會(huì)導(dǎo)致車輛的制動(dòng)感覺發(fā)生變化，因此需要針對(duì)該功能開發(fā)相應(yīng)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。

目前國(guó)外各大零部件廠商已經(jīng)紛紛推出成熟的技術(shù)產(chǎn)品［1］，其中主要包括德國(guó)Continental公司研發(fā)的EMB 系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中對(duì)制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了主動(dòng)式的踏板模擬裝置，并通過調(diào)節(jié)真空度，增加踏板空行程的方式在回收制動(dòng)能量的同時(shí)保證制動(dòng)感覺。豐田公司研發(fā)的ECB系統(tǒng)取消了真空助力器，增加了橡膠模擬感覺裝置并重新設(shè)計(jì)了液壓調(diào)節(jié)單元［2］；LSP 公司推出的IBS系統(tǒng)通過改造原有的制動(dòng)主缸結(jié)構(gòu)，在踏板處加入機(jī)械感覺反饋裝置，解決制動(dòng)感覺問題［3］；除此 之 外，TRW 公 司 推 出 的ESC－H 系統(tǒng)和SCB系統(tǒng)以及博世公司開發(fā)的ESP－h(huán)ev和HAS－h(huán)ev系統(tǒng)，已經(jīng)對(duì)比亞迪公司的部分電動(dòng)車產(chǎn)品完成了配套［4］。

對(duì)比國(guó)外，國(guó)內(nèi)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究起步較晚，硬件資源儲(chǔ)備不足，整車企業(yè)只能引入國(guó)外硬件技術(shù)方案，產(chǎn)品開發(fā)匹配費(fèi)用極高。為擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)的過分依賴，推進(jìn)市場(chǎng)化進(jìn)程，自主開發(fā)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)裝備的電動(dòng)汽車勢(shì)在必行?；谀壳皣?guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種增壓模擬器，通過加入該裝置對(duì)原有傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)功能進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)主缸壓力和輪缸壓力進(jìn)行解耦，并能在能量回收過程中保證制動(dòng)感覺。

1 制動(dòng)感覺原理

傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中駕駛員與制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通過液壓形式傳遞制動(dòng)意圖。駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，真空助力器推動(dòng)主缸活塞，制動(dòng)液通過液壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)入輪缸，輪缸中的壓力以制動(dòng)液為介質(zhì)反饋回駕駛員腳部，產(chǎn)生制動(dòng)踏板感覺［5］。而制動(dòng)能量回收系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)，踏板與制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間不存在實(shí)時(shí)的機(jī)械連接，通過安裝傳感器信號(hào)進(jìn)行制動(dòng)意圖識(shí)別，根據(jù)控制單元發(fā)出的指令，控制電機(jī)、電池系統(tǒng)以及液壓調(diào)節(jié)單元協(xié)調(diào)完成減速制動(dòng)過程。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的控制作用方式如圖1所示。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)參與制動(dòng)的作用方式與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)均發(fā)生改變。制動(dòng)控制器接受傳感器信號(hào)，通過CAN 總線傳遞制動(dòng)需求信息，再生制動(dòng)控制器控制輸出電機(jī)制動(dòng)力，液壓制動(dòng)起到協(xié)調(diào)輔助作用［6－7］。該變化導(dǎo)致制動(dòng)器的作用力無法準(zhǔn)確地以液壓形式反饋回制動(dòng)踏板，因此會(huì)帶給駕駛員制動(dòng)感覺的改變。基于上述分析，本文提出的帶有增壓模擬器的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Principle of in regenerative braking system

圖2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Construction of regenerative braking system

2 系統(tǒng)制動(dòng)過程部件受控狀態(tài)分析

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制過程，本文對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)采用β曲線制動(dòng)力分配方案［8－9］，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力能夠滿足制動(dòng)需求時(shí)，系統(tǒng)前軸不建壓，只發(fā)揮電機(jī)的制動(dòng)能力；制動(dòng)強(qiáng)度較高條件下，前軸液壓對(duì)電機(jī)制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償。從踩下制動(dòng)踏板開始到松開制動(dòng)踏板結(jié)束，制動(dòng)過程一共經(jīng)歷5個(gè)階段，在各個(gè)階段中制動(dòng)力矩的分配如圖3所示。

