引言
在科學技術(shù)水平日益提高的今天,環(huán)境保護問題逐漸成為人們重視的對象,汽車產(chǎn)業(yè)中的環(huán)保問題便成為了當代學者討論的熱點,新能源汽車應運而生。無論是實際使用汽車的消費者,還是管理汽車產(chǎn)業(yè)的政府機構(gòu),都對新能源汽車的發(fā)展抱有很高的期待,因此針對新能源汽車的相關(guān)研究漸漸發(fā)展起來。本文以新能源汽車為出發(fā)點,設(shè)計研究其底盤制動控制系統(tǒng),意在保持正常制動功能的基礎(chǔ)上,對制動過程中的能量回收與再生提出更高的要求,設(shè)計更為先進的軟硬件以支持對制動能量的充分再利用。
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的焦點,人們也開始將關(guān)注點逐漸轉(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)境問題也日益嚴重,因此新能源汽車的出現(xiàn),恰好順應了發(fā)展的潮流。新能源汽車是不以汽油、柴油為動力的汽車,其有利于節(jié)能、環(huán)保和減排,極大地減少了對環(huán)境的破壞,并且可持續(xù)性較強。
1.1新能源汽車概述
新能源汽車主要有混合動力汽車(HEV)、純電動汽車(BEV)、燃料電池汽車(FCEV)、氫發(fā)動機汽車以及燃氣汽車等。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)達到了82萬輛以上,產(chǎn)業(yè)規(guī)模也上升到了200億美元,預計2020年全國新能源汽車產(chǎn)量將會達到2000萬輛以上。我國的新能源汽車進入了快速發(fā)展的時期,政府也對新能源汽車產(chǎn)業(yè)進行了大力扶持,部分城市開始實行購車補貼政策,逐漸進行新能源汽車的推廣試點,然后過渡到對新能源汽車的全面扶持階段。
1.2新能源汽車優(yōu)勢
新能源汽車最明顯的優(yōu)勢就是在使用過程中,相比于傳統(tǒng)能源汽車更加環(huán)保,同時其使用成本也大大降低。對于能源的利用效率,傳統(tǒng)能源汽車僅為50%左右,而混合動力汽車的能源利用率高達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。對于環(huán)境保護,新能源汽車相比于傳統(tǒng)汽車,尾氣污染減少近50%,而純電動汽車更是達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,新能源汽車例如電動汽車,電力成本遠遠低于傳統(tǒng)的燃油,有著顯著的成本優(yōu)勢。
同時,隨著各國政府加大對新能源產(chǎn)業(yè)的扶持力度,新能
源汽車也得到了極大的發(fā)展。我國是目前全球?qū)π履茉雌囇a貼力度最大的國家,對于消費者來說,不僅降低了購車成本,也增加了其購買能力,促進了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。與新能源汽車對接的其他行業(yè)如國家電網(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,方便了廣大消費者使用新能源汽車。
1.3新能源汽車面臨的問題
電動汽車在節(jié)約能源和降低污染方面都達到了普通汽車不能比擬的程度,但是對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當今社會激烈的市場競爭。
就目前的研究來看,純電動汽車的最大行駛里程在
300km左右,但這只是純粹的實驗性數(shù)據(jù),并沒有在現(xiàn)實的交通環(huán)境中進行實際測量和考察,所以到底能否達到這個數(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,電動汽車在行駛過程中會因為制動等問題耗費很多能量,導致行駛里程大大縮短,所以這個問題嚴重限制了電動汽車在城市中的推廣應用。因此,以環(huán)保理念為基準,進行制動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系統(tǒng)
在正常運行中,制動能量回收是純電動汽車有別于傳統(tǒng)汽車的最大優(yōu)點。在制動能量回收的過程中,機械能轉(zhuǎn)化為電能和熱能,電能儲存于儲能裝置中,此部分能量可以再次用于驅(qū)動車輛運行,實現(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,針對新能源汽車的特點,在傳統(tǒng)汽車控制器上進行改進與升級。ECU采用英飛凌TC233最新芯片技術(shù),升級了EPB(電子駐車制動系統(tǒng))的控制電路:同時采用了更大的內(nèi)存容量,可支持內(nèi)存擴展和軟件刷寫功能,提升了硬件的可靠性和耐久性:改進了電磁閥的設(shè)計,降低了閥體工作時的液壓波動,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,且該馬達的電磁兼容性要求更高,能更好地滿足系統(tǒng)需求。同時該底盤控制器采用了符合全球規(guī)范和標準的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)進行軟件開發(fā),滿足全球最高等級的1s026262功能安全規(guī)范。
2.1硬件升級
(1)電子液壓控制單元(EHCU)硬件升級:在原有EHCU基礎(chǔ)上,面向新能源汽車的特性與要求,對其進行設(shè)計與改進。ECU的MCU采用了英飛凌TC233最新芯片技術(shù),ECU設(shè)計升級了EPB的控制電路,同時采用了更大的內(nèi)存容量,可支持客戶端的內(nèi)存擴展和軟件刷寫功能。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針升級為46針。
(2)隔離閥(1s0Valve)設(shè)計優(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,并適當增加了第一段氣隙,從而大幅降低了電磁閥工作時產(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,如圖2所示。
