基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法

初 亮,孫成偉,郭建華,趙 迪,李文惠

(1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春130022;2.吉林東光奧威汽車制動系統(tǒng)有限公司,長春130012)

0 引 言

制動能量回收技術(shù)利用電機(jī)將消耗于制動器內(nèi)的部分摩擦熱能轉(zhuǎn)換為電能存儲[1],用于保證整車行駛的經(jīng)濟(jì)性[2,3]。針對整車制動能量回收效果的評價,不同數(shù)據(jù)采集信號的獲取將產(chǎn)生不同的評價方法。文獻(xiàn)[4]分析了再生制動過程中整車能量流的特征,通過安裝傳感器可獲取動力電池端的電流電壓,驅(qū)動電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速,給出了不用測量點(diǎn)處的能量計算方法,并提出了基于距離和能量的兩種制動能量貢獻(xiàn)率的評價指標(biāo)。文獻(xiàn)[5]提出利用續(xù)駛里程貢獻(xiàn)率評價制動能量回收效果,在相同的工況下,兩次試驗(yàn)分別測量開啟與關(guān)閉制動能量回收功能的車輛行駛距離,從而進(jìn)行計算得出,但由于整車動力電池狀態(tài)、驅(qū)動電機(jī)狀態(tài)、電子電器耗電狀態(tài)不能確保完全相同,且需通過兩次試驗(yàn)得出,試驗(yàn)效率低。文獻(xiàn)[6]提出以制動能量回收率作為制動能量回收的評價指標(biāo),但是分母僅考慮到了動能,而未刨除整車滾動阻力、空氣阻力的影響,無法真實(shí)地反映出制動能量回收過程中再生制動系統(tǒng)所能回收的最大能量。同時,整車CAN協(xié)議內(nèi)也包含著大量的整車狀態(tài)信號,其開放程度也會影響到制動能量回收效果的評價[7]。如何根據(jù)整車的信號采集結(jié)果,采用簡單且有效的計算方法用于評價整車制動能量回收效果,是當(dāng)前制動能量回收技術(shù)亟需解決的問題[8]。

基于整車系統(tǒng)方案與制動力分配算法特征,本文通過在整車上加裝輪缸壓力傳感器,并根據(jù)整車CAN協(xié)議的開放程度,提出了評價制動能量回收效果的計算方法。

1 系統(tǒng)方案介紹

新能源汽車不同系統(tǒng)構(gòu)型對應(yīng)的動力源不同,使得整車驅(qū)動過程中消耗能量的計算具有多樣化。同時再生制動系統(tǒng)構(gòu)型不同,導(dǎo)致電液制動力分配不同,使得整車制動過程中回收能量的計算具有多樣化。因而需要對系統(tǒng)方案進(jìn)行介紹,為制動能量回收評價提供硬件平臺。

1.1 整車構(gòu)型簡介

本文選取純電動汽車作為研究車型,驅(qū)動系統(tǒng)采用電機(jī)前置前驅(qū)的布置方式,永磁同步電機(jī)與動力電池進(jìn)行配合工作,既可在驅(qū)動過程中利用動力電池能量驅(qū)動整車,又可在制動過程中將制動能量以電能的形式回收至動力電池中。內(nèi)嵌于制動控制器中的制動力分配算法將決定電機(jī)制動力的參與程度。具體的車型結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 目標(biāo)車型的結(jié)構(gòu)布置簡圖Fig.1 Structural layout diagram of target model

根據(jù)整車縱向動力學(xué)分析,車輛在制動過程中受到地面制動力、滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和慣性阻力的共同作用[9,10]。其中滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、慣性阻力與整車基本參數(shù)、整車行駛狀態(tài)、道路情況有關(guān),且無法對其進(jìn)行能量回收。而針對地面制動力,可由電機(jī)制動力和液壓制動力提供,并可利用電機(jī)制動力實(shí)現(xiàn)能量回收。

1.2 再生制動系統(tǒng)構(gòu)型簡介

圖2 再生制動系統(tǒng)液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematic diagram of regenerative braking system

本文選取的再生制動系統(tǒng)構(gòu)型如圖2所示,是在基于裝備ESC液壓調(diào)節(jié)單元的傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改動。為實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)與液壓制動力協(xié)調(diào)控制,需要使得制動主缸壓力與前軸輪缸壓力解耦控制,同時保證改動后的制動系統(tǒng)與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)有相同的制動踏板感覺,可通過增設(shè)踏板行程模擬器實(shí)現(xiàn)以上功能。具體踏板行程模擬器采用被動液力式模擬器[11],用于模擬前輪的PV特性。因而在駕駛員進(jìn)行制動踏板操縱時,來自于制動主缸的制動液可分別流入踏板行程模擬器和后軸輪缸中,實(shí)現(xiàn)改動后的再生制動系統(tǒng)構(gòu)型在不同踏板開度下的液壓特性與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)相同。

