（车辆工程专业论文）新能源汽车电液并行制动系统控制策略及匹配技术研究.pdf

摘要 摘要 当前，能源和环境问题成为世界各国关注的热点问题之一。我国也提出要 建设环境友好型，资源节约型社会。因此，无论从改善环境，节约资源方面， 汽车行业都有义不容辞的责任。新能源汽车的问世为解决这些问题带来了希望。 新能源汽车的优势之一是制动能量的回收，电液复合制动系统就是为融合 液压制动和再生制动而开发的。目前国外开发的电液复合制动系统存在系统结 构复杂，实现难度大，可靠性低等问题。为此，同济大学提出了一种面向可实 现再生制动的新能源汽车的电液并行制动系统。 本文围绕电液并行制动系统实现方案、制动力分配、制动能量回收效率、 控制器设计等方面进行了研究。最后基于x p c 硬件在环仿真环境对电液并行制 动系统进行台架匹配试验。测试的结果表明，并行再生控制算法完成了对制动 力的正确分配，能有效控制液压制动力，实际测到的液压制动曲线与理论分配 液压曲线吻合良好。 关键词：再生制动，电液并行制动系统，x p c 硬件在环试验 a b s t r a c t a b s t r a c t p r e s e n t ，e n e r g ya n de n v i r o n m e n th a v eb l ：w , o m eo n e o ft h eh o ts p o tp r o b l e mt h a t a l lt h ec o u n t r i e si nt h ew o r l dp a ya t t e n d o nt o o u rc o u n t r yh a sa l s od e c l a r e dt h a tw e w i l lb u i l dae n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y , r e s o u r c es a v i n gs o c i e t y t oi m p r o v e t h e e n v i r o n m e n ta n ds a v er e s o u r c e , t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yh a si n e s c a p a b l er e s p o n s i b i l i t y n e w e n e r g yv e h i c l eb r i n g sh o p e sf o rs o l v i n gt h e s ep r o b l e m e s b r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yi so n eo ft h ea d v a n t a g e so fn e we n e r g yv e h i c l e ，a n d e l e c t r o - h y d r a u l i cb r a k es y s t e m ( e h b ) i sd e v e l o p e dt oc o m b i n eh y d r a u l i c a n d r e g e n e r a t i v eb r a k i n g t h ep r e s e n te h bh a ss o m es h o r t c o m i n g sl i k ec o m p l i c a t e d s t r u c t u r e ，d i f f i c u l tt or e a l i z ea n d l o wr e l i a b i l i t y t os o l v et h e s ep r o b l e m s , ar e s e a r c h t e a mo ft o n g j iu n i v e r s i t yh a sd e v e l o p e dae l e c t r o h y d r a u l i cp a r a l l e lb r a k es y s t e mf o r n e we n e r g yv e h i c l e st h a tc o u l dr e c o v e rb r a k i n ge n e r g y t h i sp a p e rs t u d i e do ns t r u c t u r e ，b r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o n , b r a k ee n e r g yr e c o v e r y e f f i c i e n c ya n dc o n t r o l l e rf o rt h ee l e c t r o h y d r a u l i cp a r a l l e lb r a k es y s t e m f i n a l l y , w e t e s t e dt h es y s t e mb