基于輪缸壓力的制動(dòng)能量回收率的計(jì)算方法*

初 亮，馬文濤，蔡健偉，劉達(dá)亮，張永生，魏文若

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

2016034

基于輪缸壓力的制動(dòng)能量回收率的計(jì)算方法*

初 亮1，馬文濤1，蔡健偉1，劉達(dá)亮1，張永生2，魏文若2

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

鑒于目前測(cè)量車(chē)輛制動(dòng)能量回收率的方法需要增添相關(guān)設(shè)備，提出了一種新的制動(dòng)能量回收率的計(jì)算方法。該方法通過(guò)采集有、無(wú)制動(dòng)能量回收兩種工況下，車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的輪缸壓力的差值，計(jì)算得出與車(chē)輛續(xù)駛里程緊密相關(guān)的能量回收率。最后通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

車(chē)輛工程；制動(dòng)能量回收率；輪缸壓力

前言

制動(dòng)能量回收，提高了能量利用率，是新能源汽車(chē)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段之一[1-2]。由于車(chē)輛電池電機(jī)控制器發(fā)出的信號(hào)為CAN格式的信號(hào)，而由于CAN信號(hào)在傳輸時(shí)以整數(shù)傳遞，所以信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到CAN數(shù)據(jù)時(shí)精度會(huì)有一定的損失，而從CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到真實(shí)數(shù)據(jù)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)二次精度損失。同時(shí)，由于各整車(chē)廠整車(chē)的CAN信號(hào)定義都采取保密的策略，故獲取被測(cè)車(chē)輛的信號(hào)不很方便。為了達(dá)到采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，目前關(guān)于帶能量回收系統(tǒng)車(chē)輛的能量回收率的測(cè)試方法是在動(dòng)力電池兩端增加額外的采集電壓電流設(shè)備來(lái)測(cè)量回收的能量[3]。因此需要一種簡(jiǎn)單易行且準(zhǔn)確的測(cè)試方法來(lái)支持制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià),并提出一種可以直觀反映續(xù)駛里程的延長(zhǎng)的制動(dòng)能量回收率。

液壓制動(dòng)系統(tǒng)依靠駕駛員踩下制動(dòng)踏板來(lái)建立制動(dòng)油缸的壓力[4]，從而使車(chē)輪制動(dòng)器的摩擦副產(chǎn)生制動(dòng)力矩，同時(shí)產(chǎn)生大量的摩擦熱能耗散到空氣中[5]。但是有制動(dòng)能量回收的系統(tǒng)可以回收一部分制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛的動(dòng)能，從而減少制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱能。相同工況下，有能量回收的制動(dòng)和沒(méi)有能量回收的制動(dòng)，其消耗能量的差值就是回收的能量。為了完成測(cè)試，在硬件方案中增設(shè)了輪缸壓力傳感器[6]，用于采集輪缸壓力，這是完成測(cè)試的必要條件。

1 整車(chē)能量分析

車(chē)輛在行駛過(guò)程中受到滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和慣性阻力的共同作用，忽略坡度阻力，并將制動(dòng)力等同于負(fù)的驅(qū)動(dòng)力得到車(chē)輛受力方程。

(1)

式中：FT為等效制動(dòng)力；Fi為發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)阻力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車(chē)迎風(fēng)面積；δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

車(chē)輛的空氣阻力主要受車(chē)身外形的影響。而滾動(dòng)阻力主要是車(chē)輪與路面之間的相互作用。外界條件一定的情況下，車(chē)速相同時(shí)式(1)中的車(chē)輛空氣阻力是一定的。輪胎的受力情況是考慮的重點(diǎn)。如果在制動(dòng)時(shí)車(chē)輛處于空擋狀態(tài)，則發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)阻力Fi為零。