2 制動力分配算法

制動力分配算法是整個再生制動控制的核心技術(shù),主要負(fù)責(zé)前、后軸制動力分配和電液制動力分配[12]。通過對制動力分配算法研究,為再生制動系統(tǒng)能量回收評價提供理論計算依據(jù)。

如圖3所示,為了保證裝有再生制動系統(tǒng)的整車與傳統(tǒng)車具有相同的制動感覺,選取的前、后軸制動力分配按照傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的β線進(jìn)行分配。為充分發(fā)揮電機(jī)的制動能力,首先使用電機(jī)滿足所需前軸制動力,超出電機(jī)所能提供的制動力由前軸液壓制動力進(jìn)行補(bǔ)充。對于后軸制動力全部由液壓制動力提供,與傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)工作狀態(tài)相同。當(dāng)制動強(qiáng)度為z時,整車的制動力分配滿足如下關(guān)系:

式中:Fmotor_max為電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)最大再生制動力;β為前后軸制動力分配系數(shù);z為制動強(qiáng)度;Fm為電機(jī)再生制動力;Fhybrid_f為前軸液壓制動力;Fhybrid_r為后軸液壓制動力。

根據(jù)壓力與制動力之間的關(guān)系,得:

圖3 制動力分配策略Fig.3 Braking force allocation strategy

式中:p i為輪缸壓力(i＝FL,FR,RL,RR);cFA為前軸制動效能;cRA為后軸制動效能。

車輪的制動效能與輪缸直徑、車輪有效作用半徑、制動效能因數(shù)、車輪半徑有關(guān),無法精確計算得到。車輛在低速行駛時,可忽略整車滾動阻力和空氣阻力的作用,利用兩種不同制動強(qiáng)度下穩(wěn)態(tài)輪缸壓力計算得到前、后軸的制動效能。

式中:z1、z2為兩種不同的制動強(qiáng)度;m為整車質(zhì)量;p ij為輪缸壓力的不同試驗(yàn)結(jié)果(i＝FL,FR,RL,RR;j＝1,2)。

試驗(yàn)選取車速為30 km/h,在不同制動強(qiáng)度z1和z2下(z1＞z2)的輪缸壓力變化如圖4所示,利用式(3)可得,cFA＝43.2;cRA＝20.9。

圖4 前、后軸輪缸壓力變化Fig.4 Front and rear axle wheel cylinder pressure variation

3 制動能量回收評價指標(biāo)

制動能量回收評價指標(biāo)作為制動能量回收技術(shù)性能優(yōu)劣的評價標(biāo)準(zhǔn),具有重要的理論研究價值[13]。目前常利用電機(jī)回收能量的比例或續(xù)駛里程增加量等指標(biāo)進(jìn)行評價。結(jié)合本文提出的利用輪缸壓力作為評價輸入信號,考慮整車CAN協(xié)議開放程度,給出了制動能量回收率和續(xù)駛里程增加率的具體計算方法。

3.1 循環(huán)工況能耗計算

傳統(tǒng)制動系統(tǒng)由于采用串聯(lián)雙腔式制動主缸,前、后軸液壓管路壓力基本一致[14],由于本文采用的再生制動系統(tǒng)能保證與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相似的液壓特性,因而在開啟制動能量回收的循環(huán)工況中,利用后軸輪缸壓力的變化,可以計算出完全摩擦消耗于制動器的總能量Wcon為:

式中:n表示循環(huán)工況共制動n次;第i次制動中,t i－1為制動初始時刻,t i－2為制動結(jié)束時刻;Vveh為行駛車速。

通過獲取前軸輪缸壓力的變化,可以得到循環(huán)工況下驅(qū)動電機(jī)回收的能量Wregen為:

式中:ηdrv為傳動系統(tǒng)效率;ηm_chg為平均電機(jī)發(fā)電效率,通常參數(shù)取為循環(huán)工況下的平均效率[4,8]。

將驅(qū)動電機(jī)回收的能量Wregen用于驅(qū)動車輛后的能量Wregen_drv為:

式中:ηbattery_charge為平均動力電池充電效率;ηbattery_discharge為平均動力電池放電效率;ηm_drv為平均電機(jī)驅(qū)動效率,通常參數(shù)取為循環(huán)工況下的平均效率[4,8]。

驅(qū)動電機(jī)無能量回收時用于驅(qū)動車輛的能量Wnon_regen_drv為:

式中:Tmot_drv為電機(jī)驅(qū)動力矩;ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2 制動能量回收率