a s e d0 1 1x p ch a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h et e s t r e s u l ts h o w st h a tt h ep a r a l l e lc o n t r o la l g o r i t h mc a nd i s t r i b u t et h eb r a k ef o r c ec o r r e c t l y a n dc o n t r o lt h eh y d r a u l i cb r a kf o r c ee f f i c i e n t l y , t h er e a lh y d r a u l i cb r a k ef o r c ec o u l d w e l lm a t c ht a r g e t k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v eb r a k e , e l e c t r o - h y d r a u l i cp a r a l l e l b r a k e s y s t e m ，x p c h a r d w a r e - i n - l o o pt e s t 2 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 第l 章绪论 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 2 l 世纪不知不觉已经快走完第一个十年。在经历了最初几年经济飞速发展 的繁荣期后，从2 0 0 8 年下半年开始，全球经济突然陷入一场影响面广泛的金融 和经济危机之中。由美国次贷危机引发的金融风暴不久便对实体经济造成巨大 冲击，全球汽车行业损失惨重，美国汽车业三巨头甚至濒临破产。虽然日本及 欧洲汽车行业也受到冲击，但并没有像美国汽车业三巨头那样朝不保夕。对此， 人们进行了许多反思，这其中有一种观点就将矛头指向美国汽车制造商向来偏 爱生产大排量、高耗能的汽车，而过去几年油价飞涨，使许多消费者转而购买 其他生产商制造的节能环保车，这就是三巨头会有如此大亏损的主要原因之一。 为此，美国国会专门拨出2 5 0 亿美元，用于支持美国汽车制造商开发绿色环保 汽车。 2 1 世纪汽车业的竞争就是环保技术的竞争。在今天，人类已经意识到，环 境和资源问题将成为可持续发展面临的最大挑战。汽车作为人们不可或缺的交 通工具，既消耗石油资源，又排放污染物。所以要应对上述挑战，汽车业有着 义不容辞的责任。对汽车业自身来说，减少对石油资源的过度依赖以及降低汽 车的污染排放对于本身稳定发展也具有十分重要的意义。 解决交通能源消耗和环境污染的有效途径就是发展清洁的、具有多元化结 构的、可再生的能源为动力的新能源汽车。所谓新能源汽车，即使用新型清洁 型能源作为动力，来代替通常使用的高污染类可燃油质。按照燃料的来源划分， 新能源汽车可分为五类： 一是基于天然气和石油伴生品的燃气汽车； 二是基于石化燃料化工的替代燃料汽车，如煤制油等； 三是生物燃料汽车，包括燃料乙醇和生物柴油汽车； 四是基于传统石油燃料的节能环保汽车，如混合动力汽车； 五是燃料电池汽车和纯电动汽车。 第1 章绪论 这五类新能源汽车中，前三类针对内燃机的燃料种类做了根本革新；后两 类将蓄电池和电动机作为新的动力源和驱动机构加入到汽车的动力系统，这推 动了诸多新技术的发展，如动力蓄电池管理技术、混合动力匹配控制技术、车 用电机控制技术、电液复合制动技术等。这些新技术的发展大大提高了汽车各 方面的性能，推动了新能源车辆的普及和发展。由于本文研究的内容为制动系 统，所以以下所提及的新能源汽车是指可实现再生制动的车辆，包括混合动力 汽车、燃料电池以及纯电动汽车。 在汽车走向新能源时代的背景下，传统制动系统已经难以适应了。新能源 汽车在行驶时利用蓄电池的电能驱动电机来推动汽车，而制动时可通过电机的 再生制动功能将汽车行驶的动能转化为电能储存起来，消耗相同的能量可以行 驶更多的距离。新能源汽车改变了传统汽车制动时依赖单一液压制动力，而是 采用两套制动系统复合制动的方式。能量的回馈是新能源汽车的主要优势之一。 此外，传统制动系统采用真空助力器助力，真空助力器的真空来源于发动 机的汽缸吸气的时候产生的真空度。而部分新能源汽车不再使用内燃机作为动 力源，无法实现真空助力，导致制动强度不够。 因此传统的制动系统无法满足上述要求，只能通过新型系统的研究来解决 线控制动( b r a k eb yw ir e ) 就使在这一背景下诞生的，它不但能实现基础制动， 还可保证车辆制动的稳定性，此外还能配合制动能量的回收，因而是未来制动 系统发展的方向。 1 2 线控制动系统研究现状 线控制动系统( 简称b b w ) 目前分为两种形式，一种是机械电子制动系统 e m b ( e l e c t r o - m e c h n i c a lb r a k es y s t e m ) ，另一种是电子液压制动系统阴b ( e l e c t r o - h y d a r u l i cb r a k es y s t e m ) 。