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新能源車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)踏板感覺(jué)研究
鼓式制動(dòng)器、摩托車(chē)剎車(chē)圈、Drum brake、輪轂剎車(chē)圈專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家無(wú)錫九環(huán)2021年4月22日訊再生制動(dòng)功能為新能源車(chē)型必備功能，可有效提高新能源車(chē)輛續(xù)航里程。電控制動(dòng)助力器應(yīng)用于新能源車(chē)輛可提供再生制動(dòng)工況制動(dòng)踏板力協(xié)調(diào)功能，使得駕駛員所感受的踏板力跟傳統(tǒng)真空助力器車(chē)型相似。再生制動(dòng)工況踏板力補(bǔ)償依賴(lài)于制動(dòng)系統(tǒng)pV曲線，通過(guò)建立協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)的物理模型，運(yùn)用軟件自學(xué)習(xí)算法，調(diào)整軟件內(nèi)部預(yù)設(shè)的駕駛員制動(dòng)意圖參數(shù)曲線與實(shí)車(chē)制動(dòng)液量和壓力曲線相匹配。通過(guò)軟件的實(shí)車(chē)標(biāo)定與匹配以及實(shí)車(chē)測(cè)試，結(jié)果表明：采用軟件自學(xué)習(xí)的新能源協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)，可以確保制動(dòng)踏板感覺(jué)在有制動(dòng)能量回收和無(wú)制動(dòng)能量回收時(shí)的一致性。

0 引言

隨著油耗和排放日漸嚴(yán)苛的需求以及新能源車(chē)型的普及，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向低真空和無(wú)真空發(fā)展，電控制動(dòng)助力器取代傳統(tǒng)真空制動(dòng)助力器已成為制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展主要趨勢(shì)，除了可以提供零真空制動(dòng)助力，還可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)踏板力調(diào)節(jié)以及主動(dòng)制動(dòng)等高級(jí)功能。踏板感覺(jué)是駕駛員在日常駕駛中最為敏感的，也是JDpower響應(yīng)全球客戶呼聲權(quán)威調(diào)研機(jī)構(gòu)中權(quán)重最高的一項(xiàng)。新型制動(dòng)助力系統(tǒng)的應(yīng)用，首先要提供安全可靠、良好的制動(dòng)踏板感覺(jué)。
隨著新能源車(chē)輛的推廣應(yīng)用，再生制動(dòng)功能成為新能源汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而電控制動(dòng)助力器的踏板力調(diào)節(jié)功能使得再生制動(dòng)可以達(dá)到0.3g減速度。對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程，車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為制動(dòng)器的熱能。對(duì)于新能源車(chē)輛可通過(guò)具備發(fā)電功能的電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，用來(lái)收集傳統(tǒng)車(chē)輛在制動(dòng)和滑行過(guò)程中的能量浪費(fèi)，也稱(chēng)為再生制動(dòng)回收，除改善燃油經(jīng)濟(jì)性外，也可延長(zhǎng)制動(dòng)摩擦片的售后維護(hù)周期。由于再生制動(dòng)為一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，再生制動(dòng)過(guò)程中電控制動(dòng)助力器如何提供穩(wěn)定的踏板感成為必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
對(duì)于新能源車(chē)，再生制動(dòng)回收可以分為滑行制動(dòng)能量回收、疊加式制動(dòng)能量回收以及協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收，而協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)減速度可以達(dá)到0.3g，滿足2021年CATC以及WLTC測(cè)試工況要求，成為再生制動(dòng)技術(shù)的主要方向。關(guān)于再生制動(dòng)，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究，張京明等［1］針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，依據(jù)理想的前后輪制動(dòng)力分配曲線，基于比例控制策略，合理分配摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)更多的再生制動(dòng)能量回收。胡勝、黃妙華［2］建立了駕駛員制動(dòng)意圖模糊識(shí)別模型和基于遺傳算法的制動(dòng)力分配優(yōu)化模型，通過(guò)系統(tǒng)仿真，能夠有效提高制動(dòng)過(guò)程中的能量回收率。何莉萍等［3］考慮了制動(dòng)能量回收時(shí)駕駛員的安全性，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的汽車(chē)輔助再生制動(dòng)系統(tǒng)，可以監(jiān)控車(chē)輛與前車(chē)的相對(duì)距離和相對(duì)速度，來(lái)調(diào)節(jié)前輪的再生制動(dòng)力，提高了再生制動(dòng)過(guò)程中的車(chē)輛安全性。張雷等人［4］以分布式驅(qū)動(dòng)電機(jī)汽車(chē)為研究對(duì)象，提出再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略，以保證在電動(dòng)汽車(chē)防抱死制動(dòng)過(guò)程中的車(chē)輛穩(wěn)定性。
再生制動(dòng)工況下的制動(dòng)踏板感的調(diào)解，是再生制動(dòng)客觀體驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。張建亮、趙鍇鍇［5］針對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)踏板感覺(jué)模擬器，通過(guò)AMESim軟件仿真，得到了與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)一致的制動(dòng)踏板感覺(jué)。陳慶樟等［6］以傳統(tǒng)液壓制動(dòng)踏板感為目標(biāo)，采用軌跡跟蹤控制策略，建立了再生制動(dòng)集成系統(tǒng)踏板控制模型。侯付來(lái)［7］對(duì)再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)的協(xié)同控制策略和控制裝置進(jìn)行了研究，運(yùn)用AMESim搭建再生制動(dòng)系統(tǒng)模型，研究影響制動(dòng)踏板感覺(jué)的關(guān)鍵因素。