傳統(tǒng)車輛在制動過程中,理論上能夠回收的制動能量最大為摩擦制動器上消耗的能量。定義制動能量回收率ηreg為某循環(huán)工況下所有制動過程驅(qū)動電機(jī)回收的能量Wregen占完全摩擦消耗于制動器的總能量Wcon的比例,因而此種制動能量回收評價指標(biāo)需要獲取的參數(shù)與途徑參見表1,無需整車CAN協(xié)議的信號。

表1 制動能量回收率需求參數(shù)與途徑Table 1 Demand parameters and approaches of brake energy recovery rate

ηreg的計算公式為:

3.3 續(xù)駛里程增加率

工程化的制動能量回收評價用開啟和關(guān)閉制動能量回收功能時整車的續(xù)駛里程延長量所占比例δS來表示。

式中:Lworeg為無制動能量回收時的續(xù)駛里程;Lreg為有制動能量回收時的續(xù)駛里程。

本文提出利用循環(huán)工況中驅(qū)動電機(jī)回收能量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動車輛的能量Wregen_drv與驅(qū)動過程中的凈能量Wnon_regen_drv－Wregen_drv之比來表示續(xù)駛里程增加率δE,因而此種制動能量回收評價指標(biāo)需要獲取的參數(shù)與途徑參見表2,需要整車CAN協(xié)議的信號。

表2 續(xù)駛里程增加率需求參數(shù)與途徑Table 2 Demand parameters and approaches of driving range increase rate

δE的計算公式為:

針對本文提出的續(xù)駛里程增加率δE,利用能量之比代替續(xù)駛里程之比,具體的證明過程如下,式(11)是對續(xù)駛里程增加率計算公式式(10)的改動:

式中:在設(shè)定循環(huán)工況下,Eregen_off為不開制動能量回收功能時所消耗的能量;Eregen_on為開制動能量回收功能時所消耗的凈能量。

車輛在相同循環(huán)工況下工作時,在比較長的行駛里程內(nèi),可認(rèn)為整車能耗與行駛里程成比例關(guān)系[12]。假定有如下兩種情況:

情況1 在固定整車凈能耗為E0的條件下,開啟制動能量回收時的續(xù)駛里程為Sregen_on,關(guān)閉制動能量回收時的續(xù)駛里程為Sregen_off。

情況2 在固定整車?yán)m(xù)駛里程為S0的條件下,開啟制動能量回收時的整車能耗為Eregen_on,關(guān)閉制動能量回收時的整車能耗為Eregen_off。

可以看出,僅通過一次制動試驗(yàn),利用本文的評價方法,便可以測量出整車的續(xù)駛里程增加率,提高了整車試驗(yàn)效率。

4 實(shí)車試驗(yàn)

圖2為實(shí)車制動管路連接原理圖,其中實(shí)車采用純電動汽車,其液壓制動管路采用II型布置方案,采用國內(nèi)某生產(chǎn)商自主開發(fā)的液壓調(diào)節(jié)單元ESC連接至輪缸,實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的踏板行程模擬器安放在前軸主缸出口與液壓調(diào)節(jié)單元ESC入口之間,用于實(shí)現(xiàn)前軸解耦和踏板感覺模擬,具體實(shí)車管路連接實(shí)物如圖5所示?？刂茊卧捎肕icro AutoBox,驅(qū)動單元采用Rapid Prototype,Micro AutoBox上的ADC通道用于采集輪缸壓力,CAN通道用于采集整車的CAN信號。

圖5 制動管路連接實(shí)物圖Fig.5 Brake pipe connection diagram

實(shí)車在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行NEDC循環(huán)工況試驗(yàn),取其中一個NEDC循環(huán)工況的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

由于NEDC循環(huán)工況下,整車在制動過程中,制動強(qiáng)度比較小,因而從圖6和圖7中可以看出,針對于前軸制動力,電機(jī)制動力覆蓋了大部分工況,由于受電機(jī)的外特性影響,前軸液壓制動力只有在車速較高時有部分參與,在車速較低時前軸液壓制動力參與較少。

圖6 NEDC工況下電機(jī)力矩變化Fig.6 Variation of motor torque under NEDC cycle

圖7 NEDC工況下輪缸壓力變化Fig.7 Variation of wheel cylinder pressure under NEDC cycle

將本文提出的基于輪缸壓力計算的制動能量回收率結(jié)果與常用的制動能量回收率結(jié)果(利用電流電壓計算)進(jìn)行對比[4],并將本文提出的基于輪缸壓力計算的續(xù)駛里程增加率與通過開閉制動能量回收功能得到的續(xù)駛里程增加率結(jié)果進(jìn)行對比,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果對比Table 3 Comparison of test results

