一種電動(dòng)汽車電液制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)

陳 燎，譚毓彬，盤朝奉,b

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院；b.汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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一種電動(dòng)汽車電液制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)

陳 燎a，譚毓彬a，盤朝奉a,b

(江蘇大學(xué) a.汽車與交通工程學(xué)院；b.汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了使電動(dòng)汽車在制動(dòng)時(shí)回收更多的能量，設(shè)計(jì)了一種新的電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)電動(dòng)汽車在低強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，機(jī)械摩擦制動(dòng)和電機(jī)的再生制動(dòng)解耦，此時(shí)制動(dòng)力完全由電機(jī)再生制動(dòng)力提供，既能保證制動(dòng)安全性又能高效回收制動(dòng)能量。在高級(jí)工程系統(tǒng)仿真建模環(huán)境(AMESim)下，建立了該制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，并根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建了實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)架。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明：該制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)有一定的合理性。

電動(dòng)汽車；液壓制動(dòng)；AMESim軟件；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

再生制動(dòng)技術(shù)可以提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，有助于電動(dòng)汽車的推廣。目前，電動(dòng)汽車再生制動(dòng)的研究主要集中在控制策略和制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上。典型制動(dòng)力分配控制策略有3種，分別是理想制動(dòng)力分配、最優(yōu)能量回收和并行制動(dòng)策略[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]同時(shí)考慮了車速、制動(dòng)強(qiáng)度和電池荷電狀態(tài)的影響，提出了基于制動(dòng)能量回收最大化的復(fù)合制動(dòng)控制策略。并行制動(dòng)策略兼顧制動(dòng)安全和能量回收兩個(gè)方面，應(yīng)用廣泛。為了配合并行制動(dòng)控制策略，要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。普通電動(dòng)汽車只是在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)上疊加了制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車相同[3-4]。由于再生制動(dòng)力的加入，會(huì)導(dǎo)致真實(shí)的制動(dòng)減速度與駕駛員的制動(dòng)意圖不符。由于制動(dòng)時(shí)一直伴隨有機(jī)械摩擦制動(dòng)，因此能量回收效率較低[5-6]。日本豐田汽車公司生產(chǎn)的普銳斯(Prius)混合動(dòng)力汽車對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制，但因?yàn)樵谙到y(tǒng)中增加了電磁閥和相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)，使得成本增大，并降低了系統(tǒng)的可靠性[7]。

本文同時(shí)考慮駕駛員良好的踏板感覺(jué)和能量高效回收，以節(jié)約成本和方案實(shí)施的簡(jiǎn)易性為原則，對(duì)原有制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)，可對(duì)機(jī)械摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)力協(xié)調(diào)控制。在低強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，機(jī)械摩擦制動(dòng)和電機(jī)的再生制動(dòng)解耦，完全由電機(jī)的再生制動(dòng)力提供汽車制動(dòng)力，同時(shí)回收制動(dòng)能量，可提高續(xù)駛里程。在中等強(qiáng)度或者高強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，要考慮電動(dòng)汽車制動(dòng)安全性和制動(dòng)方向穩(wěn)定性，協(xié)調(diào)控制電機(jī)的再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力。在緊急制動(dòng)情況下，切斷電機(jī)再生制動(dòng)，僅由機(jī)械摩擦制動(dòng)提供制動(dòng)力，并且由防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(anti-lock-braking system，ABS)控制單元控制各個(gè)制動(dòng)輪缸的液壓力，保證車輛制動(dòng)方向的穩(wěn)定性。

1 電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)

某款電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改裝，在制動(dòng)主缸和制動(dòng)輪缸之間加入了如圖2所示的主缸油路電磁閥VS和壓力傳感器，并且在制動(dòng)主缸前腔和后腔之間并聯(lián)加入行程模擬器和模擬器電磁閥VM，模擬低強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)感覺(jué)[8]。控制器通過(guò)接收壓力傳感器檢測(cè)的制動(dòng)管路中的壓力信號(hào)和位移傳感器檢測(cè)的踏板位移信號(hào)，來(lái)控制電磁閥的通斷狀態(tài)。低強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，主缸

