新能源电动汽车回收系统(DOC)

现代汽车电子技术现代汽车电子技术 题目 电动助力转向系统 摘要摘要 本文从全球环境污染和能源短缺等严峻问题阐述了发展电动汽 车的重要性和必要性 着重分析概括了电动汽车制动能量回收系统 的研究现状 关键字关键字 电动汽车 制动能量回收系统 1 引言引言 目前 普通燃油汽车在国内外仍占据绝大部分汽车市场 汽车 发动机燃烧燃料产生动力的同时排放出大量尾气 其成分主要有二 氧化碳 CO2 一氧化碳 CO 氮氧化合物 NOX 和碳氢化合物 HC 还有一些铅尘和烟尘等固体细微颗粒物 虽然现代汽车技术 已经使汽车尾气排放降到很低 但由于汽车保有量持续高速增加 汽车排放的尾气还是会对人类的生存环境造成很严重的影响 例如 近年来不断加剧的温室效应 光化学烟雾 城市雾霾等大气污染现 象 内燃机汽车消耗的能源主要来自石油 石油属于不可再生资源 目前全球已探明的石油总量为 12000 7 亿桶 按现在的开采速度将 只够开采 40 6 年左右 即使会不断发现新的油田 但总会有消耗的 一天 全球交通领域的石油消耗占石油总消耗的 57 由于汽车的 保有量持续快速增长 主要来自发展中国家 到 2020 年预计这一 比例将达到 62 以上 2010 年我国的石油对外依存度已达到 53 8 到 2030 年预计这一比例将达到 80 以上 可见石油资源的 短缺将会直接影响我国的能源安全 经济安全和国家安全 不利于 我国长期可持续的发展 因此探索石油以外的汽车动力能源是 21 世 纪迫切需要解决的问题 电动汽车具有无污染 已启动 低噪声 易操纵等优点 相关 的技术研究已趋成熟 是公认的未来汽车的主流 自 1997 年 10 底 丰田推出混合动力车型 Prius 以来 电动汽车越来越受市场的欢迎 近年来不少国内外汽车生厂商已向市场推出不少种类的电动汽车 在混合动力汽车领域 日本的丰田和本田不管从技术研发还是在市 场销售 宣传等方面已经走在世界的前列 推出了诸如 Pius Insight Fit Civic 等量产化混合动力车型 其他国外汽车制造 商在本田和丰田之后也相继推出相应的车型 例如宝马 3 系 5 系 7 系 8 系都推出了相应的混合动力车型 大众途锐的混合动力版 特斯拉推出的 MODEL S 纯电动车 国内汽车生产商比亚迪在电动汽 车领域已经走在前列 相继推出包含 秦 在内的许多种混合动力 车型 制动能量回收系统是现代电动汽车和混合动力车重要技术之一 也是其一个重要特点 其工作原理如图 1 所示 在一般的内燃机汽 车上 当车辆减速 制动时 车辆的运动能量通过制动系统而转变 为热能 并向大气中释放 而在电动汽车与混合动力车上 这种被 浪费掉的部分运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储 存于蓄电池等储能装置中 有效地利用了车辆制动时的动能 可以 显著的改善车辆的燃油经济性及车辆的制动性 提高能量的利用效 率 增加电动汽车的行驶里程 图 1 制动能量回收原理 2 电动汽车制动能量回收系统研究现状电动汽车制动能量回收系统研究现状 2 1 制动能量回收系统的组成与分类制动能量回收系统的组成与分类 2 1 1 制动能量回收系统的组成制动能量回收系统的组成 由于电动机产生的再生制动力矩通常达不到传动燃油车中的制 动系统产生的制动性能 所以在电动汽车中 制动能量回收系统包 括液压制动和再生制动两个子系统 同时涉及到整车控制器 变速 器 差速器和车轮等相关部件 如图 2 所示 电制动系统包含驱动 电机及其控制器 动力电池和电池管理系统电机控制器用于控制驱 动电机工作于发电状态 