徐國勝，劉洪思，陳磊

（安徽江淮汽車集團股份有限公司 新能源乘用車公司，安徽 合肥 230601）

前言

新能源汽車的制動能量回收系統(tǒng)能夠大幅提高整車能量經(jīng)濟性，同時也是整車制動安全性、制動舒適性的重要影響因素，因此成為新能源汽車一項共性關(guān)鍵技術(shù)和一種具有核心競爭力的零部件產(chǎn)品[1]。隨著電子技術(shù)和汽車底盤技術(shù)的發(fā)展，高效、節(jié)能的電液助力技術(shù)逐漸地被應(yīng)用到新能源汽車上。與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相比，其以電子元件替代了部分機械元件，取消了制動踏板與制動輪缸之間的機械連接，不需要真空助力器；電子制動踏板通過傳感器采集駕駛員的制動命令，由控制器進行駕駛員制動意圖識別，根據(jù)不同的行駛工況，驅(qū)動制動執(zhí)行機構(gòu)完成制動控制，很大程度上彌補傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的不足，充分利用車輪與路面附著，提高制動效率及車輛行駛穩(wěn)定性[2-3]。

1 電液助力系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)機構(gòu)

電液助力系統(tǒng)（eBooster）結(jié)構(gòu)上選用分體式總泵助力電子液壓式線控制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，通過蝸輪蝸桿/齒輪齒條筒減速增扭機構(gòu)，將助力電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為制動主缸活塞的平動，駕駛員踩踏制動踏板的反饋力由機械解耦機構(gòu)提供。系統(tǒng)主要由電機、蝸輪蝸桿－齒輪齒條減速機構(gòu)、踏板模擬器、制動主缸和中央控制器等部分組成，如圖1所示。

圖1 電液助力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

車輛制動時，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板，eBooster中央控制器通過采集踏板位移傳感器的位移信號、輪缸壓力傳感器的壓力信號、液壓控制單元的制動壓力信號以及路面狀況識別信號，確定助力電機的目標(biāo)輸出扭矩的大小，并控制助力電機的實際輸出扭矩跟隨助力電機的目標(biāo)輸出扭矩；助力電機與渦輪蝸桿減速增扭機構(gòu)連接，再通過齒輪－齒條筒的嚙合，將助力電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為齒條筒的平動，齒條筒推動制動主缸活塞推桿運動，產(chǎn)生總泵制動壓力，制動液分別通過制動管路推入液壓控制單元，再通過與液壓控制單元相連的各個制動管路，推入各輪缸制動器，從而對車輛實施制動。此過程中，只有齒條筒會頂?shù)街鞲谆钊茥U，制動踏板推桿始終會與主缸活塞保有間隙，駕駛員制動力反饋完全由踏板模擬器提供，如圖2所示。

圖2 eBooster-電機助力模式示意圖

當(dāng)車輛處于制動能量回收模式時，踏板模擬器處于模擬狀態(tài)，為駕駛員踩踏制動踏板提供反作用力，同時助力電機處于非助力狀態(tài)，制動力由制動能量回收電機提供，此時總泵外端活塞桿同制動踏板推桿有足夠間隙，保證駕駛員制動感覺完全由模擬器提供，不被制動能量回收影響。

當(dāng)eBooster系統(tǒng)失效時，此時踏板模擬器彈簧將不再對駕駛員提供模擬力，駕駛員在踩下一定制動位移后，制動推桿將直接推動制動總泵產(chǎn)生制動壓力，對車輛實施制動，駕駛員制動踏板反饋力直接由制動主缸提供。

2 制動能量回收系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案

根據(jù)制動力分配模式不同，可將制動能量回收系統(tǒng)劃分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩類。并聯(lián)型是在驅(qū)動軸采用機械制動與電機制動的聯(lián)合制動，二者同時、并行地產(chǎn)生制動力，而在非驅(qū)動軸上依然采用傳統(tǒng)的機械摩擦制動，該系統(tǒng)存在能量回收利用率，踏板感較差。串聯(lián)型的制動力由電機制動力和制動器制動力共同組成，電機制動力占主要地位，剩余部分由制動器來提供，制動器制動力與電機制動力的總和等于駕駛員期望制動力[4-5]。串聯(lián)型可實現(xiàn)能量回收效率最大化，具有較好的踏板感，本文基于電液助力系統(tǒng)設(shè)計一種串聯(lián)型能量回收系統(tǒng)方案，如圖3所示。

圖3 制動能量回收系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 控制策略設(shè)計

采用“以提高能量回收效率為目標(biāo)的復(fù)合制動控制策略”的回收模式，在制動過程中優(yōu)先采用回饋制動，不足的駕駛員制動需求用液壓制動進行補充。制動能量回收系統(tǒng)的功能集成在整車控制器中，駕駛員踩制動踏板，根據(jù)制動踏板力大小，eBooster進入相應(yīng)工作，制動控制器識別駕駛員制動意圖，計算出總的制動力，整車控制器（VCU）根據(jù)電池、電機狀態(tài)，發(fā)出系統(tǒng)當(dāng)前可回收功率和電機回饋制動力，制動控制器根據(jù)電機制動力和總的制動力，協(xié)調(diào)液壓制動力，保證駕駛員的總的制動力需求不變。

在一定車速下，駕駛員期望以固定減速度實施制動，制動開始時，由于電機回饋制動力無法產(chǎn)生足夠的車輛減速度，液壓制動力介入，以補充回饋制動力的不足；當(dāng)車速逐漸降低，液壓制動力逐步減小，直到完全退出，僅由回饋制動力實現(xiàn)制動；在車速降至較低時，由于電機在此工作區(qū)間回饋制動能力又無法滿足要求，液壓制動重新介入，直到車速為0，如圖4所示。