其中e m b 由于完全断开了驾驶员与车轮 制动器的连接，可靠性低，目前仍停留在试验研究方面，没有在量产车型上应 用。e h b 在实现车轮制动液压线控的同时保留了一定的驾驶员与制动系统的机 械连接，可靠性较高，目前复合制动系统的研发大部分基于这类线控系统。然 而这种系统结构复杂，成本高，技术难度大 i 2 1 电子机械制动系统( e m b ) 2 第1 章绪论 e m b 以电能作为能量来源，由电机驱动制动钳块，整个系统内没有液压管路， 因此机械连接很少。系统由电线传递能量，数据线传递信号。e m b 与常规的液压 制动系统截然不同，它的供能、执行和控制机构全部需要重新设计，特别是执 行机构由电机驱动，要实现将转动转化为平动、减速增矩等功能，是e m b 中机 械零件集中的部分。 e m b 是一种全新的制动理念，它简洁的结构，高效的性能极大的提高了汽车 的制动安全性。从2 0 世纪9 0 年代起，一些著名的汽车电子零部件厂商陆续开 始了与e m b 相关的研究，从发表的专利来看，现在b o s c h 、s i e m e n s ，c o n t i n e n t a l t e v e s 公司已经取得了部分研究成果，但仍然只是处于研制试验阶段，并无批量 装车产品进入市场，只有部分研究人员做过一些系统仿真、装车试验等工作， 申请的专利也比较零散。 i e m b 的工作原理及特点 e m b 典型结构如图1 1 所示：当驾驶员踩下制动踏板，踏板位移传感器将制 动意图发送到中心控制模块。由它根据踏板位移，车速等车辆及驾驶员信号控 制安装在四个车轮上的电机运动，再通过机械结构将电机输出力转化为推动制 动钳的力，从而实现汽车制动。 图1 1e m b 的典型结构 其优点主要在于： ( 1 ) 机械连接少，没有制动管路，结构简洁，体积小。 ( 2 ) 载荷传递平稳、柔和，制动性能稳定。 3 第1 章绪论 ( 3 ) 采用机械和电气连接，信号传递迅速，反应灵敏，“路感”好。 ( 4 ) 传动效率高，节省能源。 ( 5 ) 电子智能控制功能强大，可以通过修改e c u 中的软件，配置相关的参数 来改进制动性能，易于实现a b s ，t c s ，e s p 等功能。 ( 6 ) 模块式结构更加整体化，装配简单，维修方便。 ( 7 ) 利于环保，没有液压制动管路和制动液，不存在液压油泄漏的问题，e m b 系统没有不可回收的部件，对环境几乎没有污染。 2 e m b 系统的应用前景 电子机械制动系统有着传统液压制动系统无法比拟的诸多优势，在未来最 终取代液压制动系统已经成为汽车业界的一个共识。电机控制技术和电子技术 的快速发展，尤其是大功率电子器件的小型化和大容量化以及集成电路技术的 应用，使得e m b 系统的技术平台更加先进，可靠性和经济性不断提高。4 2 伏电 源技术的不断进步和应用，能够进一步提高e m b 系统力矩电机的功率，增大了 其可靠性和应用范围。 3 发展e m b 系统需要解决的难题 ( 1 ) 力矩电机的设计。在制动时，当制动垫块和制动盘接触后，e m b 中的力 矩电机将工作在“憋死 这样的恶劣工作条件下。e 舳不仅要求电机性能优越， 反应迅速，可以提供足够大的力矩，而且必须结构紧凑，体积小巧，能够安装 在狭小的制动空间内，还需要在冷、热、泥水、振动、电磁干扰等恶劣环境下 能够可靠工作。 ( 2 ) 制动执行机构的设计。执行机构中的机械零件较多，结构复杂，如何有 效的传递扭矩，增大扭矩，并且保证体积小巧是一个难题。 ( 3 ) 成本的降低有效降低e m b 中的力矩电机，4 2 伏电源，诸多传感器、m c u 、 集成电路等器件的成本将会更快推动e m b 的发展和应用。 ( 4 ) 驱动能源问题。由于电机提供推动制动块所需的推力，根据大陆公司的 开发要求，要满足最恶劣的工况，需要在2 0 0 m s 内达到高达3 0 k n 的峰值力。考 虑总的效率，电机必须短时间内发出直至5 0 0 瓦的功率。目前车辆的电源系统 无法提供如此大的能量，需采用高质量的4 2 v 电源。 ( 5 ) 控制系统失效问题。由于采用了大量的电子控制，必须考虑电控失效后， 系统仍然能实现基本制动功能。 4 第1 章绪论 ( 6 ) 电制动控制系统的软件和硬件如何实现模块化，以适应不同种类车的需 要以及如何实现底盘模块化，是一个重要难题。只有将制动、转向、悬架、导 航等系统综合考虑进来，从算法上模块化，建立数据总线系统，才能以最低成 本获得最好的控制系统。 如果上述问题得以解决会给车辆制动系统带来巨大变革，可为将来的车辆 智能控制提供条件。 1 2 2 电液制动系统( e h b ) 在中小型车辆的传统制动系统中，驾驶员通过制动主缸在轮缸建立制动压 力，而电液制动系统( e h b ) 则是通过蓄能器提供制动压力。蓄能器压力由柱塞泵 产生，可提供多次连续制动的压力。电液制动系统的控制模块由传感器、e c u ( 电 子控制单元) 及执行器( 液压控制单元) 等构成。制动踏板与制动器间无直接动力 传递。