施加回馈制动力 电池管理系统控制电能回收 于电池 液压控制系统包括液压制动执行机构和制动控制器 BCU 用 于控制摩擦制动力的建立与调节 图 2 制动能量回收系统的组成 2 1 2 制动能量回收系统的分类制动能量回收系统的分类 按回馈制动力与摩擦制动力的耦合关系 制动能量回收系统可分 为叠加式 或并联式 和协调式 或串联式 两种 如图 3 所示 图 3 叠加式与协调式制动能量回收系统 叠加式制动能量回收系统是将电机回馈制动力直接叠加在原有 摩擦制动力之上 不调节原有摩擦制动力 实施方便 但回馈效率低 制 动感觉差 协调式制动能量回收系统则是优先使用回馈制动力 对液 压制动力进行相应调节 使两种制动力之和与总制动需求协调一致 回 馈效率较高 制动感觉较好 但须对传统液压制动系统进行改造 实施 较为复杂 早期的电驱动车辆大多采用叠加式回馈制动 随着技术 的发展 在回馈效率 制动感觉和制动安全等诸多方面具有巨大优势 的协调式回馈制动逐渐成为了研发的主流 对于叠加式回馈制动 液压制动力无须调节 传统液压制动系统即 可实现 而对于协调式回馈制动 则应对液压系统进行重新设计或改 造 按照其液压调节机构所依托的技术平台 协调式制动能量回收系 统又可分为以下 3 类 1 基于 EHB 技术 电子液压制动系统 的制动能量回收系统 此类方案采用传统车辆 EHB 电控液压制动系统作为协调式回馈制动 的执行机构 2 基于 ESP ESC 技术的制动能量回收系统 此类方案基于 ESP ESC 技术平台 利用标准化零部件 对制动管路布置进行相应改 造 3 基于新型主缸 助力技术的制动能量回收系统 此类方案根 据协调式回馈制动的技术要求对制动主缸和助力系统进行重新的设 计与开发 装备协调式能量回收系统的车辆制动时 在保证制动安全的条 件下优先采用电机回馈制动力 当回馈制动力不能满足制动需求时 再施加液压制动力 在施加电机回馈制动力时要考虑电机的外特性 电池状态和制动稳定性等 因此在制动过程中电机回馈制动力总是 在变化的 这就要求能够准确快速地调节液压制动力以使得总制动 力与驾驶员需求相符 因此传统车的液压制动系统不满足制动能量 回收技术的要求 需要加以改造或重新设计新的液压制动系统 除 了需要设计能够灵活调节液压制动力的液压制动系统之外 还需设 计合适的控制策略 主要包括回馈制动力与液压制动力的分配以及 前后轮制动力的分配 控制策略必须充分考虑到制动稳定性 电池 充电能力 电机特性和驾驶感觉 目前制动能量回收技术的研究主 要集中在两个面 方案设计和控制策略 2 2 制动能量回收系统方案设计制动能量回收系统方案设计 电驱动车辆与传统内燃机车辆相同 都安装了各种各样的底盘 动力学控制系统 以保证车辆的正常行驶 一般包括驱动控制和制 动控制两大方面 在制动控制系统上 目前基本上所有的车辆都配 备了 ABS 防抱死制动系统 在各种恶劣工下该系统已经可以很大程 度上保证车辆制动时的可控性和稳定性 而在电驱动车辆的制动控 制中 由于引入电动机回馈制动 会对防抱死制动系统产生的不确 定的影响 需要对制动回馈系统和防抱死制动系统进行协调 常见 的协调式 串联式 制动回馈系统和防抱死制动系统从调节手段和 执行机构上来看 防抱死制动和串联回馈制动下的制动融合是相同 的 这就为实现这两个制动系统协调控制提供了便利 因此在使用协调式制动回馈系统的趋势下 为了充分保证制动 安全 简化执行机构 提高系统的集成程度 对制动能量回馈与防 抱死制动在硬件和软件上进行集成设计与控制具有现实意义 目前 国际上已经有不少知名的整车和零部件制造商都提出了自己的解决 方案 其中大多适用于乘用车的液压制动能量回收系统 