搭載ibooster系統(tǒng)的純電動(dòng)車在不同工況下的能量回收貢獻(xiàn)研究

張飛　王金橋　靳慧魯

摘 要：本文將某款后驅(qū)電動(dòng)車作為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了代替真空助力器的ibooster電子機(jī)械助力器、制動(dòng)能量回收過程中的制動(dòng)力分配策略、電機(jī)再生制動(dòng)與ESC液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)控制等，通過實(shí)車道路和轉(zhuǎn)鼓測(cè)試，對(duì)比了NEDC工況、CLTC工況、城市工況下的能量回收貢獻(xiàn)率，試驗(yàn)結(jié)果表明，同一工況下，ibooster系統(tǒng)至少能提高能量回收率1.3%左右，在CLTC工況下能量回收貢獻(xiàn)率最大。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 ibooster 能量回收貢獻(xiàn) 工況研究

Research on energy recovery contribution of pure electric vehicles equipped with iBooster system in different working conditions

Zhang Fei Wang Jinqiao Jin Huilu

Abstract：This article will drive electric vehicle as the research object， after one is mainly studied instead of the vacuum booster ibooster electronic mechanical booster， brake energy recovery in the process of braking force distribution strategy， motor regenerative braking and ESC hydraulic brake coordination control， etc.， through the real vehicle road test and drum， compared the NEDC condition， working condition of CLTC， urban conditions the energy recovery under the contribution rate， the test results show that under the same conditions， ibooster system can improve the energy recovery rate 1.3%， at least in CLTC energy recovery under the condition of the biggest contribution.

Key words：Pure electric vehicle; Ibooster; Energy recovery contribution; Study of test condition

1 前言

純電動(dòng)汽車具有零排放、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，適合在城市內(nèi)代步。同時(shí)，純電動(dòng)車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，行駛平順，無換擋頓挫，車輛起步和加速性能好。當(dāng)前電動(dòng)車發(fā)展迅速，要真正實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化，代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車，需要克服純電動(dòng)車存在的缺點(diǎn)，其中續(xù)駛里程是制約電動(dòng)車全面普及的重要因素，在提高電池能量密度的技術(shù)未突破前，提高電池能量利用率是一個(gè)可行的研究方向。研究表明，傳統(tǒng)燃油車在城市工況下行駛，大概1/3到1/2的能量在制動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為熱能消耗[1-2]。

純電動(dòng)車在制動(dòng)的過程中可利用電機(jī)反拖回收部分制動(dòng)能量，目前市場(chǎng)上應(yīng)用的能量回收系統(tǒng)一般為并聯(lián)能量回收系統(tǒng)，并聯(lián)能量回收系統(tǒng)對(duì)電機(jī)回收扭矩和液壓制動(dòng)力不能進(jìn)行實(shí)時(shí)分配，當(dāng)剎車踏板踩下，電機(jī)回收扭矩不能隨剎車踏板深度變化加大回收扭矩，導(dǎo)致可回收的制動(dòng)能量偏低。本文利用奇瑞某乘用車平臺(tái)資源，基于圖1所示的串聯(lián)能量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由、、構(gòu)成，研究了能量回收策略，經(jīng)過續(xù)航測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況、我國最新研制的CLTC工況以及奇瑞新能源針對(duì)城市道路研制的城市工況能量回收率驗(yàn)證，能量回收效果較好，對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航的提升有一定意義。

為全面驗(yàn)證該傳統(tǒng)車輛由于發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供真空度，因此大部分傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)采用真空助力器。制動(dòng)踏板力經(jīng)過真空助力器的助力作用，以更大的力輸入到主缸，產(chǎn)生液壓制動(dòng)力，從而使車輛減速。隨著車輛發(fā)展越來越智能化，純電動(dòng)汽車無法提供真空度，這些因素推動(dòng)了制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展，ibooster系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)助力器功能，還可以對(duì)制動(dòng)踏板進(jìn)行助力，同時(shí)在制動(dòng)過程中可以高效、實(shí)時(shí)分配制動(dòng)扭矩，一定程度提升了能量回收貢獻(xiàn)率，保證了車輛制動(dòng)安全。

2 ibooster結(jié)構(gòu)原理介紹

如圖1所示，ibooster電子機(jī)械助力器結(jié)構(gòu)主要由助力電機(jī)、助力傳動(dòng)、反饋盤、踏板推桿、主缸推桿等組成，助力傳動(dòng)由齒輪副、滾珠絲杠、助力閥體組成。助力電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。助力電機(jī)的控制由電機(jī)控制器來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)踏板推桿的位移、踏板力等，控制助力電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩。齒輪副與滾珠絲杠組成二級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪副對(duì)助力電機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出扭矩有降速增扭作用，滾珠絲杠把齒輪副傳輸?shù)碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為位移，同時(shí)傳遞電機(jī)扭矩。滾珠絲杠帶動(dòng)助力閥體沿著制動(dòng)主缸方向做直線運(yùn)動(dòng)。助力閥體安裝在滾珠絲杠內(nèi)，踏板推桿安裝在助力閥體內(nèi)。

當(dāng)無制動(dòng)操作時(shí)，踏板推桿與助力閥體之間存在一定的間隙。當(dāng)有制動(dòng)操作時(shí)，踏板推桿與助力閥體共同作用于反饋盤，反饋盤輸出作用在主缸推桿上，從而在制動(dòng)主缸上產(chǎn)生制動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)助力的功能。