制动时，制动力由e c u 和执行器控制，踏板行程传感器将信息传给e c u ，e c u 汇集轮速传感器、转向传感器等各路信号，根据车辆行驶状态计算出每个车轮的 最大制动力，并发出指令给执行器来执行各车轮的制动。高压蓄能器能快速而 精确的提供轮缸所需的制动压力。同时，控制系统也可接受其它电子辅助系统 ( 例如a b s 、e s p 等) 的传感器信号，从而保证最佳的减速度和行驶稳定性。 e 船的优点在于： ( 1 ) 具有e s p ，a b s ，e b d ，t c s 等系统的功能。 ( 2 ) 压力由蓄压器提供，反应速度快，制动距离更短。 ( 3 ) 由于制动踏板与液压管路隔开，制动时驾驶员感觉不到踏板抖动。这种 优点在a b s 工作时更为明显。 与e m b 不同，e h b 不需要车轮制动器附近的额外空间，也不会增加额外的重 量。为降低能耗，经过良好设计的1 2 v 电源能充分满足要求。由于e h b 没有像e m b 那样彻底去除液压系统，实现难度相对较小，因此e h b 是实现b b w 的第一步。 相应的，e h b 领域的研究相对较成熟。1 9 9 4 年，a n a l o g y 公司用s a b e r 仿真模拟 的方法，开发出了一套电控液压制动系统的控制系统。1 9 9 6 年，b o s c h 公司开 发出一套全新的e h b 系统，该系统装在了试验车型上，得到了满意的制动效果。 t r w ，d e l p h i ，c o n t i n e n t a lt e v e s 等公司继而也开发出了类似的e h b 系统，并 于2 0 0 0 - 2 0 0 2 年前后发表了一系列的专利。 5 第l 章绪论 在2 0 0 1 年的法兰克福车展上，b o s c h 公司展出了为b e n z 公司开发的配备在 第5 代双门跑车s l 5 0 0 上的感应制动控制s b c ( s e n s o t r o n lcb r a k ec o n t r 0 1 ) 的e h b 。此后，b o s c h 和d a i m l e r c h r y s l e r 公司联合研究用于商业的e t i b 系统 并于2 0 0 2 年将其装配在m e r c e d e se 级车上，力求使其成为该车型的标准配置。 2 0 0 2 年，福特汽车公司的f o c u sf c v 制动系统采用了德国大陆公司开发的e h b 系统。c o n t i n e n t a lt e v e s 也在2 0 0 3 年开始了其e h b 的计划，并试装在大众公 司( v o k s w a g a n ) 的某些g o l f 概念车型上。目前e h b 系统在市场上的使用并不普 遍。丰附公司开发的e h b 系统，应用在其混合动力车p r i u s 上。由于丰田e h b 系统具有典型的代表意义，并且经过了大量用户的检验，因此本文将着重研究 丰田e h b 系统的结构、原理及控制策略。 1 3 丰田电液制动系统研究 由于e h b 实现难度相对较小，一些著名的国外厂商都进行了相关的研究 它们的主要方案都大同小异。图1 2 为各公司电液制动系统的相关专利。 克菜斯勒 德尔福lueas 图12 世界菁幸；厂商的电液复台制动系缆结构目 第1 章绪论 这些系统主要实现的功能有液压制动强度控制；a b s 、e s p 等主动安全功能 以及制动备份。众所周知，丰田混合动力车普锐斯对汽车发展具有里程碑式的 意义，由于其在燃油经济性获得了良好的效果，混合动力成为世界各国研究的 热点。为配合新的动力系统，其制动系统也采用了e h b ，所以选择丰田电液制动 系统作为研究对象，分析其优缺点以及对我们开发新系统具有借鉴意义。 1 3 1 丰田电液制动系统的组成及工作原理 1 系统的组成 丰田电液制动系统组成结构如图1 3 所示。系统由输入单元( i n p u tu n i t ) 、 液压源( h y d r a u l i cp r e s s u r es o u r c e ) 以及液压控制单元( h y d r a u l i cp r e s s u r e c o n t r o lu n i t ) 三部分组成。 i n p u tu r d t 图1 3 丰田混合动力汽车制动系统的组成 ( 1 ) 输入单元( i n p u tu n i t ) 输入单元的作用是接收驾驶员的制动意图主要元件包括制动踏板，踏板 7 第1 章绪论 位移传感器，踏板位移模拟器。一旦驾驶员踩下制动踏板，踏板位移传感器的 输出电压将发生变化，控制器检测到驾驶员制动需求并进入制动状态。 在丰田电液制动系统中，制动能量不是由驾驶员提供的。从图1 3 中可以 看到，驾驶员的踏板力直接作用于主缸。踩踏板后，制动液与制动轮缸的连接 被开关阀s m c i 和s m c 2 切断，制动压力不由驾驶员提供。实际上，制动液将流 入一个踏板行程模拟器( 图1 4 ) 。踏板行程模拟器的作用是为驾驶员提供与传 统车辆类似的感觉。踏板行程传感器包含两种类型的螺旋弹簧和橡胶块，能模 拟真实的踩踏制动踏板的感觉。