朱 波, 陳 超, 徐益勝, 顧家鑫

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 3.連云港長和游樂設(shè)備有限公司,江蘇 連云港 222001; 4.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

汽車尾氣排放對于環(huán)境的壓力越來越大,石油作為不可再生資源日益缺乏,各國對于汽車尾氣排放、保護環(huán)境節(jié)約資源的要求越來越高,居民對于高油價的擔(dān)憂也越來越大。綜合考慮自然環(huán)境、國家要求、居民生活等因素,發(fā)展新能源汽車十分必要。同時,純電動汽車、混合動力汽車的市場也越來越大。研究表明,汽車在城市工況下行駛,大概有1/3～1/2的能量在制動過程中轉(zhuǎn)化為熱能消耗[1-2]。大部分電動汽車配有制動能量回收系統(tǒng),其作為電動汽車的核心技術(shù)之一,在電動汽車制動過程中把一部分動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中,降低了百公里能耗,提高了電動汽車的續(xù)駛里程。因此,在全球范圍內(nèi),大部分汽車廠、汽車零部件供應(yīng)商、高校及研究院把制動能量回收系統(tǒng)作為關(guān)鍵技術(shù)進行研究[3-4]。

電機回饋制動力在汽車制動時提供了一定的制動力,為了保證汽車制動的安全性,仍然需要液壓制動力參與制動。傳統(tǒng)車輛的制動系統(tǒng)制動踏板與液壓制動系統(tǒng)是非解耦的,要滿足在制動過程中電機回饋制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制,提高制動能量回收效率,解耦式的線控制動系統(tǒng)具有重要意義[5-7]。豐田公司基于線控制動系統(tǒng),制造了電子控制制動系統(tǒng)(electronically controlled brake,ECB)的制動能量回收系統(tǒng),并成功應(yīng)用在Prius商業(yè)車上[8]。

本文在線控制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,制定了電機回饋制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制策略,采用電子穩(wěn)定控制器(electronic stability controller,ESC)系統(tǒng)對液壓制動力進行精確調(diào)節(jié),協(xié)調(diào)控制各個車輪輪缸的制動力,保證汽車在不同路面上的制動安全性與穩(wěn)定性,并進行仿真分析。仿真結(jié)果顯示,在不同的制動強度下,電機回饋制動力能夠和液壓制動力協(xié)調(diào)控制,共同滿足制動需求,并回收部分制動能量。當(dāng)車輪有抱死趨勢時,ESC液壓制動能夠動態(tài)調(diào)節(jié)輪缸制動力,防止車輪抱死。

1 純電動汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的前輪驅(qū)動純電動汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。制動時液壓調(diào)節(jié)單元(hydraulic control unit,HCU)采集制動踏板開度、輪速等信息,并將其傳遞給整車控制器(vehicle control unit,VCU),VCU根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)與電機狀態(tài)分配電機制動力與液壓制動力；電機控制器控制電機施加制動扭矩,通過減速機構(gòu)、差速器傳遞到驅(qū)動輪；ESC液壓調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)施加于4個車輪的液壓摩擦制動力,通過液壓管路傳遞到車輪的液壓輪缸,實現(xiàn)液壓制動。其中,ESC液壓管路采用X型布置,右前輪液壓輪缸與左后輪液壓輪缸采用同一液壓管路;左前輪液壓輪缸與右后輪液壓輪缸采用同一液壓管路。

圖1 純電動汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 仿真建模

2.1 整車模型

本文采用AMEsim 15自由度整車模型,包括車身橫擺角、車身俯仰角、車身側(cè)傾角、車輛重心的絕對位移、四輪沿垂向跳動、四輪繞輪心轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沿側(cè)向自由度[9]。主要涉及車輛的動力學(xué)方程為:

(1)

其中,Tm為電機扭矩;α為道路坡度;m為車輛質(zhì)量;G為車輛重力;f為滾動阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積;CD為空氣阻力系數(shù);v為車輛速度;δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);a為車輛加速度;R為車輪滾動半徑;i為減速器傳動比;ηT為減速器傳動效率。

