面向新能源汽车的制动能量回收与再生底盘

引言

在科学技术水平日益提高的今天,环境保护问题逐渐成为人们重视的对象,汽车产业中的环保问题便成为了当代学者讨论的热点,新能源汽车应运而生。无论是实际使用汽车的消费者,还是管理汽车产业的政府机构,都对新能源汽车的发展抱有很高的期待,因此针对新能源汽车的相关研究渐渐发展起来。本文以新能源汽车为出发点,设计研究其底盘制动控制系统,意在保持正常制动功能的基础上,对制动过程中的能量回收与再生提出更高的要求,设计更为先进的软硬件以支持对制动能量的充分再利用。

1新能源汽车

随着科技的发展,能源与环境问题逐渐成为社会的焦点,人们也开始将关注点逐渐转移到节能环保的产品上来。汽车的保有量不断增加,汽车产业所带来的环境问题也日益严重,因此新能源汽车的出现,恰好顺应了发展的潮流。新能源汽车是不以汽油、柴油为动力的汽车,其有利于节能、环保和减排,极大地减少了对环境的破坏,并且可持续性较强。

1.1新能源汽车概述

新能源汽车主要有混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)、燃料电池汽车(FCEV)、氢发动机汽车以及燃气汽车等。随着新能源汽车的发展,全球在用的乘用性新能源汽车已经达到了82万辆以上,产业规模也上升到了200亿美元,预计2020年全国新能源汽车产量将会达到2000万辆以上。我国的新能源汽车进入了快速发展的时期,政府也对新能源汽车产业进行了大力扶持,部分城市开始实行购车补贴政策,逐渐进行新能源汽车的推广试点,然后过渡到对新能源汽车的全面扶持阶段。

1.2新能源汽车优势

新能源汽车最明显的优势就是在使用过程中,相比于传统能源汽车更加环保,同时其使用成本也大大降低。对于能源的利用效率,传统能源汽车仅为50%左右,而混合动力汽车的能源利用率高达90%。传统能源汽车的能源转化率仅为16%,新能源汽车为30%,大大高于前者。对于环境保护,新能源汽车相比于传统汽车,尾气污染减少近50%,而纯电动汽车更是达到了零尾气污染的状态,拥有着极高的环保效能。在成本上,新能源汽车例如电动汽车,电力成本远远低于传统的燃油,有着显著的成本优势。

同时,随着各国政府加大对新能源产业的扶持力度,新能

源汽车也得到了极大的发展。我国是目前全球对新能源汽车补贴力度最大的国家,对于消费者来说,不仅降低了购车成本,也增加了其购买能力,促进了产业的发展。与新能源汽车对接的其他行业如国家电网,在城市多处建造了新能源汽车的充换电站,完善了基础设施,方便了广大消费者使用新能源汽车。

1.3新能源汽车面临的问题

电动汽车在节约能源和降低污染方面都达到了普通汽车不能比拟的程度,但是对于这种新兴的交通工具,其自身也面临着一些问题亟待解决,然后才能更好地适应当今社会激烈的市场竞争。

就目前的研究来看,纯电动汽车的最大行驶里程在

300km左右,但这只是纯粹的实验性数据,并没有在现实的交通环境中进行实际测量和考察,所以到底能否达到这个数字还很难说。另外,很多城市尤其是北京、上海等一线大城市,交通繁忙,加之道路状况较差,电动汽车在行驶过程中会因为制动等问题耗费很多能量,导致行驶里程大大缩短,所以这个问题严重限制了电动汽车在城市中的推广应用。因此,以环保理念为基准,进行制动能量回收与再生便成为增加续航里程的首要方案。

2面向新能源汽车的车辆控制制动系统

在正常运行中,制动能量回收是纯电动汽车有别于传统汽车的最大优点。在制动能量回收的过程中,机械能转化为电能和热能,电能储存于储能装置中,此部分能量可以再次用于驱动车辆运行,实现能源的循环利用:而热能则直接散发到环境中,无法回收。制动能量回收可以增加车辆的续航里程,提高能源的利用率。