当驾驶员松开踏板后，阀体中的回位弹簧将踏 板回复原位。 由于制动踏板不直接与制动回路连接，因此制动管路中任何波动都不会作 用到驾驶员的脚上。这可以极大改善制动时的舒适性，降低驾驶员紧张感。特 别在a b s 工作时，轮缸的压力总是在调节，驾驶员可以明显感觉踏板抖动。如 果驾驶员因紧张而放松踏板，会导致制动力不够，可能会造成事故。 图1 4 踏板行程模拟器 ( 2 ) 液压源( h y d r a u li cp r e s s u r es o u r c e ) 液压源包括电机、泵、蓄压器、压力传感器以及溢流阀。正常工作时电机 驱动泵将储油箱中的制动液充入蓄压器。蓄压器中的高压制动液就储存起来可 随时流向轮缸实施制动。此处，溢流阀作为安全阀使用。压力传感器有两个作 用，一是提供压力反馈，可用来控制蓄压器压力；二是可提供系统诊断信息， 当压力不正常时，可记录相应的故障码，表明液压源出现故障。 采用高压制动液源作为制动动力具有传统汽车无可比拟的优点主要表现 在：传统汽车从驾驶员踩下制动踏板到压力开始上升到目标值有一定时间，而 s 第1 章绪论 高压油源可以直接施加较大的制动强度。制动速度的加快无疑增加了乘员的安 全性，如图1 5 。 口r 一嗣l i 唧e 图1 5c o n t i n e n t a lt e v e s 公司e h b 制动压力建立的反应时间曲线 不过增加蓄压器还需考虑其失效时保护液压管路。国外有文献d 1 专门讨论 了蓄压器漏气问题。如果有蓄压器内的氮气泄漏至液压回路，将影响制动性能。 因此需要在蓄压器至轮缸的管路中加上一个密闭活塞来阻止氮气进入轮缸，如 图1 6 。 图1 6 蓄压器回路与制动回路的隔离 ( 3 ) 液压控制单元( h y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o lu n i t ) 整个液压控制单元包括4 个增压阀，4 个卸压阀，2 个隔离阀以及4 个液压 传感器。 2 系统工作原理 ( 1 ) 电液制动系统的普通制动过程 所谓普通制动过程即电控系统工作完好，如图1 3 所示，黑粗线表示管路 接通。当驾驶员踩下制动踏板后，制动踏板传感器检测到制动信号。开关阀s m c i 9 第1 章绪论 与s m c 2 切断了主缸到轮缸的管路，主缸压力油无法达到轮缸。制动的能量来源 于蓄压器。蓄压器到轮缸的四个增压电磁阀s l a 打开，高压制动液流入轮缸从 而实现制动。压力过高时，进油阀s l a 切断，卸油阀s l r 打开，过高压力油流 回油箱。这样通过进油，卸荷及保压就能精确地控制轮缸的压力，即液压制动 强度。另外，前、后轴两轮缸之间的管路被阀s c l 和s c 2 切断，这样实现了独 立控制每个轮缸压力的目的。这也就是系统能实现e s p 功能的原因。 控制策略如图1 7 ：驾驶员的制动需求根据在主缸中的压力和制动踏板行程 传感器的信号计算而得。混合动力电控单元根据车辆速度和能量接受能力计算 可执行的再生制动力。接着混合动力电控单元将可执行的前后轮再生制动力传 递给制动控制单元。然后制动电控单元将总制动力需求与实际能执行电机再生 制动力进行比较，计算出必要的液压制动力，也就是每个车轮的目标轮缸压力。 制动电控单元启动液压阀来控制各轮缸压力。 ，- e g bi ，椭m - 一一一一- - 一一- 一一一，呐l d - m 髓稍 图1 7 丰田电液电液制动系统控制策略框图 根据丰田公司的试验结果，前后轴电机再生制动与液压制动力混合控制如 图1 8 所述。左图显示了前轴制动力，右图显示后轴制动力。可以看到，液压 制动能比较精确地跟随目标液压制动力。电机再生制动与液压制动之和接近于 驾驶员的目标总制动力。分析两图可以发现：在制动开始阶段，前轴电机再生 制动力很小，全部的制动力几乎都由液压制动力完成。而后轴则优先使用了电 1 0 第l 章绪论 机再生制动，只在再生制动力无法满足要求时再增加液压制动。因此丰田的电 液制动系统主要依靠后轴电机制动力来回收能量。 图1 8 丰田电液电液制动系统制动控制效果 ( 2 ) 系统备份措施及失效工况 在丰田制动系统中，由于有多个液压传感器，它们可以互相判断工作是否 正常。例如检测驾驶员的制动意图包括三个传感器：两个主缸压力传感器( p m c l 和p m c 2 ) 和一个制动踏板传感器( p s s ) ( 见图1 9 ) 。 h y 炯u i 融i w u s s u r qf l y d r a u l 钿= b o o 霸再产m - 铂r 删贸 图1 9 系统失效时的工作示意图 第l 章绪论 由于有了这种传感器布置，不正常的传感器信号可以被识别出来，那么驾 驶员的制动力就能无误地检测到。相反的，传感器也能明确地检测到驾驶员没 有踩下制动踏板，这样避免产生不必要的制动力。在其他部分也有类似的例子， 其目的都是为了系统的可靠。 失效备份是指遇到各种电控系统失效的情况，都要保证足够的制动力。当 混合动力控制单元与制动控制单元协同工作性能或驱动电机系统发生任何故障 时，再生制动会停止工作。阀s m c l 和s m c 2 关闭，打开将左右制动管路分开的 阀s c i 和s c 2 ，这样就组成了普通的双回路液压制动系统。