表1 電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)基本參數(shù)

油路電磁閥VS處于截止?fàn)顟B(tài)，模擬器電磁閥VM處于導(dǎo)通狀態(tài)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，制動(dòng)液通過(guò)模擬器電磁閥VM進(jìn)入行程模擬器，模擬駕駛員的駕駛感覺(jué)。此時(shí)，由于主缸油路電磁閥VS處于截止?fàn)顟B(tài)，制動(dòng)液不能進(jìn)入制動(dòng)輪缸，電動(dòng)汽車的制動(dòng)力全部由電機(jī)再生制動(dòng)力提供，并且能夠回收制動(dòng)能量。隨著踏板位移和制動(dòng)強(qiáng)度的增大，控制器檢測(cè)到壓力傳感器傳來(lái)的壓力信號(hào)達(dá)到了預(yù)設(shè)的門限值后，控制主缸油路電磁閥VS處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)控制模擬器電磁閥VM處于截止?fàn)顟B(tài)。由于模擬器電磁閥VM截止，制動(dòng)液只能進(jìn)入制動(dòng)輪缸，此時(shí)電動(dòng)汽車的制動(dòng)力包括電機(jī)再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的復(fù)合制動(dòng)，既能保證良好的制動(dòng)效能，又能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。

1.踏板傳感器;2.真空助力器;3.主缸;4.踏板模擬器;5～6.壓力傳感器;7.制動(dòng)器;8.制動(dòng)控制單元;9.踏板;VM.模擬器電磁閥;VS.主缸油路電磁閥;ECU.電子控制單元。圖1 電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2 主缸油路電磁閥和壓力傳感器

2 基于AMESim的電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)建模

電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)燃油汽車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，主要包括制動(dòng)踏板、真空助力器、制動(dòng)主缸、制動(dòng)鉗體以及連接這些部件的機(jī)械元件和液壓管路等。不同之處在于真空助力器的真空來(lái)源，傳統(tǒng)燃油汽車的真空來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門后方進(jìn)氣歧管內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓，而電動(dòng)汽車由于沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，其真空助力器中真空的建立完全依靠電動(dòng)真空泵[4]。另外，為了使電動(dòng)汽車可以回收更多的制動(dòng)能量，同時(shí)為了使駕駛員獲得較好的踏板感覺(jué)，需要在傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入行程模擬器、電磁閥以及相應(yīng)的傳感器[8-9]。

高級(jí)工程系統(tǒng)仿真建模環(huán)境(advanced modeling environment for performing simulation of engineering systems，AMESim)軟件提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，可以在該平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的仿真系統(tǒng)模型[10-11]。它包含液壓、機(jī)械和氣動(dòng)流體等庫(kù)文件，尤其在液壓系統(tǒng)的建模和仿真方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械和飛機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)的建模和仿真[10-11]。利用該仿真軟件的特點(diǎn)，分別建立制動(dòng)主缸、制動(dòng)器和踏板行程模擬器的仿真模型。

2.1 制動(dòng)主缸建模

制動(dòng)主缸為串聯(lián)雙腔式，兩個(gè)主缸活塞之間留有間隙，并通過(guò)回位彈簧及阻尼元件進(jìn)行連接?？紤]其內(nèi)部?jī)蓚€(gè)活塞的慣性建立仿真模型，制動(dòng)主缸模型示意圖如圖3所示。

圖3 制動(dòng)主缸模型示意圖

由圖3可以看出：在制動(dòng)踏板力的作用下，如果忽略活塞與主缸內(nèi)壁間的摩擦力和制動(dòng)液內(nèi)部摩擦力的影響，若要推動(dòng)主缸后腔活塞向前移動(dòng)，主缸前腔活塞先要克服兩活塞間的彈簧阻尼力來(lái)消除兩活塞間隙；活塞間隙消除后，還要額外克服兩活塞直接接觸所產(chǎn)生的等效彈簧力，在前腔制動(dòng)液壓力和前腔彈簧力的作用下，推動(dòng)主缸后腔活塞向前移動(dòng)[12-14]。