本文所述底盘控制器即车辆控制制动系统,硬件上包含电子控制单元(ECU)与液压控制单元(HCU)两部分,针对新能源汽车的特点,在传统汽车控制器上进行改进与升级。ECU采用英飞凌TC233最新芯片技术,升级了EPB(电子驻车制动系统)的控制电路:同时采用了更大的内存容量,可支持内存扩展和软件刷写功能,提升了硬件的可靠性和耐久性:改进了电磁阀的设计,降低了阀体工作时的液压波动,从而更好地改善了噪声和舒适性:采用了更高耐久性能和更低工作噪声控制的马达,且该马达的电磁兼容性要求更高,能更好地满足系统需求。同时该底盘控制器采用了符合全球规范和标准的VDA30500-100EPB集成技术,基于全球最高要求的AUTosAR软件系统架构进行软件开发,满足全球最高等级的1s026262功能安全规范。

2.1硬件升级

(1)电子液压控制单元(EHCU)硬件升级:在原有EHCU基础上,面向新能源汽车的特性与要求,对其进行设计与改进。ECU的MCU采用了英飞凌TC233最新芯片技术,ECU设计升级了EPB的控制电路,同时采用了更大的内存容量,可支持客户端的内存扩展和软件刷写功能。如图1所示,新的ECU集成了EPB的控制电路,左侧的控制器接口从38针升级为46针。

(2)隔离阀(1s0Valve)设计优化:在隔离阀内加入了带有唇型密封圈的单向阀,使得隔离阀工作时的泄漏量由12mL/min下降至0.2mL/min,从而提升了阀的防泄漏功能。新的隔离阀使用3/64英寸超小直径的行程杆,并适当增加了第一段气隙,从而大幅降低了电磁阀工作时产生的噪声,在控制器工作过程中给驾驶员带来更舒适的体验,如图2所示。

(3)柱塞活塞泵优化设计:使用高强度金属的活塞推杆,使整个活塞泵的耐久性能大幅增加,由原来的连续工作45h增加至149h。新设计的x型密封圈,能保证活塞泵在长时间工作的同时不会有制动液外泄,如图3所示。

(4)新增降低噪声的组件一计量阀:采用特殊设计带有流量槽的深拉伸阀座,使制动液在通过计量阀时,流量由小逐渐增大,平缓过渡,减少了控制器工作时的噪声。

图4为另一新增降低噪声的组件一出油口制动液柔顺装置:采用独特的可压缩的EPDM橡胶套管,在内部制动液压力增大时,会压缩橡胶套管,使制动液在排出模块时始终保持平缓柔顺的流速,给予驾驶员良好的驾车体验。

2.2算法升级

对于新能源汽车,制动能量回收是一项重要任务。制动能量回收的工作机制如图5所示。

(1)ME-machinedragtorque:驾驶员松开油门踏板时,考虑0.05g~0.1g的滑行电机回馈减速度(48V弱混项目可能要减少到0.03g,取决于客户可接受程度)。

(2)驾驶员踩下制动踏板。

(3)经过空行程后,控制电机回馈扭矩提供额外增加的车辆减速度的25%~50%(空行程由制动踏板开关、主缸压力或行程传感器来侦测)。

(4)踩下制动踏板后,电机与液压制动力矩协作以达成驾驶员所要的制动力。

实用的制动能量回收系统的功能算法应满足以下要求:

(1)满足制动的安全要求。刹车过程中,对安全的要求是第一位的。

(2)需要找到电机制动和机械制动的最佳覆盖区间,在确保安全的前提下,尽可能多地回收能量。

(3)具有能量回收系统的电动汽车的制动过程应尽可能地与传统的制动过程近似,符合驾驶员的制动习惯与踏板回馈感,这将保证在实际应用中系统有吸引力,可以为大众所接受。

2.3软件升级

为了使ECU软件的设计具有高度灵活性,并能灵活地满足底盘系统日趋复杂的功能集成要求,ECU软件架构设计以汽车行业主流软件架构AUTosAR为基础,并遵循AUTosARICC3的实现要求。