2.2 電池模型

本文采用的電池組由多個電池元件串聯(lián)、并聯(lián)組成。單個電池容量參數(shù)設(shè)為70 A·h、電壓參數(shù)設(shè)為3.65 V、內(nèi)阻參數(shù)設(shè)為0.066 1 Ω。1個分支中串聯(lián)的電池元件數(shù)量為96,并行的分支數(shù)量為2。電池的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)是描述電池電量狀態(tài)的一個重要參數(shù),代表電池剩余容量和電池額定容量的比值。SOC的表達式[3]如下:

(2)

其中,SOCinit為電池初始SOC;CN為電池的等效電容。在進行工況仿真過程中,電池的初始SOC值設(shè)為95%,當(dāng)SOC值降低到5%時,仿真停止。

2.3 電機模型和ESC液壓控制單元模型

本文采用交流感應(yīng)電機為模型,利用一階慣性延時模型來模擬電機轉(zhuǎn)矩輸出特性,其轉(zhuǎn)矩輸出和電機功率分別為:

Tm=Tlim/(1+trs)

(3)

Pm=Tmω

(4)

其中,Tm為電機實際轉(zhuǎn)矩;tr為時間常數(shù);Tlim為電機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速、電池SOC約束下所能提供的最大轉(zhuǎn)矩;ω為電機轉(zhuǎn)速;Pm為電機功率。

電機工作模式如圖2所示。當(dāng)Pm>0時,電動機處于電機驅(qū)動的工作模式;當(dāng)Pm<0時,電動機處于發(fā)電的工作模式。

在AMEsim中建立ESC液壓模型，如圖3所示。

該模型能夠?qū)崿F(xiàn)對車輪輪缸主動增壓。當(dāng)駕駛員沒有踩下制動踏板時,制動主缸的輸入壓力為0,ESC控制電機驅(qū)動柱塞泵,使蓄能器里的制動液通過吸入閥、增壓閥進入制動輪缸,同時ESC控制限壓閥關(guān)閉,減壓閥保持初始關(guān)閉的狀態(tài)。

由于本文模型采用X型管路布置,2個車輪共用1個柱塞泵,2個柱塞泵共用1個電機,對于不需要主動增壓的車輪,ESC控制增壓閥的關(guān)閉,實現(xiàn)對需要的輪缸進行增壓。

圖2 電機工作模式

圖3 ESC液壓模型

ESC模型具有車輪防抱死的功能,當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時,實現(xiàn)對輪缸的增壓、保壓、減壓[10-12]。ESC系統(tǒng)進行增壓時與常規(guī)過程相同,主缸壓力上升,ESC控制單元保持初始狀態(tài),制動液通過限壓閥、增壓閥進入輪缸,吸入閥、減壓閥保持初始關(guān)閉狀態(tài)。進行保壓時,只需控制增壓閥關(guān)閉,此時輪缸內(nèi)的制動液保持不變,輪缸壓力也保持不變。進行減壓時,控制增壓閥關(guān)閉,同時打開減壓閥,制動液通過減壓閥流入蓄能器,實現(xiàn)輪缸的減壓。

3 再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制策略

3.1 基于ECE法規(guī)的前后軸制動力分配策略

基于ECE法規(guī)的前后軸制動力分配策略是以ECE法規(guī)線為界限,在保證制動安全性的前提下分配前、后軸制動力,以得到最佳的制動力分配策略,并盡可能地回收制動能量。其制作力分配如圖4所示。

圖4 基于ECE法規(guī)前、后軸制動力分配

3.1.1 I曲線

圖4中,I曲線是在不同附著系數(shù)路面下,汽車前、后車輪同時抱死時前、后輪制動器制動力的關(guān)系曲線,由下列公式確定:

Fbf+Fbr=φG

(5)

(6)

消去φ得到前、后輪制動器制動力的分配關(guān)系,由此確定出I曲線。該分配關(guān)系為:

(7)

其中,Fbr、Fbf分別為前、后輪制動器制動力;φ為路面附著系數(shù);G為汽車重力;hg為汽車質(zhì)心高度;a、b分別為汽車質(zhì)心至前、后軸中心線的距離;L為汽車前后軸的距離。

3.1.2ECE法規(guī)曲線

ECE法規(guī)規(guī)定,對于φ在0.2～0.8之間的各種車輛,要求制動強度為:

z≥0.1+0.85(φ-0.2)

(8)

(9)

圖4中,ECE法規(guī)規(guī)定的最小后輪制動力曲線可由下式確定:

0.85Fbf+0.07Gb/L=0

(10)

