一種電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究

徐國(guó)勝，劉洪思，陳磊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 新能源乘用車公司，安徽 合肥 230601）

前言

新能源汽車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能夠大幅提高整車能量經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也是整車制動(dòng)安全性、制動(dòng)舒適性的重要影響因素，因此成為新能源汽車一項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)和一種具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的零部件產(chǎn)品[1]。隨著電子技術(shù)和汽車底盤技術(shù)的發(fā)展，高效、節(jié)能的電液助力技術(shù)逐漸地被應(yīng)用到新能源汽車上。與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)相比，其以電子元件替代了部分機(jī)械元件，取消了制動(dòng)踏板與制動(dòng)輪缸之間的機(jī)械連接，不需要真空助力器；電子制動(dòng)踏板通過傳感器采集駕駛員的制動(dòng)命令，由控制器進(jìn)行駕駛員制動(dòng)意圖識(shí)別，根據(jù)不同的行駛工況，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成制動(dòng)控制，很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的不足，充分利用車輪與路面附著，提高制動(dòng)效率及車輛行駛穩(wěn)定性[2-3]。

1 電液助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

電液助力系統(tǒng)（eBooster）結(jié)構(gòu)上選用分體式總泵助力電子液壓式線控制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，通過蝸輪蝸桿/齒輪齒條筒減速增扭機(jī)構(gòu)，將助力電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為制動(dòng)主缸活塞的平動(dòng)，駕駛員踩踏制動(dòng)踏板的反饋力由機(jī)械解耦機(jī)構(gòu)提供。系統(tǒng)主要由電機(jī)、蝸輪蝸桿－齒輪齒條減速機(jī)構(gòu)、踏板模擬器、制動(dòng)主缸和中央控制器等部分組成，如圖1所示。

圖1 電液助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

車輛制動(dòng)時(shí)，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，eBooster中央控制器通過采集踏板位移傳感器的位移信號(hào)、輪缸壓力傳感器的壓力信號(hào)、液壓控制單元的制動(dòng)壓力信號(hào)以及路面狀況識(shí)別信號(hào)，確定助力電機(jī)的目標(biāo)輸出扭矩的大小，并控制助力電機(jī)的實(shí)際輸出扭矩跟隨助力電機(jī)的目標(biāo)輸出扭矩；助力電機(jī)與渦輪蝸桿減速增扭機(jī)構(gòu)連接，再通過齒輪－齒條筒的嚙合，將助力電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒條筒的平動(dòng)，齒條筒推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞推桿運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生總泵制動(dòng)壓力，制動(dòng)液分別通過制動(dòng)管路推入液壓控制單元，再通過與液壓控制單元相連的各個(gè)制動(dòng)管路，推入各輪缸制動(dòng)器，從而對(duì)車輛實(shí)施制動(dòng)。此過程中，只有齒條筒會(huì)頂?shù)街鞲谆钊茥U，制動(dòng)踏板推桿始終會(huì)與主缸活塞保有間隙，駕駛員制動(dòng)力反饋完全由踏板模擬器提供，如圖2所示。

圖2 eBooster-電機(jī)助力模式示意圖

當(dāng)車輛處于制動(dòng)能量回收模式時(shí)，踏板模擬器處于模擬狀態(tài)，為駕駛員踩踏制動(dòng)踏板提供反作用力，同時(shí)助力電機(jī)處于非助力狀態(tài)，制動(dòng)力由制動(dòng)能量回收電機(jī)提供，此時(shí)總泵外端活塞桿同制動(dòng)踏板推桿有足夠間隙，保證駕駛員制動(dòng)感覺完全由模擬器提供，不被制動(dòng)能量回收影響。

當(dāng)eBooster系統(tǒng)失效時(shí)，此時(shí)踏板模擬器彈簧將不再對(duì)駕駛員提供模擬力，駕駛員在踩下一定制動(dòng)位移后，制動(dòng)推桿將直接推動(dòng)制動(dòng)總泵產(chǎn)生制動(dòng)壓力，對(duì)車輛實(shí)施制動(dòng)，駕駛員制動(dòng)踏板反饋力直接由制動(dòng)主缸提供。