AUTosAR作为汽车行业主流开发平台,为ECU软件开发提供了标准的开发和集成方案(图6),基于该方案AUTosAR定义了ECU软件标准架构,其中包括系统服务、通信服务、内存服务、硬件抽象、MCAL等标准ECU基础软件,使得ECU的开发效率大大提高,并增加了ECU软件集成的灵活性。目前,全球各大汽车制造商都已开始要求采用AUTosAR进行汽车电子产品的开发。

为了满足ECU对不同应用功能的灵活性要求,ECU软件配置与集成主要包括预编译软件配置、后编译软件配置、功能标定等过程。

2.3.1预编译软件配置

根据应用的不同要求,ECU在集成时,可以配置需要的软件组件进行编译,以最大程度地优化ECU的执行效率和代码空间。

2.3.2后编译软件配置

为了对ECU软件的功能进行优化,以满足不同车型或应用的要求,ECU软件可以在编译后,通过修改软件参数完成软件的电气接口配置、系统配置及功能配置,增大软件集成和释放的灵活性。

2.3.3功能标定

最后,ECU软件通过实车标定过程,使ECU软件在整车平台的性能达到最优化。

3制动能量回收与再生功能设计

在控制器中为新能源汽车的能量回收与再生设计相应功能,集成到电子控制单元ECU中,即能量回收控制(RegenBrakeControl,RBC)与拖滞力回收控制(RegenDragControl,RDC),在MATLAB/simulink中进行建模。

3.1能量回收控制

该技术最关键的是需要找到电机制动和机械制动的最佳覆盖区间,在确保安全的前提下,尽可能多地回收能量,同时要保持制动踏板回馈感的一致性。RBC包含RBCl和RBC2,RBCl主要用于告知VCU车子即将进入主动安全模式,需要VCU及时退出能量回收:RBC2主要用于在高附路面踩制动踏板时,指挥VCU做能量回收。simulink模型如图7所示。

3.2拖滞力回收控制

该技术的关键是防止车辆抱死,失去控制。当进入低附,VCU在松开油门时做能量回收,随着滑移率的上升,有可能会出现抱死,RDC主要用于在出现可能的抱死前提前介入,指挥VCU合理退出能量回收,以确保不会影响进入主动安全模式。simulink模型如图8所示。

3.3制动能量回收策略

针对新能源汽车能量回收,制定两种可能的策略,即上述两种功能:在高附路面RBC以及低附路面RDC。简单的逻辑关系如图9所示。

RBC:通过指挥回馈力矩,让回馈力矩在制动踏板踩下时,依据VCU所提供的最大可实行的回馈力矩、车子的减速度以及驾驶员使用制动踏板的情况,优化电机制动和机械制动的最佳覆盖区间,动态指挥VCU调整或增加回馈力矩,以增加制动能量回收率。RBC的指挥命令会动态配合车子的车速与减速度来产生与驾驶者的意向相符且近似线性的综合叠加总制动力矩,以维持平顺的制动踏板回馈感。RBC的指挥命令也会让回馈力矩做适时适量的调整或退出以确保车子在进入ABS/EBD/ESC时其控制功能的表现不被影响,以维持车子的稳定性。

RDC:当进入低附,VCU在松开油门时做能量回收,随着滑移率的上升,有可能会出现抱死,RDC在出现可能的抱死前提前介入,指挥VCU合理退出能量回收以确保不会影响进入主动安全模式。RDC的指挥命令也会让回馈力矩做适时适量的调整或退出以确保车子在低附路面时可能进入ABS时其功能的表现与车子的稳定性。

4结语

本文介绍了新能源汽车及其发展性与时代性的特点,针对新能源汽车的特点对已有的传统汽车底盘控制器进行改进,升级EHCU设计使之适应新时代的汽车,并提升性能;设计研发RBC、RDC功能以更好地完成制动能量回收与再生的目标。不足之处在于暂缺大规模的实车测试,缺少实际对比数据,仍需要进一步研究。