圖3中，黃色部分為前軸液壓制動(dòng)力矩；棕色部分為后軸液壓制動(dòng)力矩；藍(lán)色部分為電機(jī)制動(dòng)力矩。根據(jù)力矩變化過程，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)在整個(gè)制動(dòng)過程中各部件的工作情況。部件控制狀態(tài)如表1所示。

圖3 制動(dòng)力矩變化示意圖Fig.3 Change of braking torque

表1 部件工作狀態(tài)Table 1 Component working condition in section OA

表1中，Vin代表前軸進(jìn)液閥；Vout代表前軸出液閥；Vno代表模擬器常開閥；Vnc代表模擬器常閉閥；M1代表ABS電機(jī)；M2代表模擬器內(nèi)電機(jī)；數(shù)字1代表電機(jī)通電工作和閥門開啟；數(shù)字0代表電機(jī)斷電停止和閥門關(guān)閉。

3 增壓模擬器的參數(shù)匹配

根據(jù)上文部件工作狀態(tài)與制動(dòng)過程力矩變化的分析可知，設(shè)計(jì)的增壓模擬器的功能主要有兩個(gè)：①在電機(jī)制動(dòng)力參與制動(dòng)時(shí)，能夠容納主缸排除的液體，并回饋與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)相同的輪缸壓力；②能夠在再生制動(dòng)不足時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行液壓補(bǔ)償。由于制動(dòng)過程中，系統(tǒng)對(duì)后軸液壓不進(jìn)行控制，因此對(duì)于①，只需要保證模擬器能夠模仿前軸的P－V 特性（輪缸壓力與制動(dòng)液體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系）即可［10］。對(duì)前軸輪缸的P－V 特性進(jìn)行試驗(yàn)獲取，結(jié)果如圖4所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，前軸輪缸P－V 特性分為兩部分，初始部分為低壓區(qū)，進(jìn)入液體體積較高，引起輪缸壓力變化較?。浑S后部分為高壓區(qū)，很小一部分的液體體積可以引起較高的輪缸壓力變化。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行近似線性分段擬合，可以得到如下關(guān)系：

圖4 制動(dòng)輪缸P－V特性示意圖Fig.4 P－V character of wheel cylinder

式中：Pfront＿OB為該階段輪模擬器內(nèi)產(chǎn)生的壓力；Vfront＿BE為BE 階段進(jìn)入模擬器內(nèi)部的液體體積；Vfront＿BE為在高壓區(qū)BE 階段進(jìn)入模擬器內(nèi)部的液體體積；Pfront＿BE為BE階段模擬器內(nèi)產(chǎn)生壓力。

綜上所述，根據(jù)功能需要，設(shè)計(jì)增壓模擬器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主動(dòng)增壓模擬器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Construction of simulator with the function of active pressurization

增壓模擬器可以根據(jù)功能要求分為兩個(gè)部分。主動(dòng)增壓部分：通過直流電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠，將內(nèi)循環(huán)螺母的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠推桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，絲杠推桿推動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)主動(dòng)增壓功能；感覺模擬部分：通過兩個(gè)安裝在殼體內(nèi)的活塞和兩個(gè)不同剛度的彈簧完成對(duì)前軸輪缸分段P－V 特性的模擬功能。

針對(duì)上述兩個(gè)部分進(jìn)行參數(shù)匹配，針對(duì)模擬功能，在圖4中的OB階段的工作過程中，模擬器內(nèi)壓力變化為：

圖6 增壓速率變化曲線Fig.6 Pressurization rate curve

式中：K1為模擬器彈簧1的剛度；K2為模擬器彈簧2的剛度；S1為第一階段內(nèi)的壓縮行程；d1為活塞1的直徑。

模擬器內(nèi)液體體積變化為：

結(jié)合圖4的P－V 特性，對(duì)壓力、體積以及行程的限制條件可以表示為：

式中：L2為模擬器腔體2內(nèi)的工作間隙。

同理，模擬BE段的工作過程中，模擬器內(nèi)壓力變化可以表示為：

式中：S2為第二階段內(nèi)的壓縮行程；d2為活塞2的直徑。

模擬器內(nèi)體積變化可以表示為：

該階段對(duì)于壓力與液體體積的限制條件為：

式中：L1為模擬器腔體1內(nèi)的工作間隙。

參考主缸直徑選取d2＝15mm，d1＝10mm，根據(jù)式（2）～式（7），計(jì)算得到模擬器內(nèi)彈簧1的剛度為34535N／m，彈簧2的剛度為9773N／m，工作間隙1的長(zhǎng)度為7.42mm，工作間隙2的長(zhǎng)度為18.55mm。