空氣阻力與車(chē)輛外形和車(chē)速有關(guān)，由于制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛在減速，空氣阻力衰減較快。滾動(dòng)阻力與輪胎的材料、結(jié)構(gòu)和氣壓有關(guān)，是一個(gè)比較復(fù)雜的受力過(guò)程，所以這部分阻力應(yīng)在實(shí)際測(cè)試中對(duì)比排除。汽車(chē)的動(dòng)能大部分是由汽車(chē)制動(dòng)器消耗的。在具有能量回收系統(tǒng)的車(chē)輛上，制動(dòng)時(shí)忽略輪胎滾動(dòng)阻力汽車(chē)動(dòng)能的消耗可以分為兩種。一種是汽車(chē)制動(dòng)器通過(guò)制動(dòng)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的摩擦生熱而耗散掉[7]，另一種是由能量回收系統(tǒng)回收把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中[8]。

2 制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 現(xiàn)有制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

第一種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是制動(dòng)回收的能量占汽車(chē)制動(dòng)時(shí)動(dòng)能的比率[9]。

(2)

式中：循環(huán)工況共制動(dòng)n次，在第i次制動(dòng)中，Ui_bat為電池直流端電壓；Ii_chg為電池直流端充電電流；vi_0為制動(dòng)初始速度；ti_1為制動(dòng)初始時(shí)刻；ti_2為制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻；EW為風(fēng)阻消耗能量；Ef為滾動(dòng)阻力消耗能量。式(2)中分子是回收儲(chǔ)存在電池中的能量，分母是制動(dòng)初始時(shí)汽車(chē)的動(dòng)能減去風(fēng)阻和滾動(dòng)阻力消耗的能量。

第二種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是電機(jī)制動(dòng)回收的總能量占電池消耗總能量的比例。

(3)

式中：Idischg為電池直流端放電電流；ts為循環(huán)工況開(kāi)始時(shí)刻；te為循環(huán)工況結(jié)束時(shí)刻。式(3)是通過(guò)檢測(cè)電池兩端的電壓和進(jìn)出電池的電流得到的。

2.2 制動(dòng)能量回收率的定義

以上評(píng)價(jià)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)節(jié)能能力的標(biāo)準(zhǔn)中，制動(dòng)時(shí)回收的能量占汽車(chē)制動(dòng)時(shí)動(dòng)能的總能量的比率是指整體的能量回收效率。在一個(gè)測(cè)試工況中回收的能量可能又用作驅(qū)動(dòng)或者其他消耗，所以無(wú)法確切地知道在一個(gè)工況中回收的具體能量，回收的能量無(wú)法給出一個(gè)確切的參考數(shù)值。

電機(jī)制動(dòng)回收的總能量占電池消耗總能量的比例，是適用于電動(dòng)車(chē)的能量回收率的計(jì)算公式。但是電機(jī)回收的能量在傳遞到電池內(nèi)時(shí)通過(guò)能量的轉(zhuǎn)化會(huì)有一定的損失，而回收的能量再次用于驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛時(shí)能量又會(huì)存在損失。同時(shí)在能量回收以及再次使用的過(guò)程中車(chē)輛的其他電器(如車(chē)燈、空調(diào)、真空泵等)也會(huì)消耗回收或者電池的能量，使回收能量計(jì)算不準(zhǔn)，而且只適用于純電動(dòng)汽車(chē)。

以上定義還存在對(duì)于空氣阻力與滾動(dòng)阻力的測(cè)量不準(zhǔn)的情況，所提出的理論分析準(zhǔn)確，但實(shí)際操作不可行。本文中提出一種新的能量回收率的定義。制動(dòng)能量回收率的計(jì)算方法是基于有輪缸壓力傳感器或者能獲得輪缸壓力信號(hào)的車(chē)輛的對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程。在本試驗(yàn)中不需要對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加裝采集設(shè)備。