圖4 復(fù)合制動控制策略示意圖

圖5所示為變制動強度復(fù)合制動控制策略示意圖，試驗車輛為前軸電驅(qū)動車輛，當(dāng)制動強度z小于地面附著系數(shù)μ時（假定μ=0.8，z=0.6g），則前后制動力分配在AB段之間變化。

（1）當(dāng)最大回饋制動力在Freg1范圍內(nèi)時（如圖中C點），前軸制動力全部由回饋制動提供，后軸制動力數(shù)值對應(yīng)D點；（2）當(dāng)最大回饋制動力小于 A點對應(yīng)的前軸制動力時（如圖中 E點），則回饋制動力取最大值，由前后軸液壓制動提供剩余制動強度需求。為了將整車制動力控制在I曲線上的F點，將前后軸液壓制動分別控制在L點和G點；（3）當(dāng)最大回饋制動力大于B點對應(yīng)的前軸制動力時，則回饋制動對應(yīng)于B點的前軸制動力，后軸液壓制動對應(yīng)于B點的后軸制動力。

圖5 變制動強度復(fù)合制動控制策略示意圖

2.3 制動液壓系統(tǒng)執(zhí)行策略

圖6 液壓系統(tǒng)不參與制動示意圖

基于小強度制動工況下，僅有回饋制動工作，液壓系統(tǒng)不提供摩擦制動力，踏板模擬器的常開閥EV通電關(guān)閉，常閉閥AV通電打開，制動液從主缸通過踏板模擬器的AV閥進入活塞中，從而隔斷主缸和輪缸的壓力，屏蔽液壓制動，如圖6所示。

當(dāng)電機回饋制動不足時，液壓制動系統(tǒng)主動增壓，進行制動力補償，ESC的常閉閥HSV通電打開，常開閥USV關(guān)閉，電機泵通電運行，ESC通過主動增壓功能，泵取儲液罐的制動液到相應(yīng)的輪缸，提供相應(yīng)的制動壓力，最終產(chǎn)生摩擦制動力，如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)參與制動示意圖

當(dāng)電機回饋制動失效或者條件不滿足時，則踏板模擬器的常開閥EV和常閉閥AV同時斷電，恢復(fù)正常液壓制動，如圖8所示。

圖8 無電機回饋制動，液壓制動示意圖

3 試驗驗證

表1 整車參數(shù)表

以某前輪驅(qū)動純電動車為對象，在現(xiàn)有液壓制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，匹配eBooster和ESC，整車控制器VCU負責(zé)能量回收和制動力協(xié)調(diào)控制單元，整車參數(shù)如表1所示。

3.1 制動能量回收功能測試

（1）較大制動強度

緊急制動或車輛低速下制動，電機制動力無法滿足制動需求，前后軸僅液壓制動，無電機制動，踏板模擬器的常開閥EV和常閉閥AV同時斷電，恢復(fù)傳統(tǒng)液壓制動，如圖9所示。

圖9 較大制動強度測試

（2）中等制動強度

在駕駛員中等制動強度時，踏板輸入略有抖動。中等制動強度需求，前軸電機制動，后軸液壓制動，ESC的常閉閥HSV通電打開，常開閥USV關(guān)閉，電機泵通電運行，ESC通過主動增壓功能，泵取儲液罐的制動液到相應(yīng)的輪缸，提供相應(yīng)的制動壓力，產(chǎn)生摩擦制動力，如圖10所示。

圖10 中等制動強度測試

（3）小制動強度

在駕駛員小制動強度時，前期僅使用電機制動，車速降低電機制動不足，由液壓制動補足，實現(xiàn)液壓制動和電機制動的協(xié)調(diào)，如圖11所示。

圖11 小制動強度測試

3.2 制動能量回收性能測試

針對試驗樣車開展ECE工況續(xù)駛里程試驗，記錄電池放電電量和回收的電量，分不同電量SOC區(qū)間，根據(jù)制動能量回收評價標(biāo)準(zhǔn)[6]，回收能量與總放電量的比值，計算出ECE工況下的能量回收貢獻率，結(jié)果如表2所示，在全減速階段，車速7km/h以上僅由電機制動力產(chǎn)生，7km/h以下，電機制動力退出，僅液壓制動，在SOC 30-20%區(qū)間，ECE循環(huán)工況經(jīng)濟性貢獻率最高達28.9%。

表2 ECE工況制動能量回收貢獻率

4 結(jié)論

（1）電液助力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)真空助力器，利用制動主缸里的電機實施助力，可以滿足純電動車對制動系統(tǒng)的要求，基于電液助力系統(tǒng)設(shè)計的整車制動能量回收策略，在不影響駕駛員駕駛感覺的基礎(chǔ)上提供精確的液壓補償，配合整車實現(xiàn)踏板解耦的串行能量回收功能，具有較高的能量回收貢獻率，提升車輛續(xù)駛里程。

（2）基于電液助力系統(tǒng)的制動能量回收系統(tǒng)，各個系統(tǒng)的獨立性、降低數(shù)據(jù)交互的復(fù)雜耦合，電機控制器和電池控制器由整車控制器協(xié)調(diào)控制，而ESC控制器只發(fā)送扭矩請求指令給整車控制器，而整車控制器把相關(guān)的電機、電池狀態(tài)發(fā)送給ESC控制器，具體制動力控制和解耦過程通過上述的控制策略進行，該協(xié)調(diào)工作方式最大限度地保證了各個系統(tǒng)的獨立性、制動安全性、系統(tǒng)的魯棒性。