基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法

初 亮,孫成偉,郭建華,趙 迪,李文惠

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春130022;2.吉林東光奧威汽車制動系統有限公司,長春130012)

0 引 言

制動能量回收技術利用電機將消耗于制動器內的部分摩擦熱能轉換為電能存儲[1],用于保證整車行駛的經濟性[2,3]。針對整車制動能量回收效果的評價,不同數據采集信號的獲取將產生不同的評價方法。文獻[4]分析了再生制動過程中整車能量流的特征,通過安裝傳感器可獲取動力電池端的電流電壓,驅動電機的扭矩和轉速,給出了不用測量點處的能量計算方法,并提出了基于距離和能量的兩種制動能量貢獻率的評價指標。文獻[5]提出利用續駛里程貢獻率評價制動能量回收效果,在相同的工況下,兩次試驗分別測量開啟與關閉制動能量回收功能的車輛行駛距離,從而進行計算得出,但由于整車動力電池狀態、驅動電機狀態、電子電器耗電狀態不能確保完全相同,且需通過兩次試驗得出,試驗效率低。文獻[6]提出以制動能量回收率作為制動能量回收的評價指標,但是分母僅考慮到了動能,而未刨除整車滾動阻力、空氣阻力的影響,無法真實地反映出制動能量回收過程中再生制動系統所能回收的最大能量。同時,整車CAN協議內也包含著大量的整車狀態信號,其開放程度也會影響到制動能量回收效果的評價[7]。如何根據整車的信號采集結果,采用簡單且有效的計算方法用于評價整車制動能量回收效果,是當前制動能量回收技術亟需解決的問題[8]。

基于整車系統方案與制動力分配算法特征,本文通過在整車上加裝輪缸壓力傳感器,并根據整車CAN協議的開放程度,提出了評價制動能量回收效果的計算方法。

1 系統方案介紹

新能源汽車不同系統構型對應的動力源不同,使得整車驅動過程中消耗能量的計算具有多樣化。同時再生制動系統構型不同,導致電液制動力分配不同,使得整車制動過程中回收能量的計算具有多樣化。因而需要對系統方案進行介紹,為制動能量回收評價提供硬件平臺。

1.1 整車構型簡介

本文選取純電動汽車作為研究車型,驅動系統采用電機前置前驅的布置方式,永磁同步電機與動力電池進行配合工作,既可在驅動過程中利用動力電池能量驅動整車,又可在制動過程中將制動能量以電能的形式回收至動力電池中。內嵌于制動控制器中的制動力分配算法將決定電機制動力的參與程度。具體的車型結構布置如圖1所示。

圖1 目標車型的結構布置簡圖Fig.1 Structural layout diagram of target model

根據整車縱向動力學分析,車輛在制動過程中受到地面制動力、滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和慣性阻力的共同作用[9,10]。其中滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、慣性阻力與整車基本參數、整車行駛狀態、道路情況有關,且無法對其進行能量回收。而針對地面制動力,可由電機制動力和液壓制動力提供,并可利用電機制動力實現能量回收。

1.2 再生制動系統構型簡介

圖2 再生制動系統液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematic diagram of regenerative braking system

本文選取的再生制動系統構型如圖2所示,是在基于裝備ESC液壓調節單元的傳統制動系統的基礎上進行的改動。為實現永磁同步電機與液壓制動力協調控制,需要使得制動主缸壓力與前軸輪缸壓力解耦控制,同時保證改動后的制動系統與傳統制動系統有相同的制動踏板感覺,可通過增設踏板行程模擬器實現以上功能。具體踏板行程模擬器采用被動液力式模擬器[11],用于模擬前輪的PV特性。因而在駕駛員進行制動踏板操縱時,來自于制動主缸的制動液可分別流入踏板行程模擬器和后軸輪缸中,實現改動后的再生制動系統構型在不同踏板開度下的液壓特性與傳統的制動系統相同。

2 制動力分配算法

制動力分配算法是整個再生制動控制的核心技術,主要負責前、后軸制動力分配和電液制動力分配[12]。通過對制動力分配算法研究,為再生制動系統能量回收評價提供理論計算依據。