3.1.3 前后軸制動力分配曲線

(1) 確定路面附著系數(shù)φlimit。φlimit為在ECE法規(guī)下前軸提供最大制動力單獨制動所要求的最低路面附著系數(shù)。φlimit值是z1與zA相等時的路面附著系數(shù)值,z1為在各路面附著系數(shù)φ下前軸單獨制動可以產(chǎn)生的最大制動強度值,zA為ECE法規(guī)分配下與X軸交點處的制動強度值。z1、zA的表達式為:

(11)

(12)

由于φlimit值比較小,大部分路面的附著系數(shù)大于φlimit值,一般在冰、雪覆蓋的極端路況下路面附著系數(shù)小于φlimit值。

(2) 路面附著系數(shù)φ≥φlimit。汽車通常行駛的道路包括瀝青路、混凝土路、礫石路和土路等,這些路面的附著系數(shù)一般都大于φlimit。車輛在相對較高的φ路面上行駛,制動強度通常是小強度和中等強度的制動,此時汽車制動應(yīng)盡可能地回收能量；當(dāng)在高強度制動時,減小制動距離,防止車輪抱死,保持制動穩(wěn)定性是制動控制策略的首要目標。本文根據(jù)制動強度分配前后軸制動力,以達到制動能量的最大回收,同時保持汽車制動穩(wěn)定性。

當(dāng)z

(13)

其中,Ff為前軸制動力;Fr為后軸制動力；Freq為電機再生制動力。

當(dāng)zA≤z

(14)

zB為在附著系數(shù)φ確定下前輪抱死曲線與ECE法規(guī)曲線相交點處的制動強度,則有：

(15)

前軸制動力達到了前軸抱死f曲線,后軸制動力沒有達到后軸抱死r曲線,此時汽車的制動強度小于附著系數(shù)φ。

當(dāng)zB≤z

(16)

當(dāng)z≥zC時,前后軸制動力按前后軸同時抱死的理想I曲線分配,以保證汽車在緊急制動過程中的穩(wěn)定性。

(3) 路面附著系數(shù)φ<φlimit。路面附著系數(shù)小于φlimit值的路面一般為冰、雪路面這種極端工況下的路面。在這種路面上行駛,汽車最重要的考慮因素是安全,汽車通常是低速行駛,電機轉(zhuǎn)速低,制動過程的可回收能量少,電機回饋制動力控制困難。因此,在這種低附著路面系數(shù)下,電機低轉(zhuǎn)速,不考慮制動能量回收。

3.2 電機回饋制動力與液壓制動力的分配

汽車總需求制動力由電機回饋制動力和液壓制動力組成,如圖5所示。需求制動力由制動踏板的制動強度決定。由于本文討論的純電動汽車是前輪驅(qū)動,電機回饋制動力與液壓制動力的分配是在前軸制動力上的分配,即

Tfneed=Treg+Tfric

(17)

其中,Tfneed為前軸所需制動力矩;Treg為電機回饋制動力矩;Tfric為前軸液壓制動力矩。為了提高制動能量回收率,在制動強度較小時,電機回饋制動力能夠滿足前軸制動力需求,前軸制動力僅由電機提供。當(dāng)電機制動力不能滿足前軸制動力需求時,通過ESC液壓系統(tǒng)給車輪提供液壓制動力。

圖5 回饋制動力和液壓制動力分配

3.3 ESC液壓控制策略

ESC液壓系統(tǒng)具有在制動過程中防止汽車車輪抱死的功能,同時具有在汽車轉(zhuǎn)彎時主動控制車輪、保持車身穩(wěn)定的功能。由于電機回饋制動力同時給前軸2個車輪提供制動力,在汽車轉(zhuǎn)彎過程中電機回饋制動力對保持車身穩(wěn)定作用不大。因此,在汽車轉(zhuǎn)彎過程中單獨由ESC液壓系統(tǒng)控制車身穩(wěn)定。由于汽車在制動過程中車輪可能發(fā)生抱死現(xiàn)象,在增加電機回饋制動力的基礎(chǔ)上,液壓制動力彌補了電機及回饋制動力對制動需求的不足,當(dāng)車輪有抱死趨勢時,通過ESC調(diào)節(jié)液壓制動力,防止車輪抱死。本文采用車輪角加速度輔助參考滑移率的控制方法控制ESC中的液壓制動力。