主動(dòng)增壓功能主要是對(duì)電機(jī)功率以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的匹配計(jì)算。系統(tǒng)的極限增壓速率出現(xiàn)在駕駛員以極限速度踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到路面附著極限的同時(shí)，電機(jī)退出制動(dòng)的情況。因此，主動(dòng)增壓的極限速率由駕駛需求增壓速率與電機(jī)退出需求補(bǔ)償速率兩部分組成。對(duì)第一部分，參考傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的極限增壓速率需求，駕駛員以最大能力踩下制動(dòng)踏板進(jìn)行增壓速率測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)試驗(yàn)獲得的系統(tǒng)的最大壓力變化率ΔP1為21.1 MPa／s。

第二部分電機(jī)退出的極限速率應(yīng)該出現(xiàn)在車輛以最大制動(dòng)強(qiáng)度制動(dòng)，車速低于再生制動(dòng)退出門限時(shí)的情況。該狀態(tài)停車時(shí)間與車速關(guān)系為：

式中：Vlim為車速退出門限，本文選取10km／h，Zlim為路面最大附著系數(shù)，本文選取0.85，該門限下電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，此時(shí)前軸對(duì)應(yīng)的再生制動(dòng)力可以表示為：

式中：Ff為恒扭矩區(qū)對(duì)應(yīng)的前軸制動(dòng)力；igi0為電機(jī)軸端到輪端的傳動(dòng)比，本文選取目標(biāo)車型對(duì)應(yīng)值8.28；rf為前輪滾動(dòng)半徑，選取0.307 m；Tmax為恒扭矩區(qū)峰值轉(zhuǎn)矩，大小為210N·m。

再生制動(dòng)力對(duì)應(yīng)的等效輪缸壓力表示為：

式中：Df為前輪輪缸直徑，Kbf為前輪摩擦因數(shù)。

結(jié)合式（8）（9）（10），前輪輪缸的壓力變化率可以表示為：

根據(jù)兩部分壓力變化率Δp1和Δp2，并結(jié)合式（1）計(jì)算本系統(tǒng)的極限情況下需求進(jìn)液體積：

對(duì)滾珠絲杠的參數(shù)選擇需要滿足該體積需求：

式中：n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，可以參考ABS與ESP，在3000～6000r·min－1之間選取，本文以3000r·min－1為基準(zhǔn)；i1為電機(jī)軸端的齒輪副傳動(dòng)比，可以根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸的大小進(jìn)行選取，擬定為1；L′為內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠的導(dǎo)程。

不考慮效率的前提下，根據(jù)需求流量與主動(dòng)增壓情況求得電機(jī)需求功率為：

式中：P 為電機(jī)輸出功率，單位kW；Δp 為增壓過程最大壓差，單位為MPa，根據(jù)傳統(tǒng)汽車匹配經(jīng)驗(yàn)，選取12 MPa為極限壓差；Q 為流量，單位為L(zhǎng)／min，即為本文需求進(jìn)液體積Vtotal。

根據(jù)式（13）和（14），選取滾珠絲杠導(dǎo)程為1.6mm，獲取電機(jī)功率為80 W。

4 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

利用xPC功能搭建試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig.7 Regenerative braking system test bench

