郝 磊,李 峰,李會(huì)杰,張學(xué)禮
(1.西安交通工程學(xué)院,機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710032;2.西安交通大學(xué),機(jī)械學(xué)院,陜西 西安 710048;3.中車唐山機(jī)車車輛有限公司,河北 唐山 064099)
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(shí)因?yàn)槭褪且环N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(jià)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(xiàng)非常急迫的研究工作。當(dāng)汽車處于城市運(yùn)行工況下時(shí),約有40%的動(dòng)能會(huì)在制動(dòng)階段轉(zhuǎn)變成熱能而發(fā)生損耗[5]。為提升電動(dòng)汽車節(jié)能效果,通常需要為其制動(dòng)系統(tǒng)配備能量回收結(jié)構(gòu),這也已經(jīng)成為電動(dòng)汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),可以將電動(dòng)汽車制動(dòng)階段的動(dòng)能以電能的形式儲存于蓄電池內(nèi),制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)回饋制動(dòng)力可以為汽車制動(dòng)過程提供所需制動(dòng)力,同時(shí)為保障汽車制動(dòng)可靠性,同樣也需設(shè)置合適的液壓制動(dòng)力來達(dá)到理想的制動(dòng)效果[11]。傳統(tǒng)動(dòng)力形式的汽車進(jìn)行制動(dòng)時(shí),制動(dòng)踏板跟液壓制動(dòng)系統(tǒng)之間屬于一種非解耦的關(guān)系,須確保制動(dòng)階段電機(jī)回饋制動(dòng)過程和液壓制動(dòng)過程達(dá)到相互協(xié)調(diào)狀態(tài),以此提升制動(dòng)階段對汽車動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)(ECB),實(shí)現(xiàn)了對制動(dòng)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(jī)回饋制動(dòng)以及液壓制動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度的變化,可實(shí)現(xiàn)電機(jī)回饋制動(dòng)力與液壓制動(dòng)力間的良好協(xié)調(diào),以此滿足制動(dòng)過程的控制要求,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的高效回收。監(jiān)測方式車輪存在抱死的情況時(shí),ESC液壓制動(dòng)過程可以實(shí)現(xiàn)輪缸制動(dòng)力的動(dòng)態(tài)控制,從而避免車輪發(fā)生抱死的問題。
電動(dòng)汽車制動(dòng)方案示意圖,如圖1所示。進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí),液壓調(diào)節(jié)單元(HCU)先接收制動(dòng)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(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和液壓制動(dòng)力的合理分配;利用電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的扭矩控制,經(jīng)減速機(jī)構(gòu)與差速器將作用力傳輸至驅(qū)動(dòng)輪;利用ESC液壓調(diào)節(jié)單元進(jìn)行車輪控制,實(shí)現(xiàn)液壓摩擦制動(dòng)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(gè)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(dòng)汽車制動(dòng)方案示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Electric Vehicle Braking Scheme
這里設(shè)計(jì)的電池組中為電池元件同時(shí)設(shè)置了串聯(lián)與并聯(lián)形式??刂茊蝹€(gè)電池容量為70A·h,電壓3.7V,內(nèi)阻0.0658Ω。每個(gè)分支串聯(lián)了96個(gè)電池元件,總共包含了2個(gè)并行分支??梢愿鶕?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(jì)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(shí),將SOC初始參數(shù)設(shè)定在95%,在SOC減小至5%時(shí),仿真結(jié)束。
選擇交流感應(yīng)電機(jī)作為仿真模型,同時(shí)以一階慣性延時(shí)模型對電機(jī)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(jī)功率表達(dá)式[15]:
式中:Tm—電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行階段的轉(zhuǎn)矩;t—時(shí)間常數(shù);Tlim—電機(jī)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(jī)的功率;ω—電機(jī)轉(zhuǎn)速。