活塞間隙消除之前，后缸活塞和前缸活塞的受力方程[13]分別為：

其中：m1為前腔活塞質(zhì)量，kg；m2為后腔活塞質(zhì)量，kg；x1為前腔活塞位移，m；x2為后腔活塞位移，m；Fb為主缸推桿力，N；Fp1為主缸前腔制動(dòng)液壓力，N；Fp2為主缸后腔制動(dòng)液壓力，N；Fs1為連接彈簧力，N；Fd1為連接阻尼力，N；Fs2為主缸后腔內(nèi)回位彈簧力，N。

連接彈簧力和連接阻尼力的計(jì)算公式[13]分別為：

其中：k1為連接彈簧剛度，N/m；f1為連接阻尼系數(shù)，N/(m/s)；G1為連接彈簧預(yù)緊量，m。

2.2 制動(dòng)器建模

圖4 制動(dòng)器仿真模型

根據(jù)浮動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理建立制動(dòng)器仿真模型，如圖4所示。建模時(shí)考慮了制動(dòng)器活塞的慣性、鉗體和制動(dòng)盤之間的間隙以及接觸后的彈簧阻尼等因素的影響。模型以制動(dòng)主缸輸入的制動(dòng)液壓力為輸入量，以產(chǎn)生的制動(dòng)器制動(dòng)力為輸出量[13]。

由圖4可以看出：在制動(dòng)主缸制動(dòng)液壓力的作用下，制動(dòng)鉗體要克服回位彈簧的阻力來(lái)消除制動(dòng)塊與制動(dòng)盤之間的間隙。間隙消除后，還要額外克服制動(dòng)塊和制動(dòng)盤直接接觸所產(chǎn)生的等效彈簧阻尼的影響[13]。

制動(dòng)塊與制動(dòng)盤之間的間隙消除之前，制動(dòng)鉗體的受力方程[12]為：

(5)

其中：mq為制動(dòng)鉗體質(zhì)量，kg；xq為制動(dòng)鉗體位移，m；Fz為制動(dòng)壓力，N；Fsl為回位彈簧力，N。

回位彈簧力計(jì)算公式[13]為：

(6)

其中：kq1為回位彈簧剛度，N/m；△q1為回位彈簧預(yù)緊量，m。

2.3 踏板行程模擬器建模

為了回收更多的制動(dòng)能量，在制動(dòng)初始時(shí)，電機(jī)再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)解耦，制動(dòng)主缸和制動(dòng)輪缸之間的油路被主缸油路電磁閥VS斷開(kāi)，制動(dòng)液不能進(jìn)入制動(dòng)輪缸，不能反饋踏板力和踏板行程。因此，需要用踏板行程模擬器來(lái)模擬踏板行程和踏板力之間的關(guān)系，使駕駛員獲得良好的制動(dòng)感覺(jué)。踏板行程模擬器的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

1.前腔油路；2.模擬器活塞；3.后腔油路； 4.模擬器后腔；5.模擬器彈簧；6.活塞間隙； 7.模擬器前腔；8.模擬器電磁閥。圖5 踏板行程模擬器結(jié)構(gòu)原理

模擬器的液壓腔分為前腔和后腔，分別與制動(dòng)主缸的前腔和后腔相連。后腔內(nèi)設(shè)置有行程模擬器彈簧，彈簧可以起到活塞回位的作用，也可以反饋踏板力。連接兩個(gè)腔的活塞兩側(cè)面積不相等，使兩個(gè)液壓腔內(nèi)的壓力不同，駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，壓力差推動(dòng)模擬器活塞移動(dòng)，活塞位移模擬踏板行程，同時(shí)模擬器彈簧力反饋踏板力。

數(shù)學(xué)模型中不考慮模擬器彈簧的預(yù)置力，則模擬器的活塞受力平衡方程為：

PfSf=PrSr+ksxs，

(7)

其中：Pf、Pr分別為模擬器前腔和后腔的制動(dòng)液壓力，MPa；Sf、Sr分別為模擬器活塞前腔和后腔的端面積，m2；ks為模擬器彈簧剛度,N/m；xs為模擬器活塞的位移，m。

