引言

在科學(xué)技術(shù)水平日益提高的今天,環(huán)境保護(hù)問題逐漸成為人們重視的對(duì)象,汽車產(chǎn)業(yè)中的環(huán)保問題便成為了當(dāng)代學(xué)者討論的熱點(diǎn),新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生。無論是實(shí)際使用汽車的消費(fèi)者,還是管理汽車產(chǎn)業(yè)的政府機(jī)構(gòu),都對(duì)新能源汽車的發(fā)展抱有很高的期待,因此針對(duì)新能源汽車的相關(guān)研究漸漸發(fā)展起來。本文以新能源汽車為出發(fā)點(diǎn),設(shè)計(jì)研究其底盤制動(dòng)控制系統(tǒng),意在保持正常制動(dòng)功能的基礎(chǔ)上,對(duì)制動(dòng)過程中的能量回收與再生提出更高的要求,設(shè)計(jì)更為先進(jìn)的軟硬件以支持對(duì)制動(dòng)能量的充分再利用。

1新能源汽車

隨著科技的發(fā)展,能源與環(huán)境問題逐漸成為社會(huì)的焦點(diǎn),人們也開始將關(guān)注點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品上來。汽車的保有量不斷增加,汽車產(chǎn)業(yè)所帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重,因此新能源汽車的出現(xiàn),恰好順應(yīng)了發(fā)展的潮流。新能源汽車是不以汽油、柴油為動(dòng)力的汽車,其有利于節(jié)能、環(huán)保和減排,極大地減少了對(duì)環(huán)境的破壞,并且可持續(xù)性較強(qiáng)。

1.1新能源汽車概述

新能源汽車主要有混合動(dòng)力汽車(HEV)、純電動(dòng)汽車(BEV)、燃料電池汽車(FCEV)、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車以及燃?xì)馄嚨?。隨著新能源汽車的發(fā)展,全球在用的乘用性新能源汽車已經(jīng)達(dá)到了82萬輛以上,產(chǎn)業(yè)規(guī)模也上升到了200億美元,預(yù)計(jì)2020年全國(guó)新能源汽車產(chǎn)量將會(huì)達(dá)到2000萬輛以上。我國(guó)的新能源汽車進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期,政府也對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了大力扶持,部分城市開始實(shí)行購(gòu)車補(bǔ)貼政策,逐漸進(jìn)行新能源汽車的推廣試點(diǎn),然后過渡到對(duì)新能源汽車的全面扶持階段。

1.2新能源汽車優(yōu)勢(shì)

新能源汽車最明顯的優(yōu)勢(shì)就是在使用過程中,相比于傳統(tǒng)能源汽車更加環(huán)保,同時(shí)其使用成本也大大降低。對(duì)于能源的利用效率,傳統(tǒng)能源汽車僅為50%左右,而混合動(dòng)力汽車的能源利用率高達(dá)90%。傳統(tǒng)能源汽車的能源轉(zhuǎn)化率僅為16%,新能源汽車為30%,大大高于前者。對(duì)于環(huán)境保護(hù),新能源汽車相比于傳統(tǒng)汽車,尾氣污染減少近50%,而純電動(dòng)汽車更是達(dá)到了零尾氣污染的狀態(tài),擁有著極高的環(huán)保效能。在成本上,新能源汽車?yán)珉妱?dòng)汽車,電力成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的燃油,有著顯著的成本優(yōu)勢(shì)。

同時(shí),隨著各國(guó)政府加大對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的扶持力度,新能

源汽車也得到了極大的發(fā)展。我國(guó)是目前全球?qū)π履茉雌囇a(bǔ)貼力度最大的國(guó)家,對(duì)于消費(fèi)者來說,不僅降低了購(gòu)車成本,也增加了其購(gòu)買能力,促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與新能源汽車對(duì)接的其他行業(yè)如國(guó)家電網(wǎng),在城市多處建造了新能源汽車的充換電站,完善了基礎(chǔ)設(shè)施,方便了廣大消費(fèi)者使用新能源汽車。