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知,本文提出的基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法與現(xiàn)有常用評價方法相比,相對誤差率都可控制在6%以內(nèi)。其中由于制動能量回收率ηreg相對于續(xù)駛里程增加率δS,無需對動力系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)、動力電池相關(guān)參數(shù)取平均值估算,因而相對誤差率較小。

本文提出的方法可適用于ABS/ESP未觸發(fā)時整車的制動能量回收評價,當(dāng)車輛觸發(fā)ABS/ESP時,為保證制動的安全性,車輛的再生制動系統(tǒng)將協(xié)調(diào)退出,將不對制動能量回收系統(tǒng)進(jìn)行評價。

5 結(jié) 論

(1)提出制動能量回收評價方法的計算受信息采集結(jié)果的影響,引入輪缸壓力信號,分析了整車系統(tǒng)方案和制動力分配算法的影響,考慮整車CAN協(xié)議開放程度,理論推導(dǎo)出基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法。

(2)實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果針對基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明可滿足試驗(yàn)結(jié)果的精度,可行性高。

[1]Zhang Jun-zhi,Li Yu-tong,Lv Chen,et al.New regenerative braking control strategy forrear-driven electrified minivans[J].Energy Convers Manage,2014,82:135-45.

[2]Lv Chen,Zhang Jun-zhi,Li Yu-tong.Extended-Kalman-filter-based regenerative and friction blended braking control for electric vehicle equipped with axle motor considering damping and elastric properties of electric powertrain[J].Vehicle System Dynamics,2014,52(11):1372-88.

[3]初亮,蔡健偉,富子丞,等.純電動汽車制動能量回收評價與試驗(yàn)方法研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014,42(1):18-22.Chu Liang,Cai Jian-wei,Fu Zi-cheng.Research on brake energy regeneration evaluation and test method of pure electric vehicle[J].Huazhong Univ of Sci&Tech(Natural Science Edition),2014,42(1):18-22.

[4]Lv Chen,Zhang Jun-zhi,Li Yu-tong,et al.Mechanism analysis and evaluation methodology of regenerative braking contribution to energy efficiency improvement of electrified vehicles[J].Energy Conversion and Management,2015,92:469-482.

[5]初亮,劉達(dá)亮,劉宏偉,等.純電動汽車制動能量回收評價方法研究[J].汽車工程,2017,39(4):471-479.Chu Liang,Liu Da-liang,Liu Hong-wei,et al.A study on the evaluation method of braking energy recovery in battery electric vehicle[J].Automotive Engineering,2017,39(4):471-479.

[6]王計廣,李孟良,徐月云,等.電動汽車制動能量回收系統(tǒng)評價方法研究[J].汽車技術(shù),2014(12):35-39.Wang Ji-guang,Li Meng-liang,Xu Yue-yun,et al.The study on evaluation method of braking energy recovery system for electric vehicle[J].Automobile Technology,2014(12):35-39.

[7]初亮,馬文濤,蔡建偉,等.基于輪缸壓力的制動能量回收率的計算方法[J].汽車工程,2016,38(2):211-215.Chu Liang,Ma Wen-tao,Cai Jian-wei,et al.Calculation method of braking energy recovery rate based on wheel cylinder pressure[J].Automotive Engineering,2016,38(2):211-215.

[8]仇斌,陳全世.電動城市公交車制動能量回收評價方法[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,48(16):80-85.Qiu Bin,Chen Quan-shi.Evaluation method of regenerative braking for electric city bus[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(16):80-85.

[9]Bj?rnsson L H,Karlsson S.The potential for brake energy regeneration under Swedish conditions[J].Applied Energy,2016,168:75-84.

[10]Lian Yu-feng,Zhao Yun,Hu Lei-lei,et al.Longitudinal collision avoidance control of electric vehicles based on a new safty distance model and constrainedregenerative-braking strength-continuity braking force distribution strategy[J].IEEE Transactions on Vehicle Technology,2016,65(6):4079-4094.

[11]初亮,楊毅,張世桐,等.基于制動感覺的制動能量回收系統(tǒng)的設(shè)計與匹配[J].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2015,45(4):1029-1035.Chu Liang,Yang Yi,Zhang Shi-tong,et al.Design and match of regenerative braking system based on braking feeling[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2015,45(4):1029-1035.

[12]Maia R,Silva M,Araújo R,et al.Electrical vehicle modeling:a fuzzy logic model for regenerative braking[J].Expert Systems With Applications,2015,42:8504-8519.

[13]Zhang Jun-zhi,Lv Chen,Gou Jin-fang,et al.Cooperative control of regenerative braking and hydraulic braking of an electrified passenger car[J].J Automob Eng,2012,226(10):1289-302.

[14]陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:283-370.