增大腳閥空行程的再生制動(dòng)策略研究與測試

【摘" 要】基于開關(guān)量腳閥的并聯(lián)制動(dòng)能量回收方案無法根據(jù)制動(dòng)踏板開度調(diào)整回收扭矩，在提高制動(dòng)能量回收率的同時(shí)無法兼顧制動(dòng)性能，故提出基于模擬量腳閥的并聯(lián)制動(dòng)能量回收方案。首先通過分析傳統(tǒng)車輛制動(dòng)力曲線特性增大腳閥空行程，完成腳閥開發(fā)；其次根據(jù)ECE法規(guī)計(jì)算能量回收扭矩邊界，完成樣車改制；最后針對樣車開展回收效果評價(jià)及相關(guān)制動(dòng)性能試驗(yàn)，測得該回收策略下的制動(dòng)能量回收效果有顯著提升，且制動(dòng)效能滿足法規(guī)要求，主觀評價(jià)在駕駛員可接受范圍內(nèi)。表明該回收方案具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)回收；大空行程模擬量腳閥；回收扭矩邊界；回收效果；主觀評價(jià)

中圖分類號：U463.5" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0054-05

Research and Testing of Regenerative Braking Strategy for Increasing the Empty Travel of Foot Valve

QIN Yanbin，WANG Yutao，WANG Min

（Xuzhou XCMG Automotive Manufacturing Co.，Ltd.，Xuzhou 221100，China）

【Abstract】The parallel braking energy recovery scheme based on switch foot valve cannot adjust the recovery torque according to the opening of the brake pedal，and cannot balance the braking performance while improving the braking energy recovery rate. Therefore，a parallel braking energy recovery scheme based on analog foot valve is proposed. Firstly，by analyzing the characteristics of traditional vehicle braking force curves and increasing the empty stroke of the foot valve，the development of the foot valve is completed；Secondly，according to ECE regulations，calculate the energy recovery torque boundary and complete the prototype modification；Finally，an evaluation of the recovery effect and related braking performance tests were conducted on the sample vehicle. It was found that the braking energy recovery effect under this recovery strategy was significantly improved，and the braking efficiency met regulatory requirements. The subjective evaluation was within the acceptable range for the driver. This indicates that the recycling scheme has certain engineering application value.

【Key words】parallel recycling；large air travel analog foot valve；retrieve torque boundary；recycling effect；subjective evaluation

作者簡介

秦嚴(yán)彬（1982—），男，工程師，從事商用車性能開發(fā)及研究優(yōu)化工作。

制動(dòng)能量回收是電動(dòng)車輛及混合動(dòng)力車輛降低能耗的重要手段之一。對比各國檢測汽車燃油消耗量和經(jīng)濟(jì)性典型城市工況下制動(dòng)消耗能量與總消耗能量（表1），車輛運(yùn)行消耗的能量大約一半用來克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力等以驅(qū)動(dòng)車輛前行，一半通過制動(dòng)以熱能的形式散失掉，通過對制動(dòng)能量進(jìn)行回收，則可降低車輛能量消耗。目前，制動(dòng)能量回收已廣泛應(yīng)用于新能源車輛，但回收方案不盡相同。能量回收方案總體分為以下幾種：①回收制動(dòng)和摩擦制動(dòng)耦合的并聯(lián)式，該方案策略簡單、成本低、易實(shí)現(xiàn)，但制動(dòng)時(shí)的舒適性差，且回收制動(dòng)與摩擦制動(dòng)同時(shí)介入，仍有大部分能量以摩擦熱的形式散失，回收率低；②回收制動(dòng)與摩擦制動(dòng)解耦的串聯(lián)式，制動(dòng)系統(tǒng)具有制動(dòng)管理功能，制動(dòng)時(shí)先通過能量回收進(jìn)行制動(dòng)，當(dāng)回收制動(dòng)強(qiáng)度不滿足駕駛員需求制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，協(xié)調(diào)摩擦制動(dòng)補(bǔ)充，該方案回收效率高，但車輛配置需具備制動(dòng)管理功能，成本高。本文提出大空行程模擬量腳閥的并聯(lián)式制動(dòng)能量回收方案，兼顧成本的同時(shí)提高制動(dòng)能量回收率。