1.3新能源汽車面臨的問題

電動(dòng)汽車在節(jié)約能源和降低污染方面都達(dá)到了普通汽車不能比擬的程度,但是對(duì)于這種新興的交通工具,其自身也面臨著一些問題亟待解決,然后才能更好地適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

就目前的研究來看,純電動(dòng)汽車的最大行駛里程在

300km左右,但這只是純粹的實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù),并沒有在現(xiàn)實(shí)的交通環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際測(cè)量和考察,所以到底能否達(dá)到這個(gè)數(shù)字還很難說。另外,很多城市尤其是北京、上海等一線大城市,交通繁忙,加之道路狀況較差,電動(dòng)汽車在行駛過程中會(huì)因?yàn)橹苿?dòng)等問題耗費(fèi)很多能量,導(dǎo)致行駛里程大大縮短,所以這個(gè)問題嚴(yán)重限制了電動(dòng)汽車在城市中的推廣應(yīng)用。因此,以環(huán)保理念為基準(zhǔn),進(jìn)行制動(dòng)能量回收與再生便成為增加續(xù)航里程的首要方案。

2面向新能源汽車的車輛控制制動(dòng)系統(tǒng)

在正常運(yùn)行中,制動(dòng)能量回收是純電動(dòng)汽車有別于傳統(tǒng)汽車的最大優(yōu)點(diǎn)。在制動(dòng)能量回收的過程中,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和熱能,電能儲(chǔ)存于儲(chǔ)能裝置中,此部分能量可以再次用于驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用:而熱能則直接散發(fā)到環(huán)境中,無法回收。制動(dòng)能量回收可以增加車輛的續(xù)航里程,提高能源的利用率。

本文所述底盤控制器即車輛控制制動(dòng)系統(tǒng),硬件上包含電子控制單元(ECU)與液壓控制單元(HCU)兩部分,針對(duì)新能源汽車的特點(diǎn),在傳統(tǒng)汽車控制器上進(jìn)行改進(jìn)與升級(jí)。ECU采用英飛凌TC233最新芯片技術(shù),升級(jí)了EPB(電子駐車制動(dòng)系統(tǒng))的控制電路:同時(shí)采用了更大的內(nèi)存容量,可支持內(nèi)存擴(kuò)展和軟件刷寫功能,提升了硬件的可靠性和耐久性:改進(jìn)了電磁閥的設(shè)計(jì),降低了閥體工作時(shí)的液壓波動(dòng),從而更好地改善了噪聲和舒適性:采用了更高耐久性能和更低工作噪聲控制的馬達(dá),且該馬達(dá)的電磁兼容性要求更高,能更好地滿足系統(tǒng)需求。同時(shí)該底盤控制器采用了符合全球規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的VDA30500-100EPB集成技術(shù),基于全球最高要求的AUTosAR軟件系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行軟件開發(fā),滿足全球最高等級(jí)的1s026262功能安全規(guī)范。

2.1硬件升級(jí)

(1)電子液壓控制單元(EHCU)硬件升級(jí):在原有EHCU基礎(chǔ)上,面向新能源汽車的特性與要求,對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)。ECU的MCU采用了英飛凌TC233最新芯片技術(shù),ECU設(shè)計(jì)升級(jí)了EPB的控制電路,同時(shí)采用了更大的內(nèi)存容量,可支持客戶端的內(nèi)存擴(kuò)展和軟件刷寫功能。如圖1所示,新的ECU集成了EPB的控制電路,左側(cè)的控制器接口從38針升級(jí)為46針。

(2)隔離閥(1s0Valve)設(shè)計(jì)優(yōu)化:在隔離閥內(nèi)加入了帶有唇型密封圈的單向閥,使得隔離閥工作時(shí)的泄漏量由12mL/min下降至0.2mL/min,從而提升了閥的防泄漏功能。新的隔離閥使用3/64英寸超小直徑的行程桿,并適當(dāng)增加了第一段氣隙,從而大幅降低了電磁閥工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲,在控制器工作過程中給駕駛員帶來更舒適的體驗(yàn),如圖2所示。

