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    基于純電動(dòng)“愛馳汽車”的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2021-01-10 12:42:16陳葉葉
    內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年24期
    關(guān)鍵詞:制動(dòng)系統(tǒng)純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)思路

    陳葉葉

    摘要: 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)適用于一種純電動(dòng)汽車的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),采取并行控制策略的設(shè)計(jì)思路。分別在Carsim、MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建整車模型和控制策略模型,然后建立聯(lián)合仿真模型,并且在NEDC循環(huán)工況和緊急制動(dòng)兩種工況下分別對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

    Abstract: The design of this project is suitable for an electro-hydraulic compound brake system of a pure electric vehicle, and adopts the design idea of parallel control strategy. The vehicle model and control strategy model were built on Carsim and MATLAB/Simulink simulation platforms respectively, and then a co-simulation model was established, and simulation analysis was performed on them under NEDC cycle conditions and emergency braking conditions.

    關(guān)鍵詞: 純電動(dòng)汽車;制動(dòng)系統(tǒng);設(shè)計(jì)思路;電液復(fù)合

    Key words: pure electric vehicle;brake system;design idea;electro-hydraulic compound

    中圖分類號(hào):U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-957X(2021)24-0215-03

    1? 研究意義

    目前無論是汽車行業(yè)還是消費(fèi)者都追求汽車能耗低,而現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是傳統(tǒng)汽、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著小排量的方向發(fā)展,混合動(dòng)力及純電動(dòng)汽車正朝著節(jié)油減排的方向發(fā)展,但是目前新的汽車動(dòng)力總成不能夠?yàn)槠涮峁┏掷m(xù)穩(wěn)定的制動(dòng)真空助力源,而且對(duì)于配有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車,真空助力系統(tǒng)已經(jīng)無法車輛在制動(dòng)是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的阻力控制以及制動(dòng)時(shí)的能量回收。

    為了彌補(bǔ)目前傳統(tǒng)助力系統(tǒng)的不足,先后研究出兩種不依賴于真空助力的形式的制動(dòng)系統(tǒng)。其中一種為高壓蓄能的制動(dòng)方式,當(dāng)車輛緊急制動(dòng)時(shí),存儲(chǔ)在蓄能器中的高壓儲(chǔ)能媒介會(huì)被釋放出來,瞬時(shí)將駕駛員所需要的制動(dòng)助力能力釋放出來,另外一種便是利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)裝置為主缸提供減壓能力。上述兩種類型各存在優(yōu)缺點(diǎn),第一類的高壓蓄能方式,對(duì)高壓媒介的儲(chǔ)存有較高的要求,存在一定的安全隱患,特別是在車輛發(fā)生交通事故時(shí),對(duì)駕駛員、乘客造成二次傷害。第二種助力系統(tǒng),系統(tǒng)的組成部分較多,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)其穩(wěn)定輸出有較高的要求而且由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)特性,踏板與主缸的解耦很難實(shí)現(xiàn),對(duì)于回收制動(dòng)能量存在一定的難度。

    本項(xiàng)目設(shè)計(jì)適用于一種純電動(dòng)汽車的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),采取并行控制策略的設(shè)計(jì)思路。分別在Carsim、MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建整車模型和控制策略模型,然后建立聯(lián)合仿真模型,并且在NEDC循環(huán)工況和緊急制動(dòng)兩種工況下分別對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

    2? 國(guó)內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀

    國(guó)內(nèi)外多位知名學(xué)者對(duì)電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)做了許多研究,主要研究?jī)?nèi)容包括制動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、控制策略研究、仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面。

    2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀? 豐田公司在混動(dòng)汽車Prius中建立了一套電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析,在此系統(tǒng)中利用制動(dòng)踏板模擬器實(shí)現(xiàn)解耦與液壓力和踏板力,在該系統(tǒng)內(nèi)包含ABS和安全制動(dòng)模式,在該研究的系統(tǒng)中也存在一定的缺點(diǎn):系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研究成本較高;博世公司開發(fā)的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)采用制動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元和制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)真空助力結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)通過市場(chǎng)的檢驗(yàn);GUANG等提出了一種電機(jī)減速機(jī)構(gòu)為主的EHB系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板與制動(dòng)力的解耦,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,但也存在一定的缺點(diǎn),未將ABS考慮在內(nèi)。