1" 大空行程模擬量腳閥制動(dòng)能量回收方案

采用模擬量腳閥，根據(jù)踏板開度調(diào)節(jié)回收扭矩，兼顧制動(dòng)性能。摩擦制動(dòng)與回收制動(dòng)扭矩分配關(guān)系如圖1所示。此外，增大腳閥空行程，空行程內(nèi)只有回收制動(dòng)，無摩擦制動(dòng)，以便提高能量回收率，且樣車原制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持不變，成本低。

1.1" 腳閥空行程選取分析

腳閥空行程太短則容易因誤碰踏板而制動(dòng)，太過靈敏，空行程太長，制動(dòng)太疲軟，主觀感受較差。本文空行程的選取綜合考慮樣車空滿載工況，以實(shí)際采集的傳統(tǒng)燃油車制動(dòng)踏板開度與制動(dòng)力關(guān)系曲線為基礎(chǔ)曲線，以增大空行程后的回收+摩擦制動(dòng)力曲線高于基礎(chǔ)曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動(dòng)力曲線與基礎(chǔ)曲線相差較小為原則選取腳閥空行程。保持電機(jī)端回收扭矩不變，變速器擋位越低，車輪端回收制動(dòng)力越大，擋位越高，車輪端回收制動(dòng)力越小，故只擬合最高擋（4擋）與最低擋（1擋）的制動(dòng)力曲線。踏板開度較大時(shí)，ABS激活，能量回收退出，制動(dòng)力由ABS調(diào)節(jié)，擬合曲線沒有參考意義，不做擬合。

圖2為滿載工況下最低變速器擋位時(shí)的踏板開度與制動(dòng)力曲線擬合。由圖2可見，增大空行程后的回收+摩擦總制動(dòng)力曲線完全覆蓋基礎(chǔ)曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動(dòng)力曲線與基礎(chǔ)曲線相差較小。

圖3為滿載工況下最高變速器擋位時(shí)的踏板開度與制動(dòng)力曲線擬合。由圖3可見，最高擋時(shí)，增大空行程后的回收+摩擦總制動(dòng)力曲線更加接近基礎(chǔ)曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動(dòng)力曲線與基礎(chǔ)曲線的關(guān)系同最低擋相差較小。

圖4為空載工況下最低變速器擋位時(shí)的踏板開度與制動(dòng)力曲線擬合。由圖4可見，增大空行程后的回收+摩擦總制動(dòng)力曲線完全覆蓋基礎(chǔ)曲線，但高出較多，能量回收退出后的僅摩擦制動(dòng)力曲線與基礎(chǔ)曲線相差較小。

圖5為空載工況下最高變速器擋位時(shí)的踏板開度與制動(dòng)力曲線擬合。由圖5可見，最高擋時(shí)增大空行程后的回收+摩擦總制動(dòng)力曲線更加接近基礎(chǔ)曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動(dòng)力曲線與基礎(chǔ)曲線的關(guān)系同最低擋相差較小。

綜合考慮空滿載工況，以及能量回收在緊急制動(dòng)等工況下退出時(shí)的僅摩擦制動(dòng)的制動(dòng)性能，該空行程的設(shè)想可滿足要求。

1.2" 回收邊界計(jì)算

并聯(lián)式能量回收扭矩直接疊加到原摩擦制動(dòng)之上，故需考慮增加能量回收后的前后軸制動(dòng)力分配是否滿足法規(guī)要求。根據(jù)ECE法規(guī)要求，確定不同踏板開度下的電機(jī)回收扭矩邊界值?；厥张ぞ剡吔缰?Min（橋反拖扭矩限制下電機(jī)端回收扭矩，ECE法規(guī)限制下電機(jī)回收扭矩限值，電機(jī)允許回收扭矩）。其中，橋的反拖扭矩限值由橋供應(yīng)商提供，根據(jù)其限值和速比計(jì)算出不同擋位下電機(jī)端回收扭矩邊界值。對于貨車，ECE法規(guī)要求有以下幾點(diǎn)。

1）利用附著系數(shù)z=0.1～0.61之間時(shí)，要求制動(dòng)強(qiáng)度滿足公式（1），Φ為利用附著系數(shù)。

Φ≤（1）

2）z=0.15～0.3，且各裝載狀態(tài)下，前軸利用附著系數(shù)曲線應(yīng)在后軸利用附著系數(shù)曲線之上。

3）制動(dòng)強(qiáng)度z=0.15～0.3之間，每根軸的利用附著系數(shù)曲線位于Φ=z±0.08兩條平行于理想附著系數(shù)直線的平行線之間。

4）制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.3時(shí)，后軸的利用附著系數(shù)滿足公式（2）。