(3)柱塞活塞泵優(yōu)化設(shè)計:使用高強度金屬的活塞推桿,使整個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)計的x型密封圈,能保證活塞泵在長時間工作的同時不會有制動液外泄,如圖3所示。
(4)新增降低噪聲的組件一計量閥:采用特殊設(shè)計帶有流量槽的深拉伸閥座,使制動液在通過計量閥時,流量由小逐漸增大,平緩過渡,減少了控制器工作時的噪聲。
圖4為另一新增降低噪聲的組件一出油口制動液柔順裝置:采用獨特的可壓縮的EPDM橡膠套管,在內(nèi)部制動液壓力增大時,會壓縮橡膠套管,使制動液在排出模塊時始終保持平緩柔順的流速,給予駕駛員良好的駕車體驗。
2.2算法升級
對于新能源汽車,制動能量回收是一項重要任務。制動能量回收的工作機制如圖5所示。
(1)ME-machinedragtorque:駕駛員松開油門踏板時,考慮0.05g~0.1g的滑行電機回饋減速度(48V弱混項目可能要減少到0.03g,取決于客戶可接受程度)。
(2)駕駛員踩下制動踏板。
(3)經(jīng)過空行程后,控制電機回饋扭矩提供額外增加的車輛減速度的25%~50%(空行程由制動踏板開關(guān)、主缸壓力或行程傳感器來偵測)。
(4)踩下制動踏板后,電機與液壓制動力矩協(xié)作以達成駕駛員所要的制動力。
實用的制動能量回收系統(tǒng)的功能算法應滿足以下要求:
(1)滿足制動的安全要求。剎車過程中,對安全的要求是第一位的。
(2)需要找到電機制動和機械制動的最佳覆蓋區(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)的電動汽車的制動過程應盡可能地與傳統(tǒng)的制動過程近似,符合駕駛員的制動習慣與踏板回饋感,這將保證在實際應用中系統(tǒng)有吸引力,可以為大眾所接受。
2.3軟件升級
為了使ECU軟件的設(shè)計具有高度靈活性,并能靈活地滿足底盤系統(tǒng)日趨復雜的功能集成要求,ECU軟件架構(gòu)設(shè)計以汽車行業(yè)主流軟件架構(gòu)AUTosAR為基礎(chǔ),并遵循AUTosARICC3的實現(xiàn)要求。
AUTosAR作為汽車行業(yè)主流開發(fā)平臺,為ECU軟件開發(fā)提供了標準的開發(fā)和集成方案(圖6),基于該方案AUTosAR定義了ECU軟件標準架構(gòu),其中包括系統(tǒng)服務、通信服務、內(nèi)存服務、硬件抽象、MCAL等標準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進行汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)。
為了滿足ECU對不同應用功能的靈活性要求,ECU軟件配置與集成主要包括預編譯軟件配置、后編譯軟件配置、功能標定等過程。
2.3.1預編譯軟件配置
根據(jù)應用的不同要求,ECU在集成時,可以配置需要的軟件組件進行編譯,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ECU軟件的功能進行優(yōu)化,以滿足不同車型或應用的要求,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功能標定
最后,ECU軟件通過實車標定過程,使ECU軟件在整車平臺的性能達到最優(yōu)化。
3制動能量回收與再生功能設(shè)計
在控制器中為新能源汽車的能量回收與再生設(shè)計相應功能,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制動和機械制動的最佳覆蓋區(qū)間,在確保安全的前提下,盡可能多地回收能量,同時要保持制動踏板回饋感的一致性。RBC包含RBCl和RBC2,RBCl主要用于告知VCU車子即將進入主動安全模式,需要VCU及時退出能量回收:RBC2主要用于在高附路面踩制動踏板時,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。當進入低附,VCU在松開油門時做能量回收,隨著滑移率的上升,有可能會出現(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,以確保不會影響進入主動安全模式。simulink模型如圖8所示。
3.3制動能量回收策略
針對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,讓回饋力矩在制動踏板踩下時,依據(jù)VCU所提供的最大可實行的回饋力矩、車子的減速度以及駕駛員使用制動踏板的情況,優(yōu)化電機制動和機械制動的最佳覆蓋區(qū)間,動態(tài)指揮VCU調(diào)整或增加回饋力矩,以增加制動能量回收率。RBC的指揮命令會動態(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力矩,以維持平順的制動踏板回饋感。RBC的指揮命令也會讓回饋力矩做適時適量的調(diào)整或退出以確保車子在進入ABS/EBD/ESC時其控制功能的表現(xiàn)不被影響,以維持車子的穩(wěn)定性。
RDC:當進入低附,VCU在松開油門時做能量回收,隨著滑移率的上升,有可能會出現(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影響進入主動安全模式。RDC的指揮命令也會讓回饋力矩做適時適量的調(diào)整或退出以確保車子在低附路面時可能進入ABS時其功能的表現(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)展性與時代性的特點,針對新能源汽車的特點對已有的傳統(tǒng)汽車底盤控制器進行改進,升級EHCU設(shè)計使之適應新時代的汽車,并提升性能;設(shè)計研發(fā)RBC、RDC功能以更好地完成制動能量回收與再生的目標。不足之處在于暫缺大規(guī)模的實車測試,缺少實際對比數(shù)據(jù),仍需要進一步研究。
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