    2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀? 劉曦東等人采用并行再生控制算法,該算法不僅可以有效控制液壓制動(dòng)力而且能夠準(zhǔn)確分配制動(dòng)力,還進(jìn)一步對(duì)半實(shí)物進(jìn)行了仿真,但是也存在缺點(diǎn),該研究所設(shè)計(jì)的比例溢流閥很難實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo);李玉芳和吳炎花等人在設(shè)計(jì)過程中考慮到了制動(dòng)法規(guī)、制動(dòng)穩(wěn)定性、電機(jī)特性及制動(dòng)舒適性,并提出了理想制動(dòng)力分配策略,也進(jìn)行了城市循環(huán)工況仿真,但也存在缺點(diǎn),忽視了動(dòng)力電池因電量過高而引起的過充電保護(hù);王權(quán)等研究者利用仿真平臺(tái)AMESim搭建了一種電動(dòng)汽車復(fù)合制動(dòng)整車模型,并且對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)再生制動(dòng)力分配策略分別進(jìn)行了純制動(dòng)工況的仿真,目的是研究影響制動(dòng)能量回收的因素,但是也存在缺點(diǎn),沒有在在城市循環(huán)工況模擬其運(yùn)行工況。陳晉市等研究者建立1:1的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,結(jié)果驗(yàn)證了該套全新制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用性很可靠,但是此研究?jī)H僅局限于全電驅(qū)越野車,市面上普通電動(dòng)汽車并不適用。徐國(guó)勝等研究者研究的是一款純電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng),重點(diǎn)研究分析了純電動(dòng)車串行制動(dòng)能量回收系統(tǒng),研究結(jié)果證明了當(dāng)汽車處于制動(dòng)、減速階段,機(jī)械-液壓制動(dòng)力與電機(jī)回饋制動(dòng)力能夠很好的進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào),回收得到最大的制動(dòng)能量,而且能夠切實(shí)感受到制動(dòng)穩(wěn)定性以及穩(wěn)定的“踏板感”,但是該研究的不足之處是單個(gè)ECE循環(huán)工況在經(jīng)濟(jì)性方面僅僅能夠貢獻(xiàn)28.9%。吳科甲等研究人員在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)上搭建了電動(dòng)汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)硬件,在仿真軟件CarSim中搭建了車輛多體動(dòng)力學(xué)模型、在仿真軟件Labview中搭建了車輛動(dòng)力學(xué)控制模型、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及ESP泵控制系統(tǒng)。但是該研究針對(duì)的是汽車在極限工況下電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的能量回收情況,沒有普遍性。

    雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者的上述研究工作取得了一定的成果,但是研究過程中的技術(shù)方案、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、技術(shù)參數(shù)等方面不盡相同,而且運(yùn)用的研究方法和技術(shù)并未得到廣泛證實(shí)和推廣,因此存在一定的局限性,所以基礎(chǔ)理論知識(shí)和先進(jìn)科技技術(shù)仍然需要進(jìn)一步探索和挖掘。

    2016年發(fā)布的《浙江省能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和17年發(fā)布的《浙江省“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中均明確指出把節(jié)能減排作為優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)、加快“兩美”浙江建設(shè)的重要抓手和突破。

    綜上所述,提高新能源汽車的能量回收是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題和熱點(diǎn)問題,其中基于“四省通衢、五路總頭”之稱的衢州市新能源汽車技術(shù)的改進(jìn)便成為重要研究方向。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)新能源純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收綠色智能大發(fā)展。這一研究不僅在新能源汽車領(lǐng)域具有重大意義,在其他具有制動(dòng)系統(tǒng)的上設(shè)備上能夠被廣泛的應(yīng)用和普及。

    3? 研究?jī)?nèi)容

    3.1 電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)? 電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)把電機(jī)當(dāng)做液壓制動(dòng)力來源,利用電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力來助力踏板力,利用技術(shù)比較成熟的踏板力模擬器來解耦踏板力與制動(dòng)力,從而實(shí)現(xiàn)將準(zhǔn)確的制動(dòng)反饋感覺傳遞給給駕駛員。制動(dòng)系統(tǒng)主要由踏板力形成模塊、壓力產(chǎn)生模塊和壓力調(diào)節(jié)模塊組三大部分組成。

    3.2 制動(dòng)力分配控制策略設(shè)計(jì)? 當(dāng)今最流行的電動(dòng)汽車制動(dòng)控制策略主要有以下三種:最佳制動(dòng)效果控制策略、最優(yōu)能量回收控制策略和并行制動(dòng)控制策略。本項(xiàng)目研究者通過分析對(duì)比得出并行制動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)與本項(xiàng)目研究的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)更匹配,只需要將再生制動(dòng)力加在汽車的前軸便能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力分配,方法簡(jiǎn)單且成本低,而且能夠很好的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。所以本項(xiàng)目研究者共同決定采用并行控制策略的設(shè)計(jì)思路。