圖8 踏板感覺特性曲線Fig.8 Braking feeling curve in test bench

臺(tái)架由信號(hào)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及液壓制動(dòng)系統(tǒng)組成，其中信號(hào)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、自制驅(qū)動(dòng)電路、四個(gè)制動(dòng)輪缸的壓力傳感器、主缸壓力傳感器、踏板位移傳感器和踏板力傳感器組成；控制系統(tǒng)主要由主機(jī)、工控機(jī)組成?？刂葡到y(tǒng)接收來自信號(hào)采集系統(tǒng)的壓力與踏板信號(hào)，經(jīng)工控機(jī)由xPC接口下載到主機(jī)電腦上基于Matlab／Simulink環(huán)境下搭建的軟件控制模型中，計(jì)算后輸出數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)由工控機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)中部件進(jìn)行控制。臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證主要包括部件參數(shù)匹配結(jié)果驗(yàn)證以及系統(tǒng)制動(dòng)控制效果驗(yàn)證兩個(gè)部分。圖8為踏板感覺特性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8中藍(lán)色曲線為傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)踏板感覺特性，紅色曲線為本文制動(dòng)能量回收系統(tǒng)踏板感覺特性。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文開發(fā)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的踏板感覺基本被包絡(luò)在傳統(tǒng)感覺范圍之內(nèi)，因此對(duì)于模擬器內(nèi)分段式彈簧裝置的參數(shù)匹配結(jié)果是能夠滿足駕駛感覺要求的。

利用本文裝置進(jìn)行主動(dòng)增壓，對(duì)比傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)快速、中速、慢速踩下制動(dòng)踏板情況下的輪缸壓力與壓力變化率狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 輪缸壓力變化曲線Fig.9 Cylinder pressure variation curve

圖10 輪缸壓力變化率曲線Fig.10 Cylinder pressurization rate curve

從圖9和圖10中可知，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的主動(dòng)增壓能力要高于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)駕駛員的制動(dòng)需求，最大增壓速率在35 MPa以上，高于極限需求增壓速率，因此對(duì)于電機(jī)結(jié)合滾珠絲杠的參數(shù)匹配符合要求。

對(duì)系統(tǒng)制動(dòng)效果進(jìn)行驗(yàn)證，在臺(tái)架試驗(yàn)中以100N 制動(dòng)力踩下制動(dòng)踏板并保持至停車狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 踏板力變化曲線Fig.11 Pedal force variation curve

圖12 汽車車速速變化曲線Fig.12 Vehicle speed variation curve

圖13 輪缸壓力變化曲線Fig.13 Pressure of wheel cylinder variation curve

圖11 中的踏板力反映駕駛員的制動(dòng)需求，車速變化如圖12 所示，制動(dòng)力變化如圖13 所示。在初始階段，制動(dòng)需求較小時(shí)，制動(dòng)力完全由電機(jī)提供，因此在起始一段時(shí)間內(nèi)，前軸輪缸內(nèi)無制動(dòng)液；隨后過程中，制動(dòng)需求強(qiáng)度變大，電機(jī)制動(dòng)力不足，前軸開始主動(dòng)增壓過程，液體開始進(jìn)入前軸輪缸，由液壓補(bǔ)償需求；在2s左右時(shí)，隨著車速降低，電機(jī)制動(dòng)力矩變大，液壓制動(dòng)力矩開始下降，制動(dòng)液由前軸輪缸排出；直至3.5s左右時(shí)刻電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的恒扭矩區(qū)域，液壓制動(dòng)力矩同時(shí)維持穩(wěn)定；在4.3s時(shí)刻附近時(shí)，車速達(dá)到10km／h，電機(jī)退出制動(dòng)，重復(fù)主動(dòng)增壓過程，直至停車。試驗(yàn)結(jié)果表明，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能夠在較大程度上利用電機(jī)制動(dòng)力的同時(shí)，良好地協(xié)調(diào)電液分配，滿足制動(dòng)需求。

5 結(jié) 論

（1）本文的研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的踏板位移與踏板力關(guān)系曲線與傳統(tǒng)汽車基本吻合，系統(tǒng)的增壓速率能夠滿足極限情況要求，依據(jù)輪缸P－V 特性的參數(shù)匹配方法以及分段式彈簧柱塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以用于對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)感覺模擬裝置進(jìn)行開發(fā)；依據(jù)極限增壓速率匹配的電機(jī)以及滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可以被運(yùn)用于協(xié)調(diào)增壓裝置的開發(fā)。

（2）本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的控制入口均來自于傳感器的采集信號(hào)，處于工程實(shí)際考慮，后續(xù)應(yīng)該進(jìn)一步開發(fā)相應(yīng)的估算算法對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)或替代，降低開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。

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