3 動(dòng)態(tài)特性仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 動(dòng)態(tài)特性仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)，利用AMESim軟件在液壓建模和動(dòng)態(tài)仿真等方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)建立仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)以踏板力作為輸入信號(hào)，模擬駕駛員的踏板動(dòng)作，以主缸油路電磁閥VS前、后制動(dòng)管路的制動(dòng)液壓力作為輸出。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

目前，豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)有最先進(jìn)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)制動(dòng)輪缸制動(dòng)液壓力的主動(dòng)控制，制動(dòng)時(shí)需要同時(shí)對(duì)電機(jī)再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力進(jìn)行控制。但是其制動(dòng)系統(tǒng)加入了太多的電磁閥，成本較高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性較低。本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)，僅僅加入兩個(gè)電磁閥和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，制動(dòng)解耦時(shí)，僅需要對(duì)電機(jī)再生制動(dòng)力進(jìn)行控制，為電動(dòng)汽車提供制動(dòng)力，系統(tǒng)可靠性較高。

根據(jù)圖1所示的電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)架。利用所搭建的試驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)試驗(yàn)獲取了踩下制動(dòng)踏板后主缸油路電磁閥VS前管路的壓力、主缸油路電磁閥VS后管路的壓力和電磁閥開(kāi)關(guān)信號(hào)，驗(yàn)證了仿真模型的合理性。試驗(yàn)時(shí)，踩下制動(dòng)踏板，在控制器中預(yù)設(shè)電磁閥開(kāi)啟時(shí)的壓力閾值，利用控制器控制電磁閥的開(kāi)閉，傳感器采集制動(dòng)管路中的壓力。

圖6為主缸油路電磁閥VS前管路壓力的仿真和試驗(yàn)曲線，圖7為主缸油路電磁閥VS后管路壓力的仿真和試驗(yàn)曲線。由圖6和圖7可看出：仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖6 主缸油路電磁閥VS前管路壓力仿真和試驗(yàn)曲線
圖7 主缸油路電磁閥VS后管路壓力仿真和試驗(yàn)曲線

由仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可以看出：制動(dòng)開(kāi)始時(shí)，由于主缸油路電磁閥VS處于關(guān)閉狀態(tài)，而模擬器電磁閥VM處于導(dǎo)通狀態(tài)，制動(dòng)液全部進(jìn)入踏板行程模擬器中，踏板行程模擬器中的制動(dòng)液壓力上升，制動(dòng)輪缸中沒(méi)有產(chǎn)生制動(dòng)液壓力。此時(shí)，通過(guò)控制器控制電機(jī)提供適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)力矩，安全制動(dòng)的同時(shí)又能高效回收制動(dòng)能量。隨著踏板力和踏板位移的增大，踏板行程模擬器中的制動(dòng)液壓力繼續(xù)增大，當(dāng)制動(dòng)液壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值之后，控制器控制打開(kāi)主缸油路電磁閥VS，關(guān)閉模擬器電磁閥VM，制動(dòng)液進(jìn)入制動(dòng)輪缸，推動(dòng)輪缸活塞，使摩擦片和制動(dòng)盤接觸，產(chǎn)生機(jī)械摩擦制動(dòng)力。此時(shí)，控制器控制電機(jī)再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力的合理分配，協(xié)同提供汽車的制動(dòng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)促動(dòng)系統(tǒng)能夠在低強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)的解耦。在低強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，液壓制動(dòng)不工作，制動(dòng)力全部由電機(jī)再生制動(dòng)力提供，回收效率得到提高。同時(shí)為兼顧駕駛員的制動(dòng)感覺(jué)，設(shè)計(jì)了踏板行程模擬器，使在制動(dòng)解耦時(shí)，駕駛員仍能夠獲得良好的制動(dòng)踏板感覺(jué)。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105178,51475213);江蘇省六大人才高峰基金項(xiàng)目(2013-XNY-002);江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程基金項(xiàng)目

陳燎(1963-),男,四川德陽(yáng)人,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事汽車電子及智能交通系統(tǒng)等方面的研究.

2016-09-13

1672-6871(2017)03-0025-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.006

U463.52

A