如圖3所示,為了保證裝有再生制動系統的整車與傳統車具有相同的制動感覺,選取的前、后軸制動力分配按照傳統制動系統的β線進行分配。為充分發揮電機的制動能力,首先使用電機滿足所需前軸制動力,超出電機所能提供的制動力由前軸液壓制動力進行補充。對于后軸制動力全部由液壓制動力提供,與傳統的制動系統工作狀態相同。當制動強度為z時,整車的制動力分配滿足如下關系:

式中:Fmotor_max為電機當前狀態最大再生制動力;β為前后軸制動力分配系數;z為制動強度;Fm為電機再生制動力;Fhybrid_f為前軸液壓制動力;Fhybrid_r為后軸液壓制動力。

根據壓力與制動力之間的關系,得:

圖3 制動力分配策略Fig.3 Braking force allocation strategy

式中:p i為輪缸壓力(i＝FL,FR,RL,RR);cFA為前軸制動效能;cRA為后軸制動效能。

車輪的制動效能與輪缸直徑、車輪有效作用半徑、制動效能因數、車輪半徑有關,無法精確計算得到。車輛在低速行駛時,可忽略整車滾動阻力和空氣阻力的作用,利用兩種不同制動強度下穩態輪缸壓力計算得到前、后軸的制動效能。

式中:z1、z2為兩種不同的制動強度;m為整車質量;p ij為輪缸壓力的不同試驗結果(i＝FL,FR,RL,RR;j＝1,2)。

試驗選取車速為30 km/h,在不同制動強度z1和z2下(z1＞z2)的輪缸壓力變化如圖4所示,利用式(3)可得,cFA＝43.2;cRA＝20.9。

圖4 前、后軸輪缸壓力變化Fig.4 Front and rear axle wheel cylinder pressure variation

3 制動能量回收評價指標

制動能量回收評價指標作為制動能量回收技術性能優劣的評價標準,具有重要的理論研究價值[13]。目前常利用電機回收能量的比例或續駛里程增加量等指標進行評價。結合本文提出的利用輪缸壓力作為評價輸入信號,考慮整車CAN協議開放程度,給出了制動能量回收率和續駛里程增加率的具體計算方法。

3.1 循環工況能耗計算

傳統制動系統由于采用串聯雙腔式制動主缸,前、后軸液壓管路壓力基本一致[14],由于本文采用的再生制動系統能保證與傳統制動系統相似的液壓特性,因而在開啟制動能量回收的循環工況中,利用后軸輪缸壓力的變化,可以計算出完全摩擦消耗于制動器的總能量Wcon為:

式中:n表示循環工況共制動n次;第i次制動中,t i－1為制動初始時刻,t i－2為制動結束時刻;Vveh為行駛車速。

通過獲取前軸輪缸壓力的變化,可以得到循環工況下驅動電機回收的能量Wregen為:

式中:ηdrv為傳動系統效率;ηm_chg為平均電機發電效率,通常參數取為循環工況下的平均效率[4,8]。

將驅動電機回收的能量Wregen用于驅動車輛后的能量Wregen_drv為:

式中:ηbattery_charge為平均動力電池充電效率;ηbattery_discharge為平均動力電池放電效率;ηm_drv為平均電機驅動效率,通常參數取為循環工況下的平均效率[4,8]。

驅動電機無能量回收時用于驅動車輛的能量Wnon_regen_drv為:

式中:Tmot_drv為電機驅動力矩;ω為電機轉速。

3.2 制動能量回收率

傳統車輛在制動過程中,理論上能夠回收的制動能量最大為摩擦制動器上消耗的能量。定義制動能量回收率ηreg為某循環工況下所有制動過程驅動電機回收的能量Wregen占完全摩擦消耗于制動器的總能量Wcon的比例,因而此種制動能量回收評價指標需要獲取的參數與途徑參見表1,無需整車CAN協議的信號。

表1 制動能量回收率需求參數與途徑Table 1 Demand parameters and approaches of brake energy recovery rate

ηreg的計算公式為:

3.3 續駛里程增加率

工程化的制動能量回收評價用開啟和關閉制動能量回收功能時整車的續駛里程延長量所占比例δS來表示。

式中:Lworeg為無制動能量回收時的續駛里程;Lreg為有制動能量回收時的續駛里程。

本文提出利用循環工況中驅動電機回收能量轉化為驅動車輛的能量Wregen_drv與驅動過程中的凈能量Wnon_regen_drv－Wregen_drv之比來表示續駛里程增加率δE,因而此種制動能量回收評價指標需要獲取的參數與途徑參見表2,需要整車CAN協議的信號。

表2 續駛里程增加率需求參數與途徑Table 2 Demand parameters and approaches of driving range increase rate

δE的計算公式為:

針對本文提出的續駛里程增加率δE,利用能量之比代替續駛里程之比,具體的證明過程如下,式(11)是對續駛里程增加率計算公式式(10)的改動:

式中:在設定循環工況下,Eregen_off為不開制動能量回收功能時所消耗的能量;Eregen_on為開制動能量回收功能時所消耗的凈能量。

車輛在相同循環工況下工作時,在比較長的行駛里程內,可認為整車能耗與行駛里程成比例關系[12]。假定有如下兩種情況:

情況1 在固定整車凈能耗為E0的條件下,開啟制動能量回收時的續駛里程為Sregen_on,關閉制動能量回收時的續駛里程為Sregen_off。

情況2 在固定整車續駛里程為S0的條件下,開啟制動能量回收時的整車能耗為Eregen_on,關閉制動能量回收時的整車能耗為Eregen_off。

可以看出,僅通過一次制動試驗,利用本文的評價方法,便可以測量出整車的續駛里程增加率,提高了整車試驗效率。

4 實車試驗

圖2為實車制動管路連接原理圖,其中實車采用純電動汽車,其液壓制動管路采用II型布置方案,采用國內某生產商自主開發的液壓調節單元ESC連接至輪缸,實驗室自主研發的踏板行程模擬器安放在前軸主缸出口與液壓調節單元ESC入口之間,用于實現前軸解耦和踏板感覺模擬,具體實車管路連接實物如圖5所示?？刂茊卧捎肕icro AutoBox,驅動單元采用Rapid Prototype,Micro AutoBox上的ADC通道用于采集輪缸壓力,CAN通道用于采集整車的CAN信號。

圖5 制動管路連接實物圖Fig.5 Brake pipe connection diagram

實車在轉鼓上進行NEDC循環工況試驗,取其中一個NEDC循環工況的試驗結果進行分析。

由于NEDC循環工況下,整車在制動過程中,制動強度比較小,因而從圖6和圖7中可以看出,針對于前軸制動力,電機制動力覆蓋了大部分工況,由于受電機的外特性影響,前軸液壓制動力只有在車速較高時有部分參與,在車速較低時前軸液壓制動力參與較少。

圖6 NEDC工況下電機力矩變化Fig.6 Variation of motor torque under NEDC cycle

圖7 NEDC工況下輪缸壓力變化Fig.7 Variation of wheel cylinder pressure under NEDC cycle

將本文提出的基于輪缸壓力計算的制動能量回收率結果與常用的制動能量回收率結果(利用電流電壓計算)進行對比[4],并將本文提出的基于輪缸壓力計算的續駛里程增加率與通過開閉制動能量回收功能得到的續駛里程增加率結果進行對比,試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果對比Table 3 Comparison of test results

通過試驗數據分析可知,本文提出的基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法與現有常用評價方法相比,相對誤差率都可控制在6%以內。其中由于制動能量回收率ηreg相對于續駛里程增加率δS,無需對動力系統的驅動電機、動力電池相關參數取平均值估算,因而相對誤差率較小。

本文提出的方法可適用于ABS/ESP未觸發時整車的制動能量回收評價,當車輛觸發ABS/ESP時,為保證制動的安全性,車輛的再生制動系統將協調退出,將不對制動能量回收系統進行評價。

5 結 論

(1)提出制動能量回收評價方法的計算受信息采集結果的影響,引入輪缸壓力信號,分析了整車系統方案和制動力分配算法的影響,考慮整車CAN協議開放程度,理論推導出基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法。

(2)實車試驗結果針對基于輪缸壓力的制動能量回收評價方法進行驗證,結果表明可滿足試驗結果的精度,可行性高。

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