按照其工 作原理大致可以分为两类 一类是基于原有的 ABS ESP 系统 在制 动管路上安装调节阀 蓄能器 电机和泵等来达到调节摩擦制动转 矩的目的 同时保证制动踏板感觉 第二类是对原有会制动系统的 主缸进行改造 在进入轮边调节阀之前完成踏板感觉和实际制动力 的解耦 以上两种方案中 为了保证制动感觉与传统的内燃机汽车 一致 普遍安装了踏板感觉模拟器 第一类方案的代表是日本的丰 田公司 他们推出的基于 EHB 方案设计的集成制动能量回收功能制 动防抱死系统 图 4 已经批量应用于 Prius 混合动力车上 在正 常制动情况下 主缸与制动器管路隔离 阻断了踏板和液压管路的 关联 系统中有专门的电机泵和低压蓄能器为轮缸提供制动压力 同时利用冲程模拟器模拟踏板的位移和反作用力 踏板位移传感器 和主缸压力传感器判断驾驶员的制动需求 在获知当前最大回馈制 动力后 总制动力被分配给摩擦制动和回馈制动 相应的控制信号 分别传递至轮边压力调节阀和电机控制器 其中 轮边压力调节阀 也作为防抱死制动时的调节机构 在防抱死控制循环中进行增压 保压 降压等操作 当系统失效时 主缸与制动管路接通同时关闭 冲程模拟器 主缸压力直接送达轮缸产生制动力 该方案的优点是 可以任意调节各轮缸压力 回馈策略的设计因此变得简单 能量回 收效率也较高 图 4 丰田制动压力调节系统原理图 Nissan 公司于 2008 年推出的能量回收系统则完全基于 ESP 系 统设计 在 ESP 的基础上没有增加任何部件 仅对制动管路做出了 改动 将两个开关阀与蓄能器和主缸相连 在制动能量回收中需要 调节摩擦制动力时 同样使用了开关阀隔断主缸和轮缸 消除轮缸 压力波动对主缸压力的影响 其次 位于蓄能器和主缸之间的开关 阀根据制动踏板位移传感器的信号进行适度地调节 从而真实模拟 主缸压力对踏板的影响 同时电机控制泵抽取制动液进入轮缸 随 后各轮缸根据需要分别进行调节 韩国 MANDO 公司于 2009 年推出的制动能量回收系统 同样也 是基于 ESP 设计的 在原有的 ESP 系统的基础上 增加了一套开 关阀机构 用来在摩擦制动力调节过程中隔断主缸和轮缸之间的联 系 从而保证制动感觉 同时通过原有 ESP 系统中的开关阀和电机 泵 将蓄能器中的制动液直接输送至轮缸的进油阀处 来增摩擦制 动力 同时也可以通过关闭进油阀和打开排油阀来保持和减小轮缸 制动压力 该系统同时具有进行 ABS 和 ESP 调节的功能 为了加 快进油速度 系统中在前后制动管路上各使用了两个泵 总结以上方案 各个厂家的做法大同小异 基本着眼于已有的 液压制动系统结构进行改造 优点是这些系统普遍具有同时进行制 动能量回收控制和底盘动力学控制的功能 对于单个车轮的控制也 较自由 不过也存在以下一些不足 丰田公司的方案基于 EHB 系统 目前 EHB 在国内外应用得还 不是很广泛 因此要以 EHB 为基础开发 系统成本太高且可靠性还 需要验证 目前丰田公司自身也正处于改进以达到降低成本的阶段 MANDO 公司的方案与前两者相比 ESP 本身的成本略有降低 可 靠性上也到了保证 不过在系统中增加大量的压力传感器 从成本 上来说也是很不利于进行大规模推广的 因此从这些角度看 如果 是利用原有的 ABS ESP EHB 系统进行制动能量回收系统的设计 应 尽量以成熟的 ABS 系统为基础 这样本身可靠且代价较小 同时也 要注意尽可能减少系统中的压力传感器等部件 降低成本 第二类方案普遍是对原有制动主缸进行改造 主要目的是将踏 板力和主缸压力完全解耦 这种方案中 需要对制动主缸进行重新 设计 因此在初期需要付出的代价和精力就很大 