ESC防抱死控制邏輯門限值控制循環(huán)如圖6所示。其中,v為實際車速;vw為車輪輪速;A為車輪角加速度;s為液壓輪缸增壓、保壓、減壓狀態(tài);p為制動壓力;t為時間。

圖6 車輪防抱死控制過程示意圖

當(dāng)車輛制動時,輪缸內(nèi)的制動壓力上升,車輪經(jīng)過一定延遲時間后,輪速開始下降,此時輪角加速度為負值,且絕對值隨著壓力增加不斷增大。當(dāng)車輪角加速度小于A1(A1為負值)門限時,開始進入防抱死控制。為了避免車輛在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)過早進入減壓階段,還要對比參考滑移率。若滑移率低于設(shè)定值,本文的滑移率設(shè)定在0.2,則說明車輪還處于穩(wěn)定區(qū),應(yīng)保壓,以使車輪充分制動;否則開始減壓。減壓后,車輪角加速度開始回升,高于門限值A(chǔ)1,進入保壓,直到輪角加速度超過A2；為了使車輪停留在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的時間盡量長,采用階梯增壓方式,直到輪角加速度再次低于A1。

3.4 協(xié)調(diào)控制策略

基于上述制動力分配算法,根據(jù)制動踏板開度可以得到駕駛員制動力需求,根據(jù)此時車輛車速判別車輛進入哪種制動控制模式。若車速小于控制門限值,則進行常規(guī)液壓制動;若車速大于控制門限值,判斷其是否進入緊急制動,緊急制動不進行能量回收,只采用液壓制動力,否則進入再生制動控制。再生制動控制邏輯如圖7所示。

圖7 再生制動控制邏輯

4 仿真結(jié)果與分析

在AMEsim中建立了仿真模型,包括駕駛員模型、整車動力學(xué)模型、動力傳動系統(tǒng)、電機和電池模型、VCU模型。部分模型具體建模參照本文第2節(jié)。

為了測量控制策略的能量回收效率,采用如下公式進行計算:

ηreg=(Ereg/Erecoverable)×100%

(18)

(19)

(20)

其中,t0為制動初始時間;t1為制動終止時間;U為電池輸出電壓;I為電池充電電流。

4.1 不同強度下制動能量回收仿真結(jié)果與分析

仿真主要是在不同制動強度下,電機回饋制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制下,考察本文制動控制策略的制動能量回收效率。車輛從100 km/h開始減速制動到0,電池的初始SOC值設(shè)為95%。路面附著系數(shù)采用0.8,車輛制動強度范圍在0.1～0.7之間,制動能量回收效率按(18)～(20)式計算,仿真結(jié)果見表1所列。

觀察采用基于ECE法規(guī)的制動能量回收控制策略和固定比值的制動能量回收控制策略的仿真結(jié)果,可以看出，基于ECE法規(guī)的制動能量回收控制策略的能量回收效率高于固定比值的制動能量回收控制策略,且制動減速度越小,效果越明顯。這是由于當(dāng)制動減速度大到一定值后,電機回饋制動力達到最大,回收的能量在兩者控制策略下相差不大。

表1 車輛在100 km/h速度時不同制動減速度的回收效率

同時，車輛減速度變大,可回收的能量有增加的趨勢,主要原因是滾動阻力和空氣阻力消耗的能量減少；但電池回收的能量較少,這是由于根據(jù)控制策略，車輛減速度變大,電機回饋制動力矩不能滿足制動需求,液壓制動力矩參與制動,制動能量回收效率越低。當(dāng)車輛的制動減速度大于7 m/s2時,考慮制動安全性,電機回饋制動退出,采用ESC液壓制動。

4.2 制動過程防抱死控制仿真結(jié)果與分析

在較低附著系數(shù)路面下車輪在制動過程中容易抱死,為了驗證本文ESC液壓制動與電機回饋制動協(xié)調(diào)控制過程中ESC對防止車輪抱死的控制,對在附著系數(shù)0.5的路面上，車輛從100 km/h制動到0的工況進行仿真,結(jié)果如圖8所示。