制动力直接由驾驶员 的踏板力决定，由于没有真空助力作用，可能无法获得足够的制动力。 1 3 2 丰田电液制动系统的优缺点 丰田电液制动系统是一套功能非常全面系统。首先，从研发的目的来看， 主要是为了两点，一是制动不再受真空源影响；第二是实现液压和电机的复合 制动。从研发的方法来看，新系统是在a b s 的基础上进行的改进。现代a b s 的 技术已经非常完善，为其提供了良好的基础。丰田电液制动系统系统的优点是 显而易见的。它不仅完美地融合了再生制动和液压制动，而且兼容了各种主动 安全功能，体现了制动系统的先进科技。 由于丰田的电液制动系统融合了普通制动和a b s 等主动安全制动功能，其 结构特别复杂，各种元器件数量众多，由于系统较为复杂，出现故障的概率会 增大。这些故障包括：液压传感器信号不正常；线控系统电线没有连接、短路； 电磁阀失灵；液压泵或马达工作不正常引起的蓄压器高压下降等等。一旦出现 故障系统将转入失效模式，可能得不到足够的制动力，同时给客户带来不便。 i 4 本文的主要工作和章节安排 本章介绍了制动系统的最新发展，特别针对丰田混合动力汽车的电液制动 系统进行了详细分析。这些系统虽然可以实现卓越的功能，然而系统结构复杂， 成本高、故障率高，并且目前要开发类似的系统还不具备扎实的基础，可以先 研究一种结构相对简单的电液制动系统，不追求兼容多种功能，但保证安全可 靠并且行之有效。为此同济大学课题组提出了一种新型电液并行制动系统。 1 2 第1 章绪论 本文主要研究内容包括电液并行制动系统的结构、原理；再生制动和液压 制动力分配策略；制动控制器的硬件和软件设计；系统的硬件在环台架试验。 本文的章节安排为： 第二章将介绍课题组提出的电液并行制动系统的总体设计方案。首先建立 系统模型，在此基础上进行仿真和试验的方法研究，最终确定制动系统的方案。 第三章将研究再生制动和液压制动的分配策略。分配策略将兼顾法规要求 和制动回收效率。最后将确定的分配策略在混合动力分析软件中验证其回收能 量的效率。 第四章从新制动系统对电控单元功能需求分析入手，在选定主控芯片的前 提下，设计电控单元e c u ，设计信号处理及驱动电路原理图，在考虑电磁兼容性 的基础上，展开p c b 板结构设计。在设计完硬件的基础上，研究整个电液复合 制动系统功能实现的基础一执行机构的控制方法，并设计相应的试验来确定控 制方法的有效性和可靠性。 第五章将以上几章的内容综合起来，通过硬件在环台架试验对电液复合制 动控制策略进行匹配，完成较好融合再生制动和液压制动目标。 在以上的研究内容的基础上，本文最后将对全文工作进行概括和总结，并 对今后的工作提出展望。 1 3 第2 章电液并行制动系统结构及原理 第2 章电液并行制动系统结构及原理 2 1 普通并行制动系统结构及其原理 并行制动系统并不是一个新的概念，目前已有一些相应的研究阮1 0 1 。普通并 行制动系统对传统液压制动系统没有作任何改动。只是在驱动轴上增加了电机 再生制动力。图2 1 为一辆前轴可实现再生制动的车辆。普通并行制动系统的 优点是结构简单，在汽车制动时可以回收制动能量。不过由于它没有对原系统 进行改动，因此也存在不少缺点。主要有以下两点：第一在安全性上，由于汽 车一般为前轮驱动，因此在前轴上附加了再生制动力后改变了原车的前后轮制 动力分配比，使前轮更容易抱死；第二，普通并行制动系统会使驾驶员得不到 恒定的制动感受。例如，在制动踏板踩到某一位置时，由于前轴附加了再生制 动力，因此驾驶员会感到制动强度变大。并且由于电机再生制动力受到很多限 制因素的影响，实际可执行的再生制动力会不断变化，因此在同一踏板位移下， 驾驶员得到的制动强度也会不断变化，这就使驾驶员难以适应。 图2 1 普通并行制动系统 2 2 电液并行制动系统结构及其原理 1 4 第2 章电液并行制动系统结构及原理 2 2 1 电液并行制动系统需要实现的功能及评价标准 本文研究的电液并行制动系统的主要目的是使液压制动能配合电机再生制 动力，实现两者的融合，不牵涉其他制动功能。 对电液并行制动系统的评判标准是： ( 1 ) 系统对驾驶员制动感受改变要小。本文制动感受是指驾驶员踩同样的制 动踏板位移获得与传统汽车相同的制动减速度。由于新能源汽车有两套系统能 够实现制动作用，分别是电机再生制动和液压机械制动。由于这两套系统经常 是同时工作的，因此它们的良好匹配是保证驾驶员制动感受改变小的关键。 ( 2 ) 系统可回收尽可能多的制动能量。 ( 3 ) 系统必须具备高可靠性。众所周知，制动系统是保障车载人员安全的关 键系统之一，第一章所分析的国外电液制动系统在系统备份、诊断方面都进行 了专门的设计。对于电液并行制动系统同样不能降低原有系统的可靠性。 2 2 2 电液并行制动系统方案 图2 2 为同济大学课题组提出的电液并行制动系统的结构。与普通的并行 制动系统相比，电液并行制动系统增加了液压控制模块，该模块包括制动控制 器b e c u ( e l e c t r i cc o n t r o lu n i to fb r a k es y s t e m ) 和执行机构。 