Φ≤（2）

設(shè)汽車前輪剛要抱死或前后輪同時(shí)剛要抱死時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)強(qiáng)度為z，則：

Fxb1=β=βGz（3）

Fz1=（b+zhg）（4）

由公式（3）、（4）可得前軸利用附著系數(shù)的公式：

Φf==（5）

同理，求得后軸的利用附著系數(shù)的公式為：

Φr==（6）

式中：Fxb1——前輪地面制動(dòng)力，N；——車輛減速度，m/s2；L——軸距，m；b——質(zhì)心到后軸距離，m；a——質(zhì)心到前軸距離，m；hg——質(zhì)心高度，m；Φf——前軸利用附著系數(shù)；Φr——后軸利用附著系數(shù)；Fz1——地面對前輪的法向反作用力，N；Fxb2——后輪地面制動(dòng)力；Fz2——地面對后輪的法向反作用力，N。

將前后軸利用附著系數(shù)計(jì)算公式（5）、（6）代入法規(guī)要求中，根據(jù)車輛具體參數(shù)，計(jì)算出前后軸制動(dòng)力分配系數(shù)β應(yīng)滿足的范圍，如圖6所示。

根據(jù)空滿載下β應(yīng)滿足的范圍得到βmin，制動(dòng)力分配系數(shù)計(jì)算公式為：

β=（7）

式中：Fμ——制動(dòng)器制動(dòng)力，N；β0——原機(jī)械制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力分配系數(shù)；Freg——能量回收制動(dòng)力，N。

由式（7）及βmin得ECE法規(guī)限制下電機(jī)回收制動(dòng)邊界。

Freg_max=（8）

2" 制動(dòng)回收效果評估

能量回收效果評估參數(shù)主要有節(jié)能貢獻(xiàn)度和制動(dòng)能量回收率。

2.1" 節(jié)能貢獻(xiàn)度

某循環(huán)工況下，無制動(dòng)能量回收時(shí)電池端消耗的能量為Ereg_off，有制動(dòng)能量回收時(shí)電池端消耗的能量為Ereg_on，則節(jié)能貢獻(xiàn)度定義為：

δE=（9）

或在某循環(huán)工況下，給定電池能量E0，無制動(dòng)能量回收時(shí)，汽車行駛的距離為Sreg_off，相同行駛條件下，有制動(dòng)能量回收時(shí)，汽車行駛距離為Sreg_on，則節(jié)能貢獻(xiàn)度定義為：

δS=（10）

2.2" 制動(dòng)能量回收率

制動(dòng)能量回收率ηreg指在某次制動(dòng)過程中電機(jī)制動(dòng)實(shí)際回收的制動(dòng)能量Eregen占無能量回收時(shí)制動(dòng)消耗總能量Ebrake的比例：

ηreg=（11）

Eregen=∫UbatIbatdt（12）

式中：Eregen——車輛在制動(dòng)過程中回收的能量。當(dāng)Ebrake為無能量回收時(shí)，汽車在某次制動(dòng)過程中，車速從v0減速到ve，除去滾動(dòng)阻力和空氣阻力消耗的能量，得到的由制動(dòng)器摩擦消耗的能量如公式（13）所示。

Ebrake=m（v20-v2e）-mg fvdt-CDAρvdt（13）

根據(jù)空行程大小調(diào)整模擬量腳閥特性曲線，完成腳閥開發(fā)；根據(jù)空行程大小、回收邊界、模擬量腳閥開度信號調(diào)整能量回收策略，并在樣車上匹配基于大空行程模擬量腳閥的制動(dòng)能量回收方案。

根據(jù)制動(dòng)能量回收評價(jià)參數(shù)開展循環(huán)工況和制動(dòng)工況能量回收效果評估試驗(yàn)，每組試驗(yàn)至少開展3組，分別計(jì)算循環(huán)工況下的節(jié)能貢獻(xiàn)度和制動(dòng)工況下的能量回收率，考慮到試驗(yàn)條件，其中節(jié)能貢獻(xiàn)度選δE進(jìn)行評價(jià)。