    3.3 仿真模型搭建? 由于設(shè)計(jì)者比較熟練運(yùn)用仿真軟件Carsim和MATLAB/Simulink,因此,使用以上兩個(gè)軟件來搭建電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,主要包括整車、電機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池、變速箱、駕駛員、VCU和制動(dòng)力控制策略模型。利用仿真軟件Carsim搭建整車模型,同時(shí)整車模型作為試驗(yàn)制動(dòng)性能的一個(gè)載體;在仿真軟件MAT-LAB/Simulink中搭建其他與制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的模型。

    3.4 聯(lián)合仿真分析? 根據(jù)電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,對(duì)NEDC汽車循環(huán)測(cè)試工況進(jìn)行仿真分析。由于緊急制動(dòng)工況在NEDC汽車循環(huán)測(cè)試工況中沒有設(shè)計(jì),那么在仿真過程中就需要加入緊急制動(dòng)工況,這樣做的目的是為了驗(yàn)證當(dāng)車輛緊急制動(dòng)過程中ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)加入其中的一個(gè)工作狀態(tài)。為了證整車模型搭建的合理性、整車制動(dòng)性能以及在制動(dòng)過程中所能回收到多少能量,因此把汽車行駛速度、制動(dòng)跑偏值、滑移率、制動(dòng)主缸壓力、制動(dòng)輪缸壓力、SOC電池電量作為聯(lián)合仿真模型性能測(cè)試的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

    4? 研究方案

    4.1 電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)? 制動(dòng)系統(tǒng)組成部分:踏板力形成模塊、壓力產(chǎn)生模塊和壓力調(diào)節(jié)模塊,其中在踏板力形成模塊中踏板位置傳感器、踏板工作缸壓力傳感器是用來收集踏板開度信息、駕駛員的制動(dòng)需求信息,踏板模擬器的功能是為駕駛?cè)颂峁┓答佒苿?dòng)感受。當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)失效時(shí),踏板力形成模塊將踏板力引入到壓力產(chǎn)生模塊當(dāng)中,采用人力制動(dòng),確保此種情況下的制動(dòng)安全。壓力產(chǎn)生模塊的作用主要是根據(jù)來自踏板力形成模塊的制動(dòng)壓力信號(hào)利用助力電機(jī)和其他機(jī)構(gòu),在制動(dòng)主缸內(nèi)產(chǎn)生與之匹配的制動(dòng)壓力,實(shí)現(xiàn)踏板力與制動(dòng)力的解耦。壓力調(diào)節(jié)模塊的主要功能是將主缸所傳出的制動(dòng)壓力分配給4個(gè)輪缸,在緊急制動(dòng)時(shí)通過切換4個(gè)電磁閥的通斷來調(diào)節(jié)在各輪缸的壓力。(圖1)

    4.2 電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配控制策略設(shè)計(jì)? 具體控制策略為:①當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí),車速傳感器和制動(dòng)踏板傳感器分別將汽車行駛速度和踏板位置信號(hào)傳遞給VCU,VCU通過此信號(hào)判斷駕駛員的意向。②由于汽車在緊急制動(dòng)時(shí)需要的制動(dòng)力較大,如果只靠電機(jī)再生制動(dòng)無法達(dá)到理想的制動(dòng)狀態(tài),為了提高汽車在制動(dòng)過程中的安全性,本設(shè)計(jì)的方案是當(dāng)汽車在緊急制動(dòng)時(shí),不采用電機(jī)再生制動(dòng)。根據(jù)實(shí)際道路測(cè)試的結(jié)果,將z的值等于0.7設(shè)定為汽車制動(dòng)的電液復(fù)合與ABS制動(dòng)相互切換的判斷點(diǎn)。當(dāng)z的值大于0.7時(shí),制動(dòng)策略將其定義為強(qiáng)度制動(dòng),此時(shí)啟動(dòng)純機(jī)械液壓制動(dòng)模式,此模式包括ABS緊急制動(dòng);當(dāng)z的值小于0.7時(shí),控制策略通過監(jiān)控電池的電量,從而做出對(duì)電池的保護(hù)策略。為了避免電池因過充電而導(dǎo)致不可不可挽回的破壞,該控制策略設(shè)定了SOC的值,當(dāng)SOC值大于0.8時(shí),制動(dòng)系統(tǒng)采用純機(jī)械液壓制動(dòng)模式,當(dāng)SOC值在0.8以下時(shí),控制策略就會(huì)判斷此時(shí)的制動(dòng)處于中低強(qiáng)度的制動(dòng)。③根據(jù)ECE法規(guī)的規(guī)定,汽車的制動(dòng)強(qiáng)度大于0.1時(shí),汽車的前軸和后軸同時(shí)參與車輛制動(dòng),因此把z=0.1設(shè)定為電機(jī)再生制動(dòng)與電液混合制動(dòng)切換的點(diǎn)。當(dāng)z的值小于0.1時(shí),整車制動(dòng)系統(tǒng)采取電機(jī)再生制動(dòng)模式,汽車在制動(dòng)過程中,車輛的前輪由電機(jī)再生制動(dòng)提供制動(dòng)力,后輪只有在停車、駐車時(shí)參與制動(dòng)。當(dāng)z的值在0.1~0.7范圍內(nèi)時(shí),此時(shí)采用并行控制策略,后輪采用機(jī)械液壓制動(dòng),整車控制器通過計(jì)算得出前輪所需要的制動(dòng)力,如果前輪的所需的制動(dòng)力只需要再生制動(dòng)就可以滿足的需求的話,前輪將由再生制動(dòng)單獨(dú)制動(dòng),如果再生制動(dòng)無法滿足前輪所需制動(dòng),則需要機(jī)械液壓制動(dòng)同時(shí)參與前輪制動(dòng),那么此時(shí)的前輪制動(dòng)由再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)共同參與制動(dòng),此時(shí)汽車進(jìn)入電液混合制動(dòng)模式。