1 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)模型

1.1 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)原理

協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)工況，需要車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，以電控制動(dòng)助力器以及電子穩(wěn)定控制器ESC作為協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)的系統(tǒng)解決方案，可實(shí)現(xiàn)0.3g減速度的再生制動(dòng)，滿足95%以上的日常制動(dòng)工況，降低能耗，提升車(chē)輛續(xù)航里程。電控制動(dòng)助力器通過(guò)軟件標(biāo)定，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板感覺(jué)的調(diào)節(jié)，同時(shí)此電控制動(dòng)助力器采用傳統(tǒng)助力器相同主缸，具有耦合的制動(dòng)踏板以及明確的ABS路感。再生制動(dòng)系統(tǒng)綜合考慮車(chē)輛穩(wěn)定性狀態(tài)平衡摩擦力矩和再生制動(dòng)力矩，基于電控制動(dòng)助力器以及電子制動(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)，文中研究再生制動(dòng)工況電控制動(dòng)助力器制動(dòng)踏板感覺(jué)。
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圖1 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)工作原理
協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)主要功能如下：（1）通過(guò)踏板行程傳感器以及主缸壓力信號(hào)判斷駕駛員制動(dòng)意圖；（2）提供制動(dòng)助力功能，使得駕駛員用較小的踏板力達(dá)到所需車(chē)輛減速度，減輕駕駛員疲勞、提高駕駛舒適性，其電控制動(dòng)助力器電機(jī)為制動(dòng)助力動(dòng)力源；（3）通過(guò)CAN總線分配再生制動(dòng)力矩，通過(guò)制動(dòng)液控制在卡鉗端產(chǎn)生的摩擦制動(dòng)力。其再生制動(dòng)力矩只能作用在驅(qū)動(dòng)軸端，再生制動(dòng)力矩大小跟車(chē)輛狀態(tài)有關(guān)，比如電池電量、電機(jī)再生制動(dòng)能力、車(chē)輛穩(wěn)定性狀態(tài)、駕駛員制動(dòng)意圖等。
協(xié)調(diào)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)僅在駕駛員踩下制動(dòng)時(shí)工作，制動(dòng)力由再生制動(dòng)力和制動(dòng)器摩擦制動(dòng)力相疊加，使得其總和等于駕駛員的需求制動(dòng)力。在協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)工況下，駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，制動(dòng)液儲(chǔ)存在ESC的低壓蓄能器中，確保輪缸卡鉗端不建壓，以此電機(jī)的反向扭矩施加在輪端來(lái)提供車(chē)輛的對(duì)應(yīng)減速度。
以一輛車(chē)速120 km／h車(chē)輛進(jìn)行0.25g減速度恒定制動(dòng)為例，如圖2所示，由于電機(jī)具備高速恒功率低速恒扭矩特性，高車(chē)速時(shí)再生制動(dòng)能力不足，則制動(dòng)減速度由液壓制動(dòng)和再生制動(dòng)共同承擔(dān)；隨著車(chē)速的降低，電機(jī)再生制動(dòng)能力增強(qiáng)，可全部由再生制動(dòng)來(lái)承擔(dān)制動(dòng)減速度，液壓制動(dòng)減少，主缸壓力減??；由于低車(chē)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱需求，再生制動(dòng)能力緩慢降低到0，為了確保減速度恒定，液壓制動(dòng)需要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，液壓制動(dòng)增大，主缸壓力增大。在這個(gè)過(guò)程中由于再生制動(dòng)為動(dòng)態(tài)過(guò)程且實(shí)時(shí)變化，為了確保減速度等同于駕駛員需求，液壓實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致主缸壓力為動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。除了受驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)再生制動(dòng)能力的影響，主缸壓力還會(huì)受到車(chē)輛穩(wěn)定性狀態(tài)的影響、駕駛員制動(dòng)意圖的變化，從而需求根據(jù)理想的制動(dòng)踏板感覺(jué)曲線和實(shí)施變化的主缸壓力，進(jìn)行軟件調(diào)試，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板力的平衡以及踏板力的穩(wěn)定。
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圖2 再生制動(dòng)特性曲線