由于助力扭矩是由電機(jī)提供的，通過ibooster控制器可以對(duì)助力電機(jī)輸出扭矩大小進(jìn)行控制。

3 ibooser能量回收策略研究

駕駛員踩制動(dòng)踏板，輸入推桿產(chǎn)生位移，踏板行程傳感器檢測(cè)到輸入推桿的位移，并將該位移信號(hào)發(fā)送至ibooster控制器，控制器計(jì)算出電機(jī)應(yīng)產(chǎn)生的電制動(dòng)扭矩，同時(shí)根據(jù)制動(dòng)推桿行程，模擬制動(dòng)踏板力，保證制動(dòng)過程中用戶體驗(yàn)。

電制動(dòng)扭矩由電機(jī)發(fā)電來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)發(fā)電一部分輸送至電池進(jìn)行充電，一部分可能用于高壓負(fù)載消耗（高壓負(fù)載如空調(diào)等開啟條件下），因此電池的回收效果主要受電池、電機(jī)、高壓負(fù)載等因素影響，其中電池影響最大，因電池的充電能力受SOC（state of charge，荷電狀態(tài)）、溫度、電壓等影響，SOC越低，充電能力越強(qiáng)，溫度越低，電池活性越差，充電能力也越差，當(dāng)電池溫度低至一定程度，某些電芯甚至不允許充電，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)能量回收功能。

因此， ibooster控制器需要實(shí)時(shí)了解電池的充電能力、電機(jī)的發(fā)電能力才能進(jìn)行合理的液壓、電制動(dòng)扭矩分配，才能有效提高車輛的經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。

4 ibooster能量回收策略方案

BMS根據(jù)車速、電池允許充電功率、溫度等條件計(jì)算當(dāng)前可用的允許充電扭矩，VCU（整車控制器）實(shí)時(shí)發(fā)送車速、ABS激活標(biāo)志位、電制動(dòng)可回收扭矩等至IBS（ibooster控制器），IBS根據(jù)總的制動(dòng)需求扭矩分解出需求電制動(dòng)扭矩，將該信號(hào)發(fā)送至VCU，該扭矩不應(yīng)高于制動(dòng)安全扭矩，VCU轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)至MCU（motor control unit）執(zhí)行，具體實(shí)施方案如下：

①BMS（battery management system）根據(jù)電池溫度、SOC等條件，計(jì)算當(dāng)前允許充電扭矩，并將該扭矩信號(hào)和允許充電標(biāo)志位信號(hào)發(fā)送至VCU;

②VCU將車速信號(hào)、ABS激活信號(hào)、允許充電扭矩信號(hào)、允許充電標(biāo)志位信號(hào)發(fā)送給IBS;

③IBS根據(jù)制動(dòng)踏板行程計(jì)算目標(biāo)總制動(dòng)扭矩，若電制動(dòng)允許扭矩大于目標(biāo)總制動(dòng)扭矩，總制動(dòng)扭矩由電制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，液壓制動(dòng)不參與，IBS請(qǐng)求VCU執(zhí)行的電制動(dòng)扭矩為目標(biāo)總制動(dòng)扭矩;若電制動(dòng)允許扭矩小于目標(biāo)總制動(dòng)扭矩，IBS請(qǐng)求VCU執(zhí)行電機(jī)允許制動(dòng)扭矩，剩余不足部分由液壓制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

④VCU根據(jù)IBS請(qǐng)求的電制動(dòng)扭矩信號(hào)，請(qǐng)求MCU控制電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)控制。

5 工況驗(yàn)證

基于上述功能開發(fā)策略，進(jìn)行軟件開發(fā)，并通過實(shí)車進(jìn)行了軟件參數(shù)標(biāo)定、優(yōu)化。選擇某款車型的兩種配置進(jìn)行驗(yàn)證，一輛不帶IBS系統(tǒng)，另一輛帶IBS系統(tǒng)，其余車輛軟件、硬件配置無差異，圍繞城市工況、NEDC工況、CLTC工況進(jìn)行對(duì)比測(cè)試研究。

通過試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析（見表1）， NEDC工況下，IBS系統(tǒng)能量回收率提升1.34%，CLTC工況下，IBS系統(tǒng)能量回收率提升3.88%，城市工況下，IBS系統(tǒng)能量回收率提升3.19%，ibooster系統(tǒng)能量回收策略能顯著提高能量回收率，由于CLTC工況減速度段較多，因此相比其他兩個(gè)工況，ibooster系統(tǒng)在CLTC工況下對(duì)續(xù)航有顯著影響。

6 結(jié)論

（1）本文對(duì)ibooster系統(tǒng)進(jìn)行了原理研究，提出了基于駕駛員需求的扭矩分配策略，保證了制動(dòng)安全性和剎車能量的合理利用。

（2）針對(duì)功能策略進(jìn)行了軟件標(biāo)定參數(shù)優(yōu)化，并進(jìn)行CLTC、NEDC、城市道路工況的測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證，CLTC工況貢獻(xiàn)率較大。

（3）本文對(duì)ibooster系統(tǒng)在各個(gè)工況下的應(yīng)用開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

本論文由2019年度安徽省科技重大專項(xiàng)《基于eMT和電驅(qū)動(dòng)融合的高效新能源汽車研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》（項(xiàng)目編號(hào)：201903a05020062）項(xiàng)目基金資助。

參考文獻(xiàn)：

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