    4.3 仿真模型搭建? 駕駛員模型按照電腦設(shè)定好的工況發(fā)出駕駛指令,經(jīng)過MCU處理完之后,通過信號(hào)線將驅(qū)動(dòng)扭矩、制動(dòng)扭矩信號(hào)發(fā)送給電機(jī)模型,制動(dòng)壓力信號(hào)輸送給制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)把電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力來源是,電機(jī)控制器將向變速器發(fā)出一定的功率信號(hào),此時(shí)電機(jī)控制器與電池相連的電纜將電流輸送給電機(jī),此時(shí)電機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)車輪,當(dāng)汽車在制動(dòng)時(shí),電機(jī)此時(shí)作為發(fā)電機(jī),將回收的制動(dòng)力產(chǎn)生的電流輸送給電池,為電機(jī)充電。當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)接收到制動(dòng)指令時(shí),制動(dòng)系統(tǒng)判斷其制動(dòng)模式和制動(dòng)壓力,并將其輸送到整車控制系統(tǒng)。

    4.4 聯(lián)合仿真分析? 首先對(duì)NEDC循環(huán)工況進(jìn)行仿真分析,分別將整車行駛車速、制動(dòng)跑偏值、滑移率、制動(dòng)主缸與制動(dòng)輪缸壓力、電池SOC值等進(jìn)行仿真分析,并將其作為聯(lián)合仿真模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)。然后進(jìn)行緊急制動(dòng)工況仿真分析,同樣將整車行駛車速、制動(dòng)跑偏值、滑移率、制動(dòng)主缸與制動(dòng)輪缸壓力、電池SOC值等進(jìn)行仿真分析。

    5? 總結(jié)

    汽車制動(dòng)系統(tǒng)將朝著電氣化、智能化的方向發(fā)展,本項(xiàng)目完成后能夠不斷優(yōu)化相關(guān)參數(shù)使其實(shí)現(xiàn)最佳的純電動(dòng)汽車中的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),提高制動(dòng)系統(tǒng)的能量回收率,本項(xiàng)目研究的制動(dòng)系統(tǒng)回收能量高達(dá)37%左右,增加純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程,實(shí)現(xiàn)減小能耗、延長(zhǎng)續(xù)航里程的目標(biāo)。對(duì)于社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面都存在積極的推動(dòng)作用,在技術(shù)方面,推動(dòng)新能源汽車,例如:純電動(dòng)、氫燃料等汽車的新技術(shù)的研究發(fā)展,加快技術(shù)的革新,促進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)全新的階段;在環(huán)境方面,能夠提高制動(dòng)能量回收,延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程,改變?nèi)藗儗?duì)汽車的消費(fèi)觀,提高電動(dòng)汽車的銷量,減少傳統(tǒng)汽車的銷量,從而減少尾氣污染物的排放,綠化環(huán)境,改善大自然。

    本項(xiàng)目設(shè)計(jì)適用于一種純電動(dòng)汽車的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng),采取并行控制策略的設(shè)計(jì)思路。分別在Carsim、MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建整車模型和控制策略模型,然后建立聯(lián)合仿真模型,并且在NEDC循環(huán)工況和緊急制動(dòng)兩種工況下分別對(duì)其進(jìn)行仿真分析。這將會(huì)提高新能源汽車的能量回收是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題和熱點(diǎn)問題,新能源汽車技術(shù)的改進(jìn)便成為重要研究方向,有利于促進(jìn)新能源純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收綠色智能大發(fā)展。

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