電機(jī)的具體工作模式:在Pm>0的條件下,電動(dòng)機(jī)保持驅(qū)動(dòng)狀態(tài);Pm<0時(shí),電動(dòng)機(jī)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?shí)施主動(dòng)增壓。在駕駛員未踩下制動(dòng)踏板的情況下,為制動(dòng)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(dòng)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(shí)施增壓,主缸壓力逐漸增大,此時(shí)ESC單元依然處于初始狀態(tài),輪缸中開始流入制動(dòng)液,同時(shí)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(dòng)液,同時(shí)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(shí)制動(dòng)液經(jīng)減壓閥到達(dá)蓄能器,實(shí)際流量為0,ESC對電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行控制,為柱塞泵提供驅(qū)動(dòng)力,制動(dòng)液從蓄能器中經(jīng)吸入閥與增壓閥到達(dá)制動(dòng)輪缸,限壓閥受到ESC 控制后保持關(guān)閉狀態(tài),同時(shí)減壓閥也處于關(guān)閉狀態(tài)。
圖2 ESC模型Fig.2 ESC Model
在滿足制動(dòng)安全性的條件下合理分配各運(yùn)動(dòng)軸的制動(dòng)力,確保制動(dòng)力達(dá)到最優(yōu)分配狀態(tài),同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的高效回收。制動(dòng)力的實(shí)際分配情況,如圖3所示。粗實(shí)線為分配方案。
圖3 基于ECE的前后軸制動(dòng)力分配方案Fig.3 Braking Force Distribution Scheme for Front and Rear Axles Based on ECE
為實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的高效回收過程,處于較低制動(dòng)強(qiáng)度下時(shí),電機(jī)回饋制動(dòng)力可以達(dá)到前軸制動(dòng)制要求。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力小于前軸制動(dòng)力的實(shí)際要求時(shí),可以利用ESC液壓系統(tǒng)使車輪獲得相應(yīng)的液壓制動(dòng)力。
根據(jù)以上制動(dòng)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(dòng)狀態(tài)。當(dāng)車速未超過控制門限時(shí),選擇常規(guī)的液壓制動(dòng)模式;當(dāng)車速超過控制門限時(shí),首先分析其是否屬于緊急制動(dòng),進(jìn)入緊急制動(dòng)階段時(shí),不對能量實(shí)施回收,只施加液壓制動(dòng)作用,反之發(fā)生再生制動(dòng)過程。再生制動(dòng)的具體控制結(jié)構(gòu),如圖4所示。
圖4 再生制動(dòng)控制邏輯Fig.4 Regenerative Braking Control Logic
進(jìn)行仿真測試時(shí),需這對各制動(dòng)強(qiáng)度,使電機(jī)回饋和液壓制動(dòng)過程達(dá)到協(xié)調(diào)匹配的過程,再分析采用的制動(dòng)控制策略所實(shí)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(shí)路面附著系數(shù)為0.8,控制車輛制動(dòng)強(qiáng)度介于(0.1~0.7),仿真參數(shù),如表1所示。
表1 制動(dòng)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(dòng)能量回收仿真測試,以ECE實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)能量回收方案效率更高,同時(shí)發(fā)現(xiàn)這種差異隨著制動(dòng)減速度的降低變得更加顯著。這是因?yàn)殡S著制動(dòng)減速度提高至某一臨界值,電機(jī)獲得了最高回饋制動(dòng)力,能量回收狀態(tài)在這兩種控制策略下基本相近。
為分析ESC液壓制動(dòng)過程以及電機(jī)回饋制動(dòng)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(shí),液壓與電機(jī)制動(dòng)力同時(shí)發(fā)揮作用,實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的效果;2.9s時(shí)發(fā)生了電機(jī)制動(dòng)力的明顯波動(dòng),液壓制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入防抱死階段,當(dāng)主缸壓強(qiáng)保持恒定時(shí),左前輪增壓閥與減壓閥進(jìn)入動(dòng)態(tài)控制過程,實(shí)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。
依次針對NDEC、WLTP與ECE各個(gè)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(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)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
(1)以ECE實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)能量回收方案效率更高,并且隨著制動(dòng)減速度的降低變得更加顯著。(2)當(dāng)車輛減速度為5m/s2時(shí),液壓與電機(jī)制動(dòng)力同時(shí)發(fā)揮作用,實(shí)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(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)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%。