圖1為提出的能量回收率的計(jì)算過(guò)程流程圖。通過(guò)相同的試驗(yàn)條件，相同的試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行兩次相同的測(cè)試工況。第一次試驗(yàn)是有制動(dòng)能量回收功能的測(cè)試，第二次是沒(méi)有制動(dòng)能量回收的測(cè)試。分別算出兩次制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的大小，算出由制動(dòng)力矩之差產(chǎn)生的功率差積分得到回收的能量，通過(guò)相同的試驗(yàn)條件兩次計(jì)算過(guò)程中基本保持滾動(dòng)阻力、空氣阻力和其他耗能電器消耗的能量一致，以降低其對(duì)回收能量計(jì)算的影響。計(jì)算公式為

(4)

式中：Rber為制動(dòng)能量回收率；Etc為車(chē)輛行駛過(guò)程中總的能量消耗；Ebr為制動(dòng)時(shí)回收的能量。

式(4)的能量回收率表示制動(dòng)回收的能量與實(shí)際消耗的能量之間的比值。換言之，如果沒(méi)有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的汽車(chē)行駛100km，有能量回收系統(tǒng)的車(chē)輛在相同的行駛條件下行駛了110km，則能量回收率為10%。文獻(xiàn)[11]中提到的制動(dòng)能領(lǐng)回收效率的計(jì)算只是把制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)能量從回收到利用分為6個(gè)階段計(jì)算的一個(gè)綜合效率，沒(méi)有考慮制動(dòng)過(guò)程和能量利用過(guò)程中車(chē)輛其他耗能元件的能量消耗。同時(shí)計(jì)算各個(gè)過(guò)程中的效率參數(shù)需要的數(shù)據(jù)參數(shù)過(guò)多且計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，結(jié)果不一定準(zhǔn)確，實(shí)際操作難度大。所以本文中提出的理論計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，忽略的因素少，結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，且便于實(shí)際應(yīng)用。

3 基于輪缸壓力能量回收效率計(jì)算

3.1 測(cè)試參數(shù)的確定

在測(cè)試前須要采集以下信號(hào)如表1所示。

表1 采集信號(hào)

根據(jù)各個(gè)測(cè)試車(chē)型不同確定以下參數(shù)，如表2所示。表中cpFA指前軸制動(dòng)效能因數(shù)，cpRA指后軸制動(dòng)效能因數(shù)。

車(chē)輛制動(dòng)效能因數(shù)是指車(chē)輛前軸或者后軸上單位壓力產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，它與車(chē)輪滾動(dòng)半徑、制動(dòng)器等效摩擦半徑和制動(dòng)器摩擦因數(shù)有關(guān)。由于汽車(chē)制動(dòng)器的參數(shù)由制動(dòng)器廠提供，但是每個(gè)車(chē)輛的制動(dòng)器的狀態(tài)不是固定值，新的制動(dòng)器與充分磨盤(pán)的制動(dòng)器的效能因數(shù)有差異；同時(shí)車(chē)輛輪胎的充氣狀態(tài)和滾動(dòng)半徑也存在差異會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器提供的地面制動(dòng)力不同。所以制動(dòng)效能因數(shù)的獲得必須在無(wú)能量回收的情況下對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)忽略風(fēng)阻和滾動(dòng)阻力時(shí)，車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的總制動(dòng)力矩為

表2 車(chē)輛參數(shù)

Mb=mv×av×rw

(5)

式中：Mb為總的制動(dòng)力矩；mv為車(chē)輛的總質(zhì)量；av為車(chē)輛的加速度；rw為車(chē)輪的滾動(dòng)半徑。

式(5)中總制動(dòng)力矩的計(jì)算是從整車(chē)角度計(jì)算車(chē)輛的等效制動(dòng)力矩。

MB=(pFL+pFR)×cpFA+(pRL+pRR)×cpRA

(6)

式中：pi為輪缸壓力(i=FL,FR,RL,RR,下同)；cpFA為前軸制動(dòng)效能；cpRA為后軸制動(dòng)效能。

式(6)總制動(dòng)力矩的計(jì)算是從車(chē)輪輪缸制動(dòng)角度計(jì)算總制動(dòng)力矩。式(5)與式(6)聯(lián)立可以計(jì)算出前后軸的制動(dòng)效能。

