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        基于ESC的電動汽車再生制動策略及能量回收

        2023-09-21 03:54:38李會杰張學(xué)禮
        機械設(shè)計與制造 2023年9期
        關(guān)鍵詞:輪缸車輪液壓

        郝 磊,李 峰,李會杰,張學(xué)禮

        (1.西安交通工程學(xué)院,機械工程學(xué)院,陜西 西安 710032;2.西安交通大學(xué),機械學(xué)院,陜西 西安 710048;3.中車唐山機車車輛有限公司,河北 唐山 064099)

        1 引言

        隨著汽車尾氣排放量的增加,空氣質(zhì)量也發(fā)生了持續(xù)惡化[1-2]。同時因為石油是一種不可再生資源,在各國工業(yè)化發(fā)展過程中,石油被不斷消耗,全球范圍內(nèi)的石油儲量快速減小,也因此引起了油價的持續(xù)上升[3-4]。以新能源汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車已屬于一項非常急迫的研究工作。當(dāng)汽車處于城市運行工況下時,約有40%的動能會在制動階段轉(zhuǎn)變成熱能而發(fā)生損耗[5]。為提升電動汽車節(jié)能效果,通常需要為其制動系統(tǒng)配備能量回收結(jié)構(gòu),這也已經(jīng)成為電動汽車的一項關(guān)鍵技術(shù),可以將電動汽車制動階段的動能以電能的形式儲存于蓄電池內(nèi),制動過程結(jié)束后被蓄電池又可以將原先儲存的能量重新釋放為汽車提供后續(xù)行駛過程所需的動力[6-7]。因此,世界各國的汽車制造企業(yè)、科研學(xué)者都開展了制動能量回收系統(tǒng)方面的深入研究,也取得了較大的技術(shù)突破[8-10]。

        電機回饋制動力可以為汽車制動過程提供所需制動力,同時為保障汽車制動可靠性,同樣也需設(shè)置合適的液壓制動力來達(dá)到理想的制動效果[11]。傳統(tǒng)動力形式的汽車進(jìn)行制動時,制動踏板跟液壓制動系統(tǒng)之間屬于一種非解耦的關(guān)系,須確保制動階段電機回饋制動過程和液壓制動過程達(dá)到相互協(xié)調(diào)狀態(tài),以此提升制動階段對汽車動能的回收效率,因此需要為解耦模式建立線性控制結(jié)構(gòu)[12-13]。某制造商根據(jù)線性控制方式,構(gòu)建了電子制動系統(tǒng)(ECB),實現(xiàn)了對制動能量的高效回收,之后獲得了成功推廣。

        這里構(gòu)建了可以對電機回饋制動以及液壓制動過程進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的方案,能夠滿足對車輪輪缸的協(xié)調(diào)控制效果。通過仿真測試發(fā)現(xiàn),隨著制動強度的變化,可實現(xiàn)電機回饋制動力與液壓制動力間的良好協(xié)調(diào),以此滿足制動過程的控制要求,實現(xiàn)制動能量的高效回收。監(jiān)測方式車輪存在抱死的情況時,ESC液壓制動過程可以實現(xiàn)輪缸制動力的動態(tài)控制,從而避免車輪發(fā)生抱死的問題。

        2 電動汽車制動方案

        電動汽車制動方案示意圖,如圖1所示。進(jìn)行制動操作時,液壓調(diào)節(jié)單元(HCU)先接收制動踏板產(chǎn)生的開度與輪速參數(shù),之后將其傳輸至整車控制系統(tǒng)(VCU),VCU再結(jié)合電池和電機狀態(tài)實現(xiàn)電機和液壓制動力的合理分配;利用電機控制器實現(xiàn)電機的扭矩控制,經(jīng)減速機構(gòu)與差速器將作用力傳輸至驅(qū)動輪;利用ESC液壓調(diào)節(jié)單元進(jìn)行車輪控制,實現(xiàn)液壓摩擦制動的效果,經(jīng)液壓管路將作用力傳輸至液壓輪缸[14]。將ESC液壓管路按照X型結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列,其中,右前輪和左后輪液壓輪缸共同使用同一個液壓管路;左前輪和右后輪液壓輪缸也共用相同的液壓管路。

