新能源汽車的共同特點是在整車動力系統(tǒng)中引入電機驅動和大容量蓄電設備,如動力蓄電池和超級電容等。鑒于眾所周知的能源問題,世界各國目前對新能源車輛,如混合動力汽車、燃料電池汽車,給予了前所未有的關注。這一特點為汽車制動工況下的整車動能回收提供了便利的條件。
國內(nèi)外對如何充分利用車輛的制動能量進行了大量的工作,提出了多種回饋制動與液壓制動匹配控制的策略和方法,如并行分配策略、最佳前/后制動力分配比策略、最佳能量回收策略等。
不管是哪一種分配形式,在實現(xiàn)上均要以液壓制動力的靈活控制為前提,如果僅僅采用傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng),液壓制動力與駕駛員的踏板力輸入為固定的函數(shù)關系,則無法實現(xiàn)回饋制動力與液壓制動力的靈活控制,更無法實現(xiàn)理想的制動力分配控制方案。
線控制動技術的出現(xiàn)為靈活控制摩擦制動力提供了可能,然而由于技術上的難度太大,短時間內(nèi)應用尚無可能[3]。因此對傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)進行改造,實現(xiàn)靈活的液壓制動力控制,對提高電動汽車的制動能量的回收率是很有必要的。
1 并行電液制動系統(tǒng)組成
在以實現(xiàn)再生制動為目標的制動系統(tǒng)改造時,必須遵循以下幾點原則:
(1)符合駕駛員傳統(tǒng)的駕駛習慣,保持整車的駕駛員輸入與整車減速度的關系特性;
(2)保持整車的制動性能和制動穩(wěn)定性能;
(3)系統(tǒng)高可靠性及故障下的備份制動能力。
鑒于以上的原則,提出如圖1所示的電液并行制動系統(tǒng)方案。
圖1 并行電液制動系統(tǒng)組成
為了在同樣的踏板位移輸入下,電動汽車驅動電機回饋制動力與液壓制動力同時施加在車輪上的時候能夠保持與傳統(tǒng)車輛同等的制動減速度,系統(tǒng)增設了液壓控制模塊。在同等踏板位移下,控制制動管路壓力下降,從而減小液壓制動力,當施加上相應大小的回饋制動力后,達到此踏板位移下對應的制動減速度。
與傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)相比,并行電液制動系統(tǒng)增加了踏板位移傳感器和制動管路與儲油器之間的回油管路,并且在回油管路中增加了常閉型高速電磁閥以控制制動管路的壓力。
制動過程中,整車控制器(VMS)根據(jù)踏板位移確定總目標制動力的大小,同時根據(jù)車速、蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)等信息確定電機回饋制動力的大小,然后在制動力分配策略中確定出實際再生制動力與液壓制動力,并將其傳送到相應的控制模塊中執(zhí)行。模塊之間的信息傳遞通過CAN總線進行。并將分配后的液壓制動力傳遞給制動系統(tǒng)控制器(BECU,electric control unit of brake system),BECU負責控制電磁閥實現(xiàn)相應的液壓制動力。并行制動控制系統(tǒng)結構如圖2所示。
圖2 并行制動控制系統(tǒng)構成圖
2 制動力分配策略
目前國內(nèi)外提出的再生制動系統(tǒng)制動力分配策略主要有3種:并行分配策略、最佳前/后制動力分配比策略和最佳能量回收策略。由于目前大部分轎車的制動系統(tǒng)多采用串聯(lián)雙腔主缸和X型制動管路布置,后兩種制動力分配策略在實現(xiàn)上有較大的難度,因此文中仍采用并行制動力分配策略。
在輕度制動或緩速制動的初期階段(踏板位移較小),優(yōu)先施加電機再生制動。此時一般車速較高,電機的效率也較高,是能量回收的主要階段。中度和重度制動時,再生制動力和液壓制動力并行實施,其中優(yōu)先保證電機再生制動力的最大實施。這樣可以在保證整車制動性能的基礎上,盡可能多地回收制動能量。
重度和緊急制動時可以適當減小電機再生制動力的大小,防止前輪過早抱死,保證制動穩(wěn)定性。
因此,分配后的前后制動力的曲線可以是落在如圖3所示的陰影區(qū)域中的任意曲線,其中OA為電機的最大制動力。