1.2 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)踏板感覺(jué)模型

協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)的運(yùn)用，需要考慮駕駛員制動(dòng)踏板感覺(jué)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，即需要滿足在無(wú)協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)時(shí)和有協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)踏板感覺(jué)的一致性。電控制動(dòng)助力器物理模型如圖3所示。
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圖3 電控制動(dòng)助力器物理模型
由電控制動(dòng)助力器物理模型可知，駕駛員通過(guò)踏板推桿輸入踏板力，電機(jī)助力通過(guò)小齒輪、大齒輪和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)閥體，同時(shí)駕駛員踩制動(dòng)踏板作用在輸入推桿的力可以推動(dòng)反饋盤(pán)，輸入推桿和閥體共同將作用力施加在反饋盤(pán)上，推動(dòng)主缸活塞移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力的建立。踏板推桿與閥體的相對(duì)位移可以通過(guò)位移傳感器檢測(cè)，通過(guò)控制踏板推桿與閥體的相對(duì)位移大小，可以實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)制動(dòng)助力比。
在駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，踏板力和電控制動(dòng)助力器電機(jī)助力共同克服制動(dòng)液壓系統(tǒng)反力。根據(jù)BFI目標(biāo)要求，可以通過(guò)電控制動(dòng)助力器標(biāo)定實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)制動(dòng)助力大小，根據(jù)力平衡原理，確保恒定踏板行程下駕駛員制動(dòng)踏板輸入力保持不變。
根據(jù)牛頓力學(xué)定律以及電控制動(dòng)助力器的物理模型，通過(guò)受力分析，可以得到對(duì)應(yīng)的電控制動(dòng)助力的力學(xué)平衡方程如下：
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式中：Fpedal為駕駛員作用在踏板上的力；Fboost是通過(guò)電機(jī)作用的助力；Fspring是回位彈簧的作用力；Fhydraulic是主缸的液壓反作用力。
由電控制動(dòng)助力的力學(xué)平衡方程可知，對(duì)于選定的電控制動(dòng)助力器，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的助力大小，可以實(shí)現(xiàn)不同的制動(dòng)踏板感，以及實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)工況踏板力的調(diào)節(jié)。

2 基于協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)踏板感覺(jué)調(diào)節(jié)