        圖1 電動汽車制動方案示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electric Vehicle Braking Scheme

        3 仿真建模

        這里設(shè)計的電池組中為電池元件同時設(shè)置了串聯(lián)與并聯(lián)形式。控制單個電池容量為70A·h,電壓3.7V,內(nèi)阻0.0658Ω。每個分支串聯(lián)了96個電池元件,總共包含了2個并行分支。可以根據(jù)荷電狀態(tài)(SOC)來判斷電池電量,該參數(shù)表示電池剩余容量與額定容量比值。以下給出了SOC計算式:

        式中:SOCinit—電池初期測試得到的SOC;CN—等效電容。對各工況開展仿真測試時,將SOC初始參數(shù)設(shè)定在95%,在SOC減小至5%時,仿真結(jié)束。

        選擇交流感應(yīng)電機作為仿真模型,同時以一階慣性延時模型對電機轉(zhuǎn)矩輸出進(jìn)行仿真分析,得到以下所示的轉(zhuǎn)矩與電機功率表達(dá)式[15]:

        式中:Tm—電機在實際運行階段的轉(zhuǎn)矩;t—時間常數(shù);Tlim—電機處于當(dāng)前轉(zhuǎn)速與電池SOC 條件下可以產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩;Pm—電機的功率;ω—電機轉(zhuǎn)速。

        電機的具體工作模式:在Pm>0的條件下,電動機保持驅(qū)動狀態(tài);Pm<0時,電動機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

        以AMNSim構(gòu)建的ESC液壓模型,如圖2所示??梢岳蒙鲜瞿P蛯囕嗇喐讓嵤┲鲃釉鰤骸T隈{駛員未踩下制動踏板的情況下,為制動主缸設(shè)置的輸入壓力ESC模型能夠?qū)崿F(xiàn)車輪防抱死的效果,制動踏板被踩下之后,輪缸依次經(jīng)過增壓、保壓以及減壓的不同階段。ESC系統(tǒng)按照與常規(guī)過程一致的方式實施增壓,主缸壓力逐漸增大,此時ESC單元依然處于初始狀態(tài),輪缸中開始流入制動液,同時減壓閥與吸入閥方式關(guān)閉。進(jìn)入保壓階段后,增壓閥保持關(guān)閉狀態(tài),輪缸中獲得恒定的制動液,同時輪缸壓力也不發(fā)生變化。減壓過程中,增壓閥保持關(guān)閉狀態(tài),減壓閥開啟,這時制動液經(jīng)減壓閥到達(dá)蓄能器,實際流量為0,ESC對電機進(jìn)行運行控制,為柱塞泵提供驅(qū)動力,制動液從蓄能器中經(jīng)吸入閥與增壓閥到達(dá)制動輪缸,限壓閥受到ESC 控制后保持關(guān)閉狀態(tài),同時減壓閥也處于關(guān)閉狀態(tài)。

        圖2 ESC模型Fig.2 ESC Model

        4 控制策略

        4.1 制動力分配方案

        在滿足制動安全性的條件下合理分配各運動軸的制動力,確保制動力達(dá)到最優(yōu)分配狀態(tài),同時實現(xiàn)制動能量的高效回收。制動力的實際分配情況,如圖3所示。粗實線為分配方案。

        圖3 基于ECE的前后軸制動力分配方案Fig.3 Braking Force Distribution Scheme for Front and Rear Axles Based on ECE

        為實現(xiàn)制動能量的高效回收過程,處于較低制動強度下時,電機回饋制動力可以達(dá)到前軸制動制要求。當(dāng)電機制動力小于前軸制動力的實際要求時,可以利用ESC液壓系統(tǒng)使車輪獲得相應(yīng)的液壓制動力。

