基于制動(dòng)感覺的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配

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。

［1］Von Albrichsfeld C，Karner J，Von Albrichsfeld－Continental C，et al.Brake system for hybrid and electric vehicles［J］.SAE Technical Paper，2009－01－1217.

［2］Soga M，Shimada M，Sakamoto I，et al.Development of vehicle dynamics management system for hybrid vehicles［J］.ECB System for Improved Environmental and Vehicle Dynamic Performance，2002，23（4）：459－464.

［3］Sunao Hano，Motomu Hakiai.New challenges for brake and modulation systems in hybrid electric vehicles（HEVs）and electric vehicles（EVs）［J］.SAE Paper，2011－39－7210.

［4］Oshima T，F(xiàn)ujiki N，Nakao S，et al.Development of an electrically driven intelligent brake system［J］.SAE International Journal of Passenger Cars－Mechanical Systems，2011，4（1）：399－405.

［5］Ehsani M E，Anido G，Yao M.Modern Electric，Hybrid Electric，and Fuel Cell Vehicles：Fundamentals，Theory，and Design［M］.2nd Edition.New York：CRC Press，2009.

［6］馬朝永，化北，王震，等.電子制動(dòng)踏板感覺模擬器研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2011，34（7）：28－33.Ma Chao－yong，Hua Bei，Wang Zhen，et al.Study of a simulator for electronic brake pedal［J］.Electronic Measurement Technology，2011，34（7）：28－33.

［7］金智林，郭立書，趙又群，等.踏板感覺可控的汽車制動(dòng)踏板模擬器研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（12）：2795－2798.Jin Zhi－lin，Guo Li－shu，Zhao You－qun，et al.Research on brake pedal emulator of vehicle with controllable pedal feeling［J］.Journal of System Simulation，2010，22（12）：2795－2798.

［8］李玉芳，吳炎花.電液復(fù)合制動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)感覺一致性及實(shí)現(xiàn)方法［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（4）：488－492.Li Yu－fang，Wu Yan－h(huán)ua.Brake feel consistency of electric vehicles with electro－h(huán)ydraulic braking system and realizing method［J］.China Mechanical Engineering，2012，23（4）：488－492.

［9］王聰.混合動(dòng)力轎車制動(dòng)踏板行程模擬器及控制策略研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2012.Wang Cong.Study on brake pedal stroke simulator and control strategy for hybrid electric car［D］.Changchun：College of Automotive Engineering，Jilin University，2012.

［10］歐陽.轎車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)輪缸壓力控制和估算算法研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2011.Ou Yang.Research on controlling and estimating algorithm for wheel cylinder pressure of stability control system on car［D］.Changchun：College of Automotive Engineering，Jilin University，2011.