制動(dòng)效能因數(shù)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，通過(guò)單軸制動(dòng)失效，測(cè)得實(shí)車(chē)制動(dòng)效能因數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。利用圖2中輪缸壓力穩(wěn)定時(shí)的壓力和車(chē)輛減速度數(shù)據(jù)計(jì)算前后軸的制動(dòng)效能因數(shù)。

3.2 計(jì)算過(guò)程

測(cè)試過(guò)程中采集輪缸壓力從而計(jì)算各輪的制動(dòng)力矩。

(7)

式中：Mi為各輪的制動(dòng)力矩。

計(jì)算出各個(gè)輪的制動(dòng)力矩后求和，得出等效至一個(gè)車(chē)輪上的整車(chē)制動(dòng)力矩為

Mtw=MFL+MFR+MRL+MRR

(8)

則有無(wú)能量回收時(shí)該等效整車(chē)制動(dòng)力矩的差值稱(chēng)為能量回收的等效制動(dòng)力矩，為

M=Mtw-wo-Mtw-w

(9)

式中：Mtw-w，Mtw-wo分別為有、無(wú)能量回收時(shí)的等效制動(dòng)力矩。

而制動(dòng)時(shí)能量回收的功率則為

(10)

式中：Pber為制動(dòng)時(shí)能量回收的功率，W；nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Mebw為等效制動(dòng)力矩，N·m；i為電機(jī)至車(chē)輪的傳動(dòng)比；ηg為平均電機(jī)發(fā)電效能；ηd為傳動(dòng)軸效率，這兩個(gè)參數(shù)通常選取在循環(huán)工況下的平均效率[11]。

求出式(10)中制動(dòng)功率在制動(dòng)過(guò)程中積分就可以求出回收的能量。

4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)條件，車(chē)輛初始速度為50km/h，保證制動(dòng)時(shí)間相同。經(jīng)過(guò)多次分別是無(wú)制動(dòng)能量回收和有制動(dòng)能量回收的制動(dòng)過(guò)程，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到兩次車(chē)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和輪缸壓力曲線，如圖3～圖7所示。

從圖3和圖5可以看出，兩次制動(dòng)過(guò)程的工況是相同的，車(chē)輛的初始制動(dòng)速度一致，到達(dá)車(chē)輛停止的時(shí)間一致。從圖4可以看出4個(gè)輪的輪缸壓力是一致的，說(shuō)明并沒(méi)有電機(jī)制動(dòng)力矩的參與，該制動(dòng)工況完全靠液壓制動(dòng)來(lái)使車(chē)輛停止。由制動(dòng)所消耗的車(chē)輛動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為熱能耗散[10]。由圖6可以看出，當(dāng)電機(jī)參與制動(dòng)時(shí)前后軸上的輪缸壓力不同。前后軸的液壓制動(dòng)所消耗的車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能耗散，但是由圖7可以看出，電機(jī)參與制動(dòng)時(shí)電機(jī)是處于發(fā)電狀態(tài)，制動(dòng)所消耗的車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回收。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際車(chē)型的前軸制動(dòng)效能cpAX為40.5，后軸制動(dòng)效能cpRX為19.3。傳動(dòng)軸的傳動(dòng)比為8.28。根據(jù)圖3和圖4所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)制動(dòng)能量回收的制動(dòng)過(guò)程計(jì)算出制動(dòng)消耗的能量為90.704kJ。根據(jù)圖5～圖7所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制動(dòng)能量回收的制動(dòng)過(guò)程計(jì)算出制動(dòng)消耗的能量為69.421kJ。根據(jù)有制動(dòng)能量回收的制動(dòng)過(guò)程計(jì)算出回收的能量為20.864kJ。通過(guò)上文的計(jì)算的單次常規(guī)制動(dòng)能量回收率為30.05%。