2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

根據(jù)制動(dòng)力分配模式不同，可將制動(dòng)能量回收系統(tǒng)劃分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩類。并聯(lián)型是在驅(qū)動(dòng)軸采用機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)的聯(lián)合制動(dòng)，二者同時(shí)、并行地產(chǎn)生制動(dòng)力，而在非驅(qū)動(dòng)軸上依然采用傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦制動(dòng)，該系統(tǒng)存在能量回收利用率，踏板感較差。串聯(lián)型的制動(dòng)力由電機(jī)制動(dòng)力和制動(dòng)器制動(dòng)力共同組成，電機(jī)制動(dòng)力占主要地位，剩余部分由制動(dòng)器來提供，制動(dòng)器制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力的總和等于駕駛員期望制動(dòng)力[4-5]。串聯(lián)型可實(shí)現(xiàn)能量回收效率最大化，具有較好的踏板感，本文基于電液助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種串聯(lián)型能量回收系統(tǒng)方案，如圖3所示。

圖3 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 控制策略設(shè)計(jì)

采用“以提高能量回收效率為目標(biāo)的復(fù)合制動(dòng)控制策略”的回收模式，在制動(dòng)過程中優(yōu)先采用回饋制動(dòng)，不足的駕駛員制動(dòng)需求用液壓制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的功能集成在整車控制器中，駕駛員踩制動(dòng)踏板，根據(jù)制動(dòng)踏板力大小，eBooster進(jìn)入相應(yīng)工作，制動(dòng)控制器識(shí)別駕駛員制動(dòng)意圖，計(jì)算出總的制動(dòng)力，整車控制器（VCU）根據(jù)電池、電機(jī)狀態(tài)，發(fā)出系統(tǒng)當(dāng)前可回收功率和電機(jī)回饋制動(dòng)力，制動(dòng)控制器根據(jù)電機(jī)制動(dòng)力和總的制動(dòng)力，協(xié)調(diào)液壓制動(dòng)力，保證駕駛員的總的制動(dòng)力需求不變。

在一定車速下，駕駛員期望以固定減速度實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)開始時(shí)，由于電機(jī)回饋制動(dòng)力無(wú)法產(chǎn)生足夠的車輛減速度，液壓制動(dòng)力介入，以補(bǔ)充回饋制動(dòng)力的不足；當(dāng)車速逐漸降低，液壓制動(dòng)力逐步減小，直到完全退出，僅由回饋制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；在車速降至較低時(shí)，由于電機(jī)在此工作區(qū)間回饋制動(dòng)能力又無(wú)法滿足要求，液壓制動(dòng)重新介入，直到車速為0，如圖4所示。

圖4 復(fù)合制動(dòng)控制策略示意圖

圖5所示為變制動(dòng)強(qiáng)度復(fù)合制動(dòng)控制策略示意圖，試驗(yàn)車輛為前軸電驅(qū)動(dòng)車輛，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z小于地面附著系數(shù)μ時(shí)（假定μ=0.8，z=0.6g），則前后制動(dòng)力分配在AB段之間變化。

（1）當(dāng)最大回饋制動(dòng)力在Freg1范圍內(nèi)時(shí)（如圖中C點(diǎn)），前軸制動(dòng)力全部由回饋制動(dòng)提供，后軸制動(dòng)力數(shù)值對(duì)應(yīng)D點(diǎn)；（2）當(dāng)最大回饋制動(dòng)力小于 A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的前軸制動(dòng)力時(shí)（如圖中 E點(diǎn)），則回饋制動(dòng)力取最大值，由前后軸液壓制動(dòng)提供剩余制動(dòng)強(qiáng)度需求。為了將整車制動(dòng)力控制在I曲線上的F點(diǎn)，將前后軸液壓制動(dòng)分別控制在L點(diǎn)和G點(diǎn)；（3）當(dāng)最大回饋制動(dòng)力大于B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的前軸制動(dòng)力時(shí)，則回饋制動(dòng)對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)的前軸制動(dòng)力，后軸液壓制動(dòng)對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)的后軸制動(dòng)力。

圖5 變制動(dòng)強(qiáng)度復(fù)合制動(dòng)控制策略示意圖

2.3 制動(dòng)液壓系統(tǒng)執(zhí)行策略

圖6 液壓系統(tǒng)不參與制動(dòng)示意圖

基于小強(qiáng)度制動(dòng)工況下，僅有回饋制動(dòng)工作，液壓系統(tǒng)不提供摩擦制動(dòng)力，踏板模擬器的常開閥EV通電關(guān)閉，常閉閥AV通電打開，制動(dòng)液從主缸通過踏板模擬器的AV閥進(jìn)入活塞中，從而隔斷主缸和輪缸的壓力，屏蔽液壓制動(dòng)，如圖6所示。