樣車原采用基于開關(guān)量腳閥的固定負(fù)扭矩能量回收方案，先對原方案回收效果摸底測試，再進(jìn)行大空行程模擬量腳閥的改制及回收效果的測試。循環(huán)工況下的節(jié)能貢獻(xiàn)度見表2，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，空載工況兩回收方案節(jié)能貢獻(xiàn)度均在27%左右，相差不大。滿載工況下，原基于開關(guān)量腳閥能量回收方案的節(jié)能貢獻(xiàn)度為18.16%，基于大空行程模擬量腳閥回收方案的節(jié)能貢獻(xiàn)度為24.83%，相比原方案提升6.67%。不同制動(dòng)踏板開度下能量回收效果不同，故根據(jù)試驗(yàn)條件測試踏板開度從20%～70%之間的制動(dòng)能量回收率。

空載制動(dòng)工況下的制動(dòng)能量回收率見表3。隨著踏板開度從20%增大到70%，原基于開關(guān)量腳閥能量回收方案的制動(dòng)能量回收率從47.19%降低到16.64%，基于大空行程模擬量腳閥回收方案的制動(dòng)能量回收率從48.61%降低到23.15%。相比原方案，制動(dòng)踏板在小開度和大開度下制動(dòng)能量回收率提升較小，中等開度下提升較大，最大可達(dá)12.26%。

滿載制動(dòng)工況下的制動(dòng)能量回收率見表4。隨著踏板開度從20%增大到70%，原基于開關(guān)量腳閥能量回收方案的制動(dòng)能量回收率從19.67%降低到6.9%，基于大空行程模擬量腳閥回收方案的制動(dòng)能量回收率從19.98%降低到9.19%。相比原方案，制動(dòng)踏板在小開度和大開度下制動(dòng)能量回收率提升較小，中等開度下提升較大，最大可達(dá)4.5%。

3" 制動(dòng)效能測試與主觀評價(jià)

基于大空行程模擬量腳閥的制動(dòng)能量回收方案增大了腳閥空行程，并調(diào)整了回收策略，改變了制動(dòng)力曲線，故需進(jìn)行制動(dòng)效能測試與制動(dòng)主觀評價(jià)，分析其制動(dòng)效能是否滿足法規(guī)要求，以及制動(dòng)主觀感受能否接受，并與原回收方案進(jìn)行對比。

3.1" 制動(dòng)效能測試

通過0型制動(dòng)試驗(yàn)來分析制動(dòng)效能是否滿足法規(guī)要求。分別測試兩回收方案在能量回收開與關(guān)閉下的制動(dòng)效能。由表5可見，兩回收方案無論能量回收開或關(guān)，其制動(dòng)效能相差不大，減速度均大于4m/s2，制動(dòng)距離均小于36.6m，滿足法規(guī)要求。

3.2" 制動(dòng)主觀評價(jià)

分別以30km/h、50km/h、60km/h為初始車速，通過快踩、緩踩等來綜合評價(jià)制動(dòng)的主觀感受，根據(jù)車輛制動(dòng)系統(tǒng)改變情況策劃評價(jià)項(xiàng)目（表6），采用十分制評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表7）。根據(jù)各評價(jià)項(xiàng)目測試方法評價(jià)各回收方案在空滿載下能量回收開與關(guān)時(shí)的主觀感受。

由表8、表9、圖7可見，兩回收方案在空滿載工況下，能量回收開與關(guān)的主觀評價(jià)均在6.5～8分之間，整體感受可接受。其中滿載主觀感受略優(yōu)于空載，能量回收開略優(yōu)于能量回收關(guān)，開關(guān)量腳閥能量回收方案略優(yōu)于模擬量腳閥回收方案。

4" 總結(jié)

為提高制動(dòng)能量回收效果的同時(shí)兼顧成本，本文提出了增大空行程的模擬量腳閥制動(dòng)能量回收方案。結(jié)合制動(dòng)舒適性和制動(dòng)效能確定制動(dòng)腳閥空行程大小及制動(dòng)回收扭矩邊界，并完成腳閥的開發(fā)及樣車回收策略的改制。根據(jù)回收效果評價(jià)參數(shù)開展了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明相對于原基于開關(guān)量腳閥的制動(dòng)能量回收方案，大空行程模擬量腳閥回收方案在空載時(shí)回收效果提升不明顯，但在滿載時(shí)有較大提升。此外，因大空行程模擬量腳閥回收方案改變了制動(dòng)力輸出曲線，故開展了制動(dòng)效能和制動(dòng)主觀評價(jià)測試，測試表明該方案下制動(dòng)效能滿足法規(guī)要求，且與原方案相差不大。主觀評價(jià)中開關(guān)量腳閥回收方案略優(yōu)于模擬量腳閥回收方案，但性能表現(xiàn)均處于可接受分值以上。

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