图2 2 电液并行制动系统结构 2 1 1 节提到新制动系统的要求之一是驾驶员踩同样的制动踏板位移获得 1 5 第2 章电液并行制动系统结构及原理 传统汽车相同的制动减速度。当制动踏板在某一位置时，由于电机已经完成了 部分再生制动，因此液压制动力需要下降。为限制和降低管路压力，可以在制 动管路并联比例溢流阀作为执行机构，限制液压制动力的强度。为了系统具有 高可靠性，即在电控系统失效时不影响正常的制动功能，本文采用了反比例溢 流阀，该阀是一种常闭阀，在比例溢流阀不上电时，制动系统与传统制动系统 完全一样，一旦检测到电控单元出现故障，只需断电便可使系统自动恢复成传 统制动系统，因而系统可靠性很高。 系统的工作原理为：b e c u 通过检测踏板位移解释出理想的汽车制动减速度， 根据车速、蓄电池荷电状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 等信息确定电机再生制动 力与液压制动力之间的分配比例，由b e c u 负责控制溢流阀实现相应的液压制动 力，而电制动力由新能源汽车的驱动电机实现。 本文电液并行制动系统区别于目前电液复合制动系统需增加蓄压器，线控 制动踏板与制动系统无机械连接的方式。而是仍采用原车液压制动系统，对制 动系统的改动较小，因而实施难度不大。 同时电液并行制动系统也与普通并行制动系统有所区别，主要的优势在于 可实现液压制动力的控制，实现电机制动和液压制动的融合。例如，电液并行 制动系统在电机再生制动可完全满足驾驶员制动力需求时，系统可以将液压制 动力控制为零，实现能量最大化回收，而这是普通并行制动系统难以做到的。 2 3 液压控制模块结构方案 在制动管路中并联反比例溢流阀，制动时对管路进行溢流，势必会对传统 制动系统产生影响。在制动过程中两条液压回路必须保持压力基本平衡，否则 汽车制动时会产生附加横摆力矩，影响行车安全，所以执行机构工作时必须仍 能保证制动回路问的压力平衡。因此本节就液压控制模块提出两种方案( 图 2 3 ) 。一种是采用双阀结构( 图2 3 a ) ，通过控制两个溢流阀来保持两条液压回 路中压力的平衡。考虑到传统制动系统制动主缸的结构能自动平衡两个压力腔 的压力，因此另一种方案是单阀溢流方式( 图2 3 b ) ，仅控制一条液压回路中的 压力，另一条回路中的压力是通过制动主缸结构自动实现平衡。如果能采用单 阀溢流的方式，将降低制动系统的成本，便于整车布置。本节将着重研究单阀 溢流与双阀溢流对制动系统的影响，最终确定液压控制模块的方案。 1 6 第2 章电液并行制动系统结构及原理 力暑 扳位移 感器 图2 3 液压控制模块方案 2 3 1 电液并行制动系统模型建立 本节针对电液并行制动系统主要的组件在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立数 学模型。这些组件包括制动踏板、制动主缸、制动轮缸、制动管路和比例溢流阀， 真空助力器仅起到放大驾驶员踏板力的作用，对分析单阀和双阀结构的影响不 大，故不对其进行建模。 1 制动踏板 制动踏板的杠杆作用将驾驶员的踏板力放大后作用于主缸第一腔活塞。 气= 瓦舸f ( 2 1 ) 式中瓦一输入主缸第一腔活塞的力；瓦栅一驾驶员踏板力；f 一制动踏板 杠杆比。 2 制动主缸 制动主缸内部结构见图2 4 ，其运动过程为：驾驶员踏板力经杠杆作用放大 后作用到第一活塞上，随着活塞的运动，在封闭的第一制动腔内建立起压力。在 这个压力以及第一、二活塞之间的弹簧力的共同作用下，第二活塞运动并在第二 压力腔建立压力。 1 7 第2 章电液并行制动系统结构及原理 图2 4 传统汽车制动系统的制动主缸结构 主要部件包括：3 一第一活塞：7 一第一制动腔；l 卜第二活塞；l l 一第二 制动腔；1 4 、1 6 排液孔；4 、9 供液孔；6 、1 0 一补偿孔 活塞受力如图2 5 所示。从主缸结构可以看到，当两活塞相对位移达到一 定值之后，第一活塞与第二活塞顶死，两活塞将变为刚性连接。当第二活塞位 移达到最大时与主缸缸壁顶死，仿真模型中考虑了这两种情况。 鲨- 图2 5 制动主缸活塞受力图 主缸第一活塞的受力方程为： 吒一c 冀一曰k 一。= ，鸭者 ( 2 2 ) 主缸第二活塞受力方程为： 1 8 第2 章电液并行制动系统结构及原理 耳缸洲时+ k i = 鸭+ g 是+ 乙2 + 罡如。妍+ ( 2 3 ) 式中k 。为第一、二活塞间弹簧力、k ：为第二活塞弹簧回位力。 e 。： 毛( 五一吃) 薯一恐o 0 1 5 ( 2 4 ) ，l 2 1 毛( 玉一而) + 如( 西一而一o 0 1 5 )五一屯 o 0 1 5 心锄 k ：= 髓+ 缸瓴删5 )叫x 2 0 0 1 0 1 至 ( 2 5 ) 式中c 粘性系数；曰、昱一主缸第一、二压力腔的压强；、如训叫 一主缸第一、二活塞面积；毛一主缸第一、二活塞间弹簧的刚度；岛一主缸第 一、二活塞顶死后的接触刚度；铂、一主缸第一、二活塞质量；x i 、毛一主 缸第一、二活塞位移；岛一第二活塞回位弹簧刚度；一主缸第二活塞与缸体 顶死后的接触刚度；一第二活塞回位弹簧预压缩力。 