5 結(jié)論

本文中分析了制動(dòng)時(shí)整車(chē)能量消耗的方式，以及車(chē)輛能量回收率的計(jì)算方法，并以此作為計(jì)算以及評(píng)價(jià)車(chē)輛回收能量的方法。最終通過(guò)提出的回收能量的計(jì)算方法，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)的方式得出能量回收率，并得出了如下結(jié)論。

(1) 分析了整車(chē)能量在制動(dòng)時(shí)的耗散狀況，認(rèn)為車(chē)輛在直線制動(dòng)行駛過(guò)程中車(chē)速明顯降低的情況下，可以忽略風(fēng)阻與滾阻的消耗，車(chē)輛的動(dòng)能基本上由車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)消耗。而制動(dòng)消耗能量的兩種方式為制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦生熱耗散和通過(guò)點(diǎn)擊發(fā)電變?yōu)殡娔軆?chǔ)藏在電池中。

(2) 在分析現(xiàn)有的能量回收率的基礎(chǔ)上，提出了新的能量回收率的計(jì)算方法。按照提出的能量回收的計(jì)算方法可以清楚地表達(dá)能量回收系統(tǒng)對(duì)續(xù)駛里程的貢獻(xiàn)。

(3) 實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，通過(guò)本文中提出的實(shí)驗(yàn)計(jì)算方法，減少了空氣阻力與滾動(dòng)阻力的影響，滿(mǎn)足試驗(yàn)結(jié)果的精度要求。

[1] 王猛,孫澤昌,卓桂榮,等.電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(2):6-10.

[2] 婁潔,戴龍泉.電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收控制策略研究[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010,24(3):13-18.

[3] 初亮,蔡健偉,富子丞,等.純電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,42(1):18-22.

[4] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] MACKIN T J, NOE S C, BALL K J, et al. Thermal Cracking in Disc Brakes[J]. Engineering Failure Analysis,2002,9(1):63-76.

[6] 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[7] WANG Y B, CHU L, QI F W, et al. A Realization Method for Wheel Cylinder Pressure Fine Regulation[J]. Applied Mechanics and Materials,2013,246:661-665.

[8] BRANDENBURG L R, KING E T. Hybrid Electric Vehicle Regenerative Braking Energy Recovery System: U.S. Patent 5,291,960[P].1994-3-8.

[9] 姚亮,初亮,周飛鯤,等.純電動(dòng)轎車(chē)制動(dòng)能量回收節(jié)能潛力仿真分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2013,43(1):6-11.

[10] 林謝昭,高誠(chéng)輝,黃健萌.制動(dòng)工況參數(shù)對(duì)制動(dòng)盤(pán)摩擦溫度場(chǎng)分布的影響[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2006,13(1):45-48.

[11] 仇斌,陳全世.電動(dòng)城市公交車(chē)制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(16):81-84.

Calculation Method of Braking Energy RecoveryRate Based on Wheel Cylinder Pressure

Chu Liang1, Ma Wentao1, Cai Jianwei1, Liu Daliang1, Zhang Yongsheng2& Wei Wenruo2

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveDynamicSimulationandControl,Changchun130022; 2.R&DCenter,ChinaFAWGroupCorporation,Changchun130011

In view of the necessity of adding related equipment for measuring the braking energy recovery rate of vehicle at present, a novel calculation method of vehicle braking energy recovery rate is proposed. With the method, the difference between wheel cylinder pressure in both conditions of with and without braking energy recovery is collected to calculate the braking energy recovery rate, closely related to driving range. The results of real vehicle test verify the feasibility of the method proposed.

vehicle engineering; braking energy recovery rate; wheel cylinder pressure

*高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20110061130003)、國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2012DFA61010)和吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014055)資助。

原稿收到日期為2015年5月15日，修改稿收到日期為2015年7月30日。