圖8 ESC防抱死控制過程

車輛以5 m/s2的減速度開始減速,此時液壓制動力和電機制動力同時作用,并協(xié)調(diào)控制；在2.9 s時,電機制動力開始波動,液壓制動力隨即開始協(xié)調(diào)控制,左前輪滑移率增大,ESC液壓制動開始防抱死控制,在主缸壓強不變的情況下,動態(tài)調(diào)節(jié)左前輪的增壓閥和減壓閥信號,調(diào)節(jié)輪缸壓力,防止車輪抱死。整個過程協(xié)調(diào)控制,保證了車輛制動過程的平穩(wěn)與安全，驗證了本文模型和控制策略的可靠性。

4.3 制動能量回收潛力仿真結(jié)果與分析

為了驗證本文的制動能量回收控制算法對整車控制及續(xù)駛里程的影響,本文分別在NEDC工況、WLTP工況、ECE工況下進行了仿真驗證。在各工況下的部分仿真結(jié)果如圖9所示,包括工況數(shù)據(jù)、車輛的行駛距離、行駛車速、電池的充放電情況、SOC值。仿真結(jié)果表明，在本文提出的控制策略下,車輛能夠很好地跟隨工況,同時在車輛制動過程中能夠回收部分能量。圖9中,電池消耗能量為電池輸出能量減去電池輸入能量,輸出能量為正值,輸入能量為負值。

在不同工況下,本文制動能量控制策略與前后軸固定比值控制策略下，車輛的續(xù)駛里程、百公里能耗、電池回收的能量占消耗能量的比值結(jié)果見表2所列。

圖9 不同工況的部分仿真結(jié)果

表2 不同控制策略的能量回收潛力

由表2可知,采用本文控制策略,續(xù)駛里程在NEDC工況下提高了9.89%,在WLTP工況下提高了37.10%,在ECE工況下提高了14.67%。

5 實車試驗及結(jié)果分析

為了驗證本文制動能量回收控制策略,在轉(zhuǎn)轂試驗臺上進行了NEDC工況的實車試驗。試驗場景如圖10所示，使用INCA讀取整車車速以及電池的SOC值。本文選用一個NEDC工況的實車試驗數(shù)據(jù)進行分析,然后采用模型中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行對比分析。

NEDC工況實車試驗車速跟隨曲線如圖11所示。從圖11可以看出,試驗過程中實車車速能夠很好地跟隨NEDC工況。

圖10 試驗場景

NEDC工況實車試驗與仿真的SOC曲線如圖12所示。從圖12可以看出,實車試驗在一個NEDC工況下,電池的SOC值從61.207下降到57.523；仿真模型在同一工況下,電池的SOC值從61.207下降到57.584。下降趨勢基本吻合,驗證了仿真模型及仿真結(jié)果的準確性,同時驗證了本文制動能量回收控制策略能夠很好地實現(xiàn)能量回收。

圖11 NEDC工況實車試驗車速跟隨曲線

圖12 NEDC工況實車試驗與仿真的SOC曲線

6 結(jié) 論

(1) 本文采用基于ECE法規(guī)的前后軸制動力分配策略,相比于前后軸固定比值的制動力分配策略,提高了制動能量的回收效率,降低了百公里能耗,在NEDC工況、WLTP工況、ECE工況下分別提高了9.89%、37.10%、14.67%的續(xù)駛里程。

(2) 為了保證制動安全和穩(wěn)定,同時盡可能多地回收制動能量,采用電機回饋制動和ESC液壓制動協(xié)調(diào)控制,共同滿足制動需求。仿真結(jié)果表明，當(dāng)電機回饋制動力不滿足制動需求時,液壓制動力參與制動,彌補不足的制動力；當(dāng)滿足總制動力需求時,則全部由電機回饋力提供。

(3) ESC液壓控制采用了邏輯門限值控制,防止車輪在制動過程中出現(xiàn)抱死,從而影響制動安全性。仿真結(jié)果表明,在有電機回饋制動力參與的情況下,車輪出現(xiàn)抱死趨勢時,ESC液壓單元仍能動態(tài)地協(xié)調(diào)控制液壓制動力。

(4) 本文建立了整車仿真模型和控制策略模型,對協(xié)調(diào)控制策略進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明,車輛從100 km/h制動到0,制動減速度在6 m/s2以下,制動能量回收效率在46%以上。

(5) 進行實車試驗,對比分析了部分試驗結(jié)果與仿真結(jié)果,驗證了仿真結(jié)果的準確性，并驗證了本文制動能量回收控制策略能夠很好地實現(xiàn)能量回收。