将主缸两个压力腔看成两个封闭容腔，其中第一压力腔的压力变化率为： 雹= 声芒轰差篱各 眨国 式中霹一第一压力腔变化率；一制动液的体积模量；一第一压力 腔初始容积：q c 一第一压力腔流入轮缸的制动液流量。 第二压力腔压力方程类似。 3 制动轮缸和制动管路 制动轮缸结构比较简单，轮缸的活塞受到液压力，弹簧力和粘性摩擦力。 轮缸活塞在接触制动盘前有一段间隙，故接触刚度同样分为两段。在设置参 数时，前轮轮缸的面积要大于后轮轮缸。轮缸受力图如图2 6 。 1 9 第2 章电液并行制动系统结构及原理 圈2 6 制动轮缸活塞受力图 制动轮缸活塞力方程为： 尸4 一厶一c ? 毫一，乙朋耐，= m 。茸 ( 2 7 ) k ，= 麓+ 乞纯叫乏三： 像8 ， 式中p 一制动轮缸压力；石一轮缸活塞的静摩擦力；岛、七二轮缸活塞未 接触接触摩擦盘时等效刚度；一轮缸活塞质量；毛一轮缸活塞位移；4 一 轮缸活塞面积：。 轮缸容腔的压力变化率为： 定= 糍 ( 2 9 ) 式中意一轮缸容腔压力变化率；圪一轮缸容腔初始容积 制动管路只考虑它的容腔，一条管路的容积为： = 舸2 l ( 2 1 0 ) 式中，一管路半径；管路长度。 4 常闭直动式反比例溢流阀 常闭直动式反比例溢流阀( 图2 7 ) 在不通电时预压弹簧将阀芯顶在阀座上， 上电后产生的电磁力与弹簧力相抵消，一旦液压力和电磁力合力超过弹簧力时， 阀芯打开溢流。因此当直动式常闭反比例溢流阀不上电时，溢流压力由弹簧预 压缩力决定，：而阀线圈通以最大电流时，电磁力与弹簧与压缩力完全抵消，溢 第2 章电液并行制动系统结构及原理 流压力最小。 图2 7 常闭直动式反比例溢流阀结构 由于不通电时溢流阀可靠关闭，即使系统出现故障，只需断电，系统又返 回到传统制动系统，仍能保证正常的制动功能。 本节只讨论溢流阀工作时的两个压力腔的压力变化，所以模型按普通直动 式溢流阀建立，仅考虑弹簧力与液压力之间的关系，不涉及到电磁阀。 溢流阀阀芯的受力方程为： 一瓦张一c 一咖= ( 2 1 1 ) 式中厶一主缸前、后腔压强( 即墨或昱) ；溢流阀阀芯面积；e 帅 一溢流阀弹簧预压力：一阀芯位移：k 一溢流阀弹簧刚度：一溢流 阀阀芯质量。 阀口处流量方程： q 咖= q 叱 ( 2 1 2 ) 式中q 一流量系数；q 加一溢流阀阀芯直径；p 一制动液密度；卸一阀 口进口与出口的压差，这里出口压力为大气压，进口压力即主缸压力腔压力。 2 3 2 电液并行制动系统离线仿真与台架试验 2 1 l 一第活寒l i 。第- 二活塞i 7 一玄= ：二= 一- - 一h ! ，1 2 窖j t1 0 第腔 第二腔f i _ - _ _ - _ _ _ 7 | 2 ： l 1 矿 矿第一 一 、1 |1| 时间( 8 ) c a ) 活寒项 0 2 二羔仁：二活塞i l ：一一 。：，矿 1 2 4 5 第一腔 l 七 l 沙 篡齄 i j b 一j f _ o 2j ：4 5 。xt d ii 第二 培：t 乏彳 弋 1 川 时闫( 8 ) ( b ) ( 1 ) 由于第一压力腔稳态溢流，第一活塞位移葺不断增长，第一活塞与第二 活塞之间的弹簧力毛( 五一而) 继续增大，弹簧力进一步推动第二活塞压缩第二制 雾竺二h 誓竺篓三竺譬垄查于溢流的第一腔压力。而图2 8 ( b ) 显示当两个溢流 阀在尊同的溢流压力下溢流时，两个压力腔的压强能保持二i 。一1 j p 川m 纠 俺竺詈。冀三) ? ，主缸第一腔压力在4 1 s 左右出现突降。原因是此时 詈：鎏妻量篓三霎妾溉，第一压力腔压力不再上升，主谲妻言_ 需嚣 兰耋窦耋有时问芋拳：。要以仍有少量制动液溢出，所以第二羞舅釜莴盖；篓； 一定突降。2 8 ( b ) 类似的现象原因相同。 ”川石h 动功划糊锄鼢划蹴浦 ，员一弧缌蝴嘛稍鳓晰 珈削猢躺别他 纳信涸k韶山铷拟剩输澡喽 托，一结果基溉滇潞 ：m另赢删龇鼢黼 参溢溢溢型的腔瞄触鼬靴嘴 第2 章电液并行制动系统结构及原理 2 台架试验 台架由桑塔纳2 0 0 0 制动系统，液压及位移传感器以及收集数据的电路板组 成。为与模型仿真的条件一致，试验中未开启真空助力器的助力功能。试验结 果如图2 9 所示。 3 潍 趟 确 ! i g 增 斗h 单阀溢流 i 一蕾一注它腑硅i j 厂 1 1 o 1 2315l x o 第一活 r l 一第麟压强i i 一第- 二臌眶强i 门 吓i o o o o 双阀溢流 顶死 x1 0 6 r 一 460 第一活象顶死 ( a ) ( b ) 图2 9 单阀与双阀试验结果对比图 从图2 9 中看，台架所采用的制动系统在制动主缸两压力腔在未溢流前即 存在0 2 m p a 左右的压差。在单阀溢流开始后，两个腔压差始终存在且不断增大， 压差最大达到0 5 m p a ，超过了国标规定的前后制动腔压力差不得大于0 3 m p a 的 规定。 通过仿真和试验得出结论：为了保证两制动腔压力的一致性，单阀溢流难 以实现，需要采用双阀溢流的结构。同时由于两制动回路压力原本存在微小偏 差，如采用双阀溢流，通过两阀的不同控制可消除压差。故系统最终采用双阀 结构并且已经制造出样机，如