圖3制動力分配區(qū)間
3 制動穩(wěn)定性分析
根據(jù)汽車前后軸利用附著系數(shù)的定義[4],有
φ=Fx/Fz (1)
式中Fx為地面摩擦制動力；Fz為對應軸荷。
由于研究車型采用的是前軸中央電機驅動,因此采用電液并行制動時的前后利用附著系數(shù)為
式中φf、φr為前、后軸利用附著系數(shù)；z為制動強度；a、b、hg分別為車輛質心與前后軸的距離和質心高度；L為軸距；G為整車質量；β為前后液壓制動力分配比；Fm為電機產(chǎn)生的前軸再生制動力。
圖4前后軸利用附著系數(shù)仿真結果
將燃料電池轎車參數(shù)代入后,得到如圖4所示的仿真結果。
從圖4可以看出,由于前輪增加了電機再生制動力矩,前軸利用附著系數(shù)曲線始終高于后軸利用附著系數(shù)曲線,在所有的路面條件下總是前輪先抱死,雖然可避免后輪先抱死的危險工況,但在大多數(shù)的路面條件下,前輪的制動效率偏低。圖4中基速為電機可以實現(xiàn)恒轉矩控制時的最高轉速,在制動強度為0.2～0.7時,前輪利用附著系數(shù)甚至超過了ECE法規(guī)的規(guī)定范圍,在電機處于基速以下時前輪利用附著系數(shù)更高,影響了前輪的制動效率。通過改進和優(yōu)化前后液壓制動力分配比可有效地改善這種問題。圖5為優(yōu)化后的仿真結果。
圖5優(yōu)化后的利用附著系數(shù)曲線
從圖5可以看出,優(yōu)化后的整個工作區(qū)間絕大部分符合ECE控制要求,制動效率較高。在空載、制動強度0.2～0.3時,基速以下制動時部分前軸利用附著系數(shù)曲線超出了范圍,這是由于低速電機制動力過高引起的,此時單獨依靠優(yōu)化前后制動力分配不能解決此問題,需要對車輛質心的位置在整車設計時進行優(yōu)化。
4 試驗測試
在制動試驗臺架上進行桑塔納汽車制動系統(tǒng)的試驗,制動踏板傳感器為拉線式線位移傳感器,在前腔管路中安裝電磁閥和壓力傳感器,試驗在制動臺架上完成。整車采用3自由度縱向動力學模型[4],電驅動系統(tǒng)模型采用永磁無刷電機——鋰離子電池系統(tǒng)[5]。整車模型和電驅動系統(tǒng)模型均在電子控制器中執(zhí)行,液壓模塊中的控制閥也由電子控制器的恒流源輸出控制。試驗系統(tǒng)結構如圖6所示。
圖6試驗系統(tǒng)結構圖
首先測試系統(tǒng)的踏板位移2制動壓力關系曲線,并分段線性化后作為系統(tǒng)的并行制動控制目標；然后根據(jù)并行分配算法進行控制,得到如圖7所示的試驗曲線。制動系統(tǒng)的制動因數(shù)認為是常數(shù)。
圖7制動歷程曲線
從圖7中可以看出,制動力分配情況分為3個階段: (1)電機能力完全滿足踏板位移對應的制動需求,此時液壓制動力很小,完全由電機制動力提供制動作用； (2)當電機能力不足時,電機制動力開始在恒功率控制作用下增長,不足的部分由液壓制動力彌補；(3)隨著車速的降低(理論計算得出)電機進入恒轉矩控制,此時繼續(xù)增加的制動力需求完全由液壓制動力提供。
控制得到的實際液壓制動力在數(shù)值上表現(xiàn)出對期望制動力下限的跟隨性,分析認為這是由車輛液壓制動系統(tǒng)特性和閥控特性決定的。由于液壓的產(chǎn)生只能依靠踏板的動作而閥控僅僅是對溢流壓力的控制,因此在控制中使得實際液壓制動力曲線的絕大部分線段都在液壓制動力需求曲線的下方。
5 結論
文中對電動汽車電液并行制動系統(tǒng)進行了結構和算法的詳細設計,并對設計系統(tǒng)的前軸再生制動力的施加對整車前后制動力分配產(chǎn)生的影響進行了分析,通過優(yōu)化前后液壓制動力分配比改善了由再生制動引起的前輪過早抱死的問題。通過臺架試驗數(shù)據(jù)可以看出：液壓制動能夠在系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)對期望制動力較好的跟隨,即在完成再生制動的同時保證整車的制動性能。
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