由協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)的工作原理以及電控制動(dòng)助力的力學(xué)平衡方程可知，在制動(dòng)能量回收的工況下，由于ESC將輪缸液量?jī)?chǔ)存入低壓蓄能器，電控制動(dòng)助力器主缸的液壓反作用力Fhydraulic將下降，需實(shí)時(shí)控制踏板推桿與閥體的相對(duì)位移大小，以平衡駕駛員制動(dòng)踏板力，保證制動(dòng)能量回收時(shí)良好的踏板感覺(jué)一致性。
制動(dòng)踏板感覺(jué)依賴(lài)于制動(dòng)系統(tǒng)p-V曲線，其中p為制動(dòng)系統(tǒng)壓力，V為制動(dòng)液流量，如圖4所示，p-V曲線可以轉(zhuǎn)化為推桿行程壓力曲線s-p曲線，如圖5所示，其中s為輸入推桿行程，p為制動(dòng)系統(tǒng)壓力，以s-p曲線作為控制目標(biāo)。再生制動(dòng)工況過(guò)程中，根據(jù)s-p曲線計(jì)算一定推桿行程下虛擬的主缸壓力。以輸入推桿行程s＝a為例說(shuō)明，即駕駛員意圖的主缸壓力SPD（SP Demand）＝pa0，進(jìn)而得到整車(chē)所需的總的制動(dòng)力矩。以再生制動(dòng)力矩可以換算為pa2，那么實(shí)際液壓則對(duì)應(yīng)于pa0-pa2，此部分液壓由ESC進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)踏板感覺(jué)BFI曲線設(shè)定之后，如圖6，BFI曲線包含了3組關(guān)系：踏板行程-減速度曲線，踏板力-減速度曲線，踏板力-踏板行程曲線；一定的制動(dòng)系統(tǒng)，踏板行程-踏板減速度根據(jù)s-p曲線為確定的關(guān)系，那么踏板力是可調(diào)參數(shù)，設(shè)定了一組BFI1踏板力-踏板減速度曲線之后，那么踏板力和踏板行程關(guān)系則確定；通過(guò)調(diào)節(jié)不同減速度下對(duì)應(yīng)的踏板力，可以得到不同的踏板力和踏板行程關(guān)系，如圖6中BFI2所示。
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圖4 壓力流量p-V曲線
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圖5 推桿行程壓力s-p曲線
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圖6 制動(dòng)踏板感覺(jué)BFI調(diào)節(jié)關(guān)系示意
以駕駛員的踏板推桿行程為輸入，基于PID控制的制動(dòng)助力控制，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板感控制，具體的協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)制動(dòng)踏板感控制算法如圖7所示。
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圖7 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)制動(dòng)踏板感控制算法
由于實(shí)際的制動(dòng)系統(tǒng)不同車(chē)輛之間p-V曲線一致性存在一定帶寬，并且同一輛車(chē)不同工況比如溫度不同，高速低速轉(zhuǎn)彎工況，卡鉗Cp值變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的不同推桿行程對(duì)應(yīng)的主缸壓力變化。由于再生制動(dòng)工況，其摩擦制動(dòng)液壓力計(jì)算來(lái)源于s-p曲線，為了確保有再生制動(dòng)和無(wú)再生制動(dòng)BFI線性度和一致性，需要獲取當(dāng)前車(chē)輛準(zhǔn)確的s-p曲線。為了獲取準(zhǔn)確的s-p曲線，需要在低車(chē)速純摩擦制動(dòng)工況下，根據(jù)主缸壓力傳感器得到的主缸壓力pMC_actual以及推桿行程傳感器獲取的推桿行程sactual進(jìn)行迭代計(jì)算學(xué)習(xí)，得到SPD學(xué)習(xí)系數(shù)?？刂扑惴ㄖ?，SPD學(xué)習(xí)是根據(jù)不同車(chē)輛的實(shí)際制動(dòng)系統(tǒng)建壓能力大小，不斷地將軟件內(nèi)部預(yù)設(shè)的液量與壓力的相關(guān)曲線進(jìn)行自學(xué)習(xí)，以靠近實(shí)際車(chē)輛的液量與壓力的曲線，具體學(xué)習(xí)過(guò)程如圖8所示。
圖8 SPD學(xué)習(xí)過(guò)程
ESC在檢測(cè)到實(shí)際車(chē)輛的踏板行程與壓力的關(guān)系曲線與軟件內(nèi)預(yù)設(shè)的曲線不一致時(shí)，會(huì)在純液壓制動(dòng)工況下，選取3個(gè)不同推桿行程對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，通過(guò)如下算法將踏板行程壓力曲線不斷往實(shí)車(chē)曲線靠近，每個(gè)點(diǎn)選取40個(gè)pMC_actualy壓力值的平均值進(jìn)行迭代。
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式中：α為SPD學(xué)習(xí)系數(shù)。

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)SPD自學(xué)習(xí)的算法應(yīng)用以及實(shí)車(chē)的匹配與測(cè)試，得到車(chē)輛在不同擋位下的制動(dòng)踏板感參數(shù)，由于N擋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是切斷狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)法做電機(jī)制動(dòng)，因此N擋可以模擬無(wú)制動(dòng)能量回收工況下的制動(dòng)踏板感，而D擋為驅(qū)動(dòng)擋，可以得到制動(dòng)能量回收工況下的制動(dòng)踏板感。
測(cè)試在車(chē)輛有制動(dòng)能量回收和無(wú)制動(dòng)能量回收下的制動(dòng)踏板感，得到制動(dòng)踏板感的對(duì)比如圖9—圖11所示，相比未優(yōu)化前制動(dòng)踏板感覺(jué)線性度以及一致性明顯提高。
圖9 D擋和N擋下踏板行程和踏板力的關(guān)系
圖10 D擋和N擋下踏板力和車(chē)輛減速度的關(guān)系
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圖11 D擋和N擋下踏板行程和車(chē)輛減速度的關(guān)系

4 結(jié)論

以新能源車(chē)協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)踏板感為研究對(duì)象，針對(duì)協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)踏板感調(diào)節(jié)難的問(wèn)題，提出基于軟件SPD自學(xué)習(xí)的算法，進(jìn)行再生制動(dòng)工況下的制動(dòng)踏板感調(diào)節(jié)。運(yùn)用基于電控制動(dòng)助力器和ESC的協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)方案，通過(guò)對(duì)電控制動(dòng)助力器控制策略的研究，并經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證，得到在有能量回收和無(wú)能量回收的工況下制動(dòng)踏板感覺(jué)一致性較好的結(jié)論。

作者：朱玙熹，崔海峰，馬加奇

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