(3)柱塞活塞泵優(yōu)化設(shè)計(jì):使用高強(qiáng)度金屬的活塞推桿,使整個(gè)活塞泵的耐久性能大幅增加,由原來的連續(xù)工作45h增加至149h。新設(shè)計(jì)的x型密封圈,能保證活塞泵在長(zhǎng)時(shí)間工作的同時(shí)不會(huì)有制動(dòng)液外泄,如圖3所示。

(4)新增降低噪聲的組件一計(jì)量閥:采用特殊設(shè)計(jì)帶有流量槽的深拉伸閥座,使制動(dòng)液在通過計(jì)量閥時(shí),流量由小逐漸增大,平緩過渡,減少了控制器工作時(shí)的噪聲。

圖4為另一新增降低噪聲的組件一出油口制動(dòng)液柔順裝置:采用獨(dú)特的可壓縮的EPDM橡膠套管,在內(nèi)部制動(dòng)液壓力增大時(shí),會(huì)壓縮橡膠套管,使制動(dòng)液在排出模塊時(shí)始終保持平緩柔順的流速,給予駕駛員良好的駕車體驗(yàn)。

2.2算法升級(jí)

對(duì)于新能源汽車,制動(dòng)能量回收是一項(xiàng)重要任務(wù)。制動(dòng)能量回收的工作機(jī)制如圖5所示。

(1)ME-machinedragtorque:駕駛員松開油門踏板時(shí),考慮0.05g~0.1g的滑行電機(jī)回饋減速度(48V弱混項(xiàng)目可能要減少到0.03g,取決于客戶可接受程度)。

(2)駕駛員踩下制動(dòng)踏板。

(3)經(jīng)過空行程后,控制電機(jī)回饋扭矩提供額外增加的車輛減速度的25%~50%(空行程由制動(dòng)踏板開關(guān)、主缸壓力或行程傳感器來偵測(cè))。

(4)踩下制動(dòng)踏板后,電機(jī)與液壓制動(dòng)力矩協(xié)作以達(dá)成駕駛員所要的制動(dòng)力。

實(shí)用的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的功能算法應(yīng)滿足以下要求:

(1)滿足制動(dòng)的安全要求。剎車過程中,對(duì)安全的要求是第一位的。

(2)需要找到電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的最佳覆蓋區(qū)間,在確保安全的前提下,盡可能多地回收能量。

(3)具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的制動(dòng)過程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的制動(dòng)過程近似,符合駕駛員的制動(dòng)習(xí)慣與踏板回饋感,這將保證在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)有吸引力,可以為大眾所接受。

2.3軟件升級(jí)

為了使ECU軟件的設(shè)計(jì)具有高度靈活性,并能靈活地滿足底盤系統(tǒng)日趨復(fù)雜的功能集成要求,ECU軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)以汽車行業(yè)主流軟件架構(gòu)AUTosAR為基礎(chǔ),并遵循AUTosARICC3的實(shí)現(xiàn)要求。

AUTosAR作為汽車行業(yè)主流開發(fā)平臺(tái),為ECU軟件開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和集成方案(圖6),基于該方案AUTosAR定義了ECU軟件標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu),其中包括系統(tǒng)服務(wù)、通信服務(wù)、內(nèi)存服務(wù)、硬件抽象、MCAL等標(biāo)準(zhǔn)ECU基礎(chǔ)軟件,使得ECU的開發(fā)效率大大提高,并增加了ECU軟件集成的靈活性。目前,全球各大汽車制造商都已開始要求采用AUTosAR進(jìn)行汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)。

為了滿足ECU對(duì)不同應(yīng)用功能的靈活性要求,ECU軟件配置與集成主要包括預(yù)編譯軟件配置、后編譯軟件配置、功能標(biāo)定等過程。

2.3.1預(yù)編譯軟件配置

根據(jù)應(yīng)用的不同要求,ECU在集成時(shí),可以配置需要的軟件組件進(jìn)行編譯,以最大程度地優(yōu)化ECU的執(zhí)行效率和代碼空間。

2.3.2后編譯軟件配置

為了對(duì)ECU軟件的功能進(jìn)行優(yōu)化,以滿足不同車型或應(yīng)用的要求,ECU軟件可以在編譯后,通過修改軟件參數(shù)完成軟件的電氣接口配置、系統(tǒng)配置及功能配置,增大軟件集成和釋放的靈活性。