同时系统的可靠 性相比于前一种也存在更多的未知 本田公司于 2006 年推出了伺服制动能量回收系统 设计了一 种新型制动主缸替换传统的液压制动系统主缸 制动回馈调节阀安 装在制动主缸里 主缸到轮缸的制动管路与一般制动系统相同 轮 边的压力调节阀负责进行防抱死控制 制动主缸中的回馈调节阀除 了在制动回馈时调节制动管路的压力 还可将高压蓄能器的制动液 直接送达轮缸进行主动制动 该系统相对于传统的液压制动系统只 在局部进行改动 将原车的主缸替换为带回馈调节阀的主缸 同时 通过采用行程模拟器和伺服制动阀 将踏板制动力与制动管路压力 解藕 此系统是纯机械系统 可靠性相对较高 本田将该方案应用 在 Civic 和 Insight 混合动力车型上 大陆公司在 2008 年推出的电控真空助力液压制动系统 其结 构如图 5 所示 该系统也实现了踏板力与液压制动力之间的完全解 藕 踏板力完全由行程模拟器提供 从而保证了踏板感觉较好 该 系统中 图 5 大陆电动真空助理系统 在主缸和踏板之间增加了液压腔 该液压腔由额外的电控真空泵提 供动力 常规制动时 液体进入该腔 在制动主缸和踏板之间形成 一道阻隔 主缸的压力增长和减小由液压腔内的液体直接控制 同 时该部分液体能够对踏板相关部件产生反向的作用力 保证压力调 节过程中不影响踏板等的位置 液压腔同时留有部分保证踏板相关 部件和主缸部件在系统失效时仍能保持机械接触 从而恢复为常规 液压制动系统 失效保护方案较好 1 系统正常工作时踏板动作被推杆槽限制 即踏板行程是受 限的 踏板力完全由行程模拟器提供 2 踏板转角传感器可检测踏板转角 从而确定驾驶员制动需 求 3 通过真空调节阀调节助力器中的真空度 从而调节制动主 缸中的压力 4 计算出目标液压制动力后 通过真空调节阀 位移传感器 和真空度传感器闭环调节制动主缸中的压力 5 系统失效时 例如系统断电 行程模拟器失效或真空调节 阀等失效时 行程模拟器关闭 制动踏板运动至推杆最左端并继续 向左运动推动真空助力器推杆 从而推动制动主缸推杆 产生制动 压力 恢复为常规液压制动系统 由以上分析可以看出 在该系统中踏板力与液压制动力之间完 全解耦 踏板力完全由行程模拟器提供 从而保证了良好的踏板感 觉 系统失效时可恢复为常规液压制动系统 失效保护方案较好 其缺点是电动真空泵寿命一般并不高 另外该系统只能调节主缸制 动力 不能对前后轮液压制动力单独调节 因此在设计制动能量回 收控制策略时受到一定限制 目前该系统尚未应用在任何量产车型 上 另一种常见的在主缸内隔断踏板力和主缸压力的做法 是增加 额外的动力机构 起到踏板推杆的作用 而避免踏板推杆在摩擦制 动力调节过程中受压力波动的影响 Nissan Honda 和韩国的 Hyundai 公司都基于该思路开发出了各自的新型主缸 Nissan Hyundai 采用的均是与踏板同轴放置的电机 首先将电 机的输出经过一级增速机构 随后利用螺纹螺杆机构将转动转化为 直线移动 推动某种轴向运动机构 该轴向运动机构一般与主缸内 滑动键相接触 自身运动的同时也推动了滑动键的移动 从而平稳 控制主缸内的制动压力 与 Hyundai 的系统安装了踏板力模拟机构 不同的是 Nissan 的系统没有配备该机构 有可能会对制动中的舒 适性造成一定影响 Honda 与 2010 年提出的新的系统结构与前两 者略有不同 该系统在制动踏板相连的一级主缸后加入了一个次级 主缸 动力机构就是与该次级主缸相连 通过一个锥齿轮结构将电 机的转动转化成活塞的移动来推动次级主缸内的弹簧和滑块 进而 来控制压力并将其输出至其后的各制动轮缸对应的开关阀处 