當(dāng)電機(jī)回饋制動(dòng)不足時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)增壓，進(jìn)行制動(dòng)力補(bǔ)償，ESC的常閉閥HSV通電打開，常開閥USV關(guān)閉，電機(jī)泵通電運(yùn)行，ESC通過主動(dòng)增壓功能，泵取儲(chǔ)液罐的制動(dòng)液到相應(yīng)的輪缸，提供相應(yīng)的制動(dòng)壓力，最終產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力，如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)參與制動(dòng)示意圖

當(dāng)電機(jī)回饋制動(dòng)失效或者條件不滿足時(shí)，則踏板模擬器的常開閥EV和常閉閥AV同時(shí)斷電，恢復(fù)正常液壓制動(dòng)，如圖8所示。

圖8 無(wú)電機(jī)回饋制動(dòng)，液壓制動(dòng)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

表1 整車參數(shù)表

以某前輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)車為對(duì)象，在現(xiàn)有液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，匹配eBooster和ESC，整車控制器VCU負(fù)責(zé)能量回收和制動(dòng)力協(xié)調(diào)控制單元，整車參數(shù)如表1所示。

3.1 制動(dòng)能量回收功能測(cè)試

（1）較大制動(dòng)強(qiáng)度

緊急制動(dòng)或車輛低速下制動(dòng)，電機(jī)制動(dòng)力無(wú)法滿足制動(dòng)需求，前后軸僅液壓制動(dòng)，無(wú)電機(jī)制動(dòng)，踏板模擬器的常開閥EV和常閉閥AV同時(shí)斷電，恢復(fù)傳統(tǒng)液壓制動(dòng)，如圖9所示。

圖9 較大制動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試

（2）中等制動(dòng)強(qiáng)度

在駕駛員中等制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，踏板輸入略有抖動(dòng)。中等制動(dòng)強(qiáng)度需求，前軸電機(jī)制動(dòng)，后軸液壓制動(dòng)，ESC的常閉閥HSV通電打開，常開閥USV關(guān)閉，電機(jī)泵通電運(yùn)行，ESC通過主動(dòng)增壓功能，泵取儲(chǔ)液罐的制動(dòng)液到相應(yīng)的輪缸，提供相應(yīng)的制動(dòng)壓力，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力，如圖10所示。

圖10 中等制動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試

（3）小制動(dòng)強(qiáng)度

在駕駛員小制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，前期僅使用電機(jī)制動(dòng)，車速降低電機(jī)制動(dòng)不足，由液壓制動(dòng)補(bǔ)足，實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)和電機(jī)制動(dòng)的協(xié)調(diào)，如圖11所示。

圖11 小制動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試

3.2 制動(dòng)能量回收性能測(cè)試

針對(duì)試驗(yàn)樣車開展ECE工況續(xù)駛里程試驗(yàn)，記錄電池放電電量和回收的電量，分不同電量SOC區(qū)間，根據(jù)制動(dòng)能量回收評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6]，回收能量與總放電量的比值，計(jì)算出ECE工況下的能量回收貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表2所示，在全減速階段，車速7km/h以上僅由電機(jī)制動(dòng)力產(chǎn)生，7km/h以下，電機(jī)制動(dòng)力退出，僅液壓制動(dòng)，在SOC 30-20%區(qū)間，ECE循環(huán)工況經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)率最高達(dá)28.9%。

表2 ECE工況制動(dòng)能量回收貢獻(xiàn)率

4 結(jié)論

（1）電液助力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)真空助力器，利用制動(dòng)主缸里的電機(jī)實(shí)施助力，可以滿足純電動(dòng)車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求，基于電液助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整車制動(dòng)能量回收策略，在不影響駕駛員駕駛感覺的基礎(chǔ)上提供精確的液壓補(bǔ)償，配合整車實(shí)現(xiàn)踏板解耦的串行能量回收功能，具有較高的能量回收貢獻(xiàn)率，提升車輛續(xù)駛里程。

（2）基于電液助力系統(tǒng)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性、降低數(shù)據(jù)交互的復(fù)雜耦合，電機(jī)控制器和電池控制器由整車控制器協(xié)調(diào)控制，而ESC控制器只發(fā)送扭矩請(qǐng)求指令給整車控制器，而整車控制器把相關(guān)的電機(jī)、電池狀態(tài)發(fā)送給ESC控制器，具體制動(dòng)力控制和解耦過程通過上述的控制策略進(jìn)行，該協(xié)調(diào)工作方式最大限度地保證了各個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性、制動(dòng)安全性、系統(tǒng)的魯棒性。