2.3.3功能標(biāo)定

最后,ECU軟件通過實(shí)車標(biāo)定過程,使ECU軟件在整車平臺(tái)的性能達(dá)到最優(yōu)化。

3制動(dòng)能量回收與再生功能設(shè)計(jì)

在控制器中為新能源汽車的能量回收與再生設(shè)計(jì)相應(yīng)功能,集成到電子控制單元ECU中,即能量回收控制(RegenBrakeControl,RBC)與拖滯力回收控制(RegenDragControl,RDC),在MATLAB/simulink中進(jìn)行建模。

3.1能量回收控制

該技術(shù)最關(guān)鍵的是需要找到電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的最佳覆蓋區(qū)間,在確保安全的前提下,盡可能多地回收能量,同時(shí)要保持制動(dòng)踏板回饋感的一致性。RBC包含RBCl和RBC2,RBCl主要用于告知VCU車子即將進(jìn)入主動(dòng)安全模式,需要VCU及時(shí)退出能量回收:RBC2主要用于在高附路面踩制動(dòng)踏板時(shí),指揮VCU做能量回收。simulink模型如圖7所示。

3.2拖滯力回收控制

該技術(shù)的關(guān)鍵是防止車輛抱死,失去控制。當(dāng)進(jìn)入低附,VCU在松開油門時(shí)做能量回收,隨著滑移率的上升,有可能會(huì)出現(xiàn)抱死,RDC主要用于在出現(xiàn)可能的抱死前提前介入,指揮VCU合理退出能量回收,以確保不會(huì)影響進(jìn)入主動(dòng)安全模式。simulink模型如圖8所示。

3.3制動(dòng)能量回收策略

針對(duì)新能源汽車能量回收,制定兩種可能的策略,即上述兩種功能:在高附路面RBC以及低附路面RDC。簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系如圖9所示。

RBC:通過指揮回饋力矩,讓回饋力矩在制動(dòng)踏板踩下時(shí),依據(jù)VCU所提供的最大可實(shí)行的回饋力矩、車子的減速度以及駕駛員使用制動(dòng)踏板的情況,優(yōu)化電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的最佳覆蓋區(qū)間,動(dòng)態(tài)指揮VCU調(diào)整或增加回饋力矩,以增加制動(dòng)能量回收率。RBC的指揮命令會(huì)動(dòng)態(tài)配合車子的車速與減速度來產(chǎn)生與駕駛者的意向相符且近似線性的綜合疊加總制動(dòng)力矩,以維持平順的制動(dòng)踏板回饋感。RBC的指揮命令也會(huì)讓回饋力矩做適時(shí)適量的調(diào)整或退出以確保車子在進(jìn)入ABS/EBD/ESC時(shí)其控制功能的表現(xiàn)不被影響,以維持車子的穩(wěn)定性。

RDC:當(dāng)進(jìn)入低附,VCU在松開油門時(shí)做能量回收,隨著滑移率的上升,有可能會(huì)出現(xiàn)抱死,RDC在出現(xiàn)可能的抱死前提前介入,指揮VCU合理退出能量回收以確保不會(huì)影響進(jìn)入主動(dòng)安全模式。RDC的指揮命令也會(huì)讓回饋力矩做適時(shí)適量的調(diào)整或退出以確保車子在低附路面時(shí)可能進(jìn)入ABS時(shí)其功能的表現(xiàn)與車子的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

本文介紹了新能源汽車及其發(fā)展性與時(shí)代性的特點(diǎn),針對(duì)新能源汽車的特點(diǎn)對(duì)已有的傳統(tǒng)汽車底盤控制器進(jìn)行改進(jìn),升級(jí)EHCU設(shè)計(jì)使之適應(yīng)新時(shí)代的汽車,并提升性能;設(shè)計(jì)研發(fā)RBC、RDC功能以更好地完成制動(dòng)能量回收與再生的目標(biāo)。不足之處在于暫缺大規(guī)模的實(shí)車測(cè)試,缺少實(shí)際對(duì)比數(shù)據(jù),仍需要進(jìn)一步研究。