        4.2 協(xié)調(diào)控制策略

        根據(jù)以上制動力的分配方式,在當(dāng)前車速條件下判斷車輛應(yīng)選擇的最優(yōu)制動狀態(tài)。當(dāng)車速未超過控制門限時,選擇常規(guī)的液壓制動模式;當(dāng)車速超過控制門限時,首先分析其是否屬于緊急制動,進(jìn)入緊急制動階段時,不對能量實施回收,只施加液壓制動作用,反之發(fā)生再生制動過程。再生制動的具體控制結(jié)構(gòu),如圖4所示。

        圖4 再生制動控制邏輯Fig.4 Regenerative Braking Control Logic

        5 仿真結(jié)果分析

        5.1 制動能量回收

        進(jìn)行仿真測試時,需這對各制動強度,使電機回饋和液壓制動過程達(dá)到協(xié)調(diào)匹配的過程,再分析采用的制動控制策略所實現(xiàn)的能量回收效率。當(dāng)車輛速度由100km/h降低至0的過程中,設(shè)定電池最初SOC值為95%。此時路面附著系數(shù)為0.8,控制車輛制動強度介于(0.1~0.7),仿真參數(shù),如表1所示。

        表1 制動能量回收效率結(jié)果Tab.1 Braking Energy Recovery Efficiency Results

        分別以根據(jù)ECE方法與固定比值方式進(jìn)行制動能量回收仿真測試,以ECE實現(xiàn)的制動能量回收方案效率更高,同時發(fā)現(xiàn)這種差異隨著制動減速度的降低變得更加顯著。這是因為隨著制動減速度提高至某一臨界值,電機獲得了最高回饋制動力,能量回收狀態(tài)在這兩種控制策略下基本相近。

        5.2 制動過程分析

        為分析ESC液壓制動過程以及電機回饋制動期間ESC對車輪防抱死方面的控制效果,在路面附著系數(shù)為0.5的條件下,對車輛速度由最初的100km/h減速至0過程開展仿真測試結(jié)果,如圖5所示。

        圖5 ESC防抱死控制過程Fig.5 ESC Anti-Lock Locking Control Process

        當(dāng)車輛減速度為5m/s2時,液壓與電機制動力同時發(fā)揮作用,實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的效果;2.9s時發(fā)生了電機制動力的明顯波動,液壓制動力也一起參與控制,左前輪形成了更大的滑移率,ESC液壓制動系統(tǒng)進(jìn)入防抱死階段,當(dāng)主缸壓強保持恒定時,左前輪增壓閥與減壓閥進(jìn)入動態(tài)控制過程,實現(xiàn)輪缸壓力的調(diào)節(jié)功能,避免車輪發(fā)生抱死的情況。

        5.3 制動能量回收潛力分析

        依次針對NDEC、WLTP與ECE各個工況開展仿真測試。不同工況下進(jìn)行仿真測試所得能量回收結(jié)果,如表2所示。本控制方案可以達(dá)到更優(yōu)的車輛控制性能,并實現(xiàn)車輛制動能量的高效回收。這里的控制方式可以使NDEC 工況下的續(xù)駛里程提升9.35%,WLTP工況下上升37.2%,ECE工況下上升15.2%。

        表2 不同控制策略的能量回收結(jié)果Tab.2 Energy Recovery Results of Different Control Strategies

        6 結(jié)論

        (1)以ECE實現(xiàn)的制動能量回收方案效率更高,并且隨著制動減速度的降低變得更加顯著。(2)當(dāng)車輛減速度為5m/s2時,液壓與電機制動力同時發(fā)揮作用,實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的效果,且輪缸壓力的調(diào)節(jié)功能,避免車輪發(fā)生抱死的情況。(3)這里的方案可以達(dá)到更優(yōu)的車輛控制性能,實現(xiàn)車輛制動能量的高效回收??梢允筃DEC工況下的續(xù)駛里程提升9.35%,WLTP工況下上升37.2%,ECE工況下上升15.2%。

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