在调 节次级主缸内的压力时 通过一组开关阀阻断一级主缸和次级主缸 同时使用了蓄能器和开关阀的组合来模拟踏板制动感觉 这一点做 法与第一类中的相似 总结第二类方案中的几种系统 可以看到如果采用了新型主缸 一般无法回避不能独立调节前后轮缸压力的缺陷 Honda 的方案是 这样 Nissan 和 Hyundai 的方案同样如此 这样就导致在设计制动 能量回收控制算法时受到一定的限制 大陆的方案除了这一点缺憾 同时还存在电动真空泵性能和寿命要求高的问题 因此目前尚未应 用在任何量产车型上 Honda 于 2010 年提出的方案通过增加次级 主缸和开关阀解决了这一问题 可以做到前后轮独立调节 不过系 统的成本太高 结构上也略显繁杂 不利于在实车上的布置 第二 类方法最致命的一点是 需要重新对制动主缸进行设计 精密度要 求高 而国内的生产水平从目前来看还有不少差距 国外的其它公 司或科研院校在该领域也进行了一些研究 但成果较少 没有实现 现量产装车应用 2 3 制动能量回收系统的控制策略制动能量回收系统的控制策略 为了在满足制动性能要求下尽量多的回收车辆的动能 应该协 调控制液压制动和再生制动两个子系统 这样就会呈现两个基本问 题 首先是如何在再生制动和液压制动之间分配所需的总制动力 以尽可能多的回收车辆动能 二是如何在前后轮轴上分配总制动力 以实现稳定的制动状态 目前基本上有四中不同的制动控制策略 具有最佳制动感觉的串联制动策略 具有最佳能量回收率的串联制 动策略 并联制动策略和 ABS 防抱死制动策略 2 3 1 具有最佳制动感觉的串联制动策略具有最佳制动感觉的串联制动策略 具有最佳制动效果的串联制动系统通过控制器控制施加于前后 轮上的制动力 而使制动距离达到最小 且驾驶者的感觉良好 这 就要求施加在前后轮的制动力遵循理想的制动力分布曲线 I 当给出的制动踏板行程小于某值时 将仅有再生制动施加于前 轮 模拟了传统汽车中发动机延迟点火作用 制动踏板行程大于该 值时 施加于前后轮的制动力遵循理想的制动力分布曲线 I 如图 6 粗线所示 施加于前轮的制动力分为再牛制动力 Fbf reg和机械摩擦制 动力 Fbf mech两部分 当所需的制动力小于电机所能产生的最大制动 力 只采用电机再生制动 反之 电机将产生其最大的制动转矩 剩余的制动力由机械制动系统补足 由于电机不同于内燃机的外特 性 电动机产生的最大再生制动力与其转速密切相关 在低转速 低 于基速 的状态下 其最大转矩为常量 在高转速 高于基速 状态下 最大转矩随着转速呈双曲线形下降 因此 在给定制动踏板位置时 机械制动转矩将随车速而变化 图 6 对应于最佳制动效果的前后轮制动力 2 3 2 具有最佳能量回收率的穿啦制动策略具有最佳能量回收率的穿啦制动策略 具有最佳能量回收的串联制动是在满足对应于给定的制动踏板 行程指令的总制动力情况下 尽可能多地回收制动能量 当车辆制 动强度 z 小于路面附着系数 制动时 只要满足前后轮制动力之和 等于总制动力 则施加在前后轮上的制动力可在一定范围内变化 变化范围如图 7 粗线 AB 所示 此时应优先采用再生制动 若 Fbf reg max在这一范围内 图中点 C 则施加在前轮上的制动力应仅由 再生制动得到无须机械制动 满足总制动力需求 后轮制动力按点 E 得出 若 Fbf reg max小于点 A 所对应的数值 则控制电动机产生其 最大的再生制动力 前后轮的制动力应控制在点 F 的状态 以优化 驾驶者的感觉 并减小制动距离 此时 前轮必须产生机械摩擦制动 力 后轮上产生点 H 的制动力 当制动强度比路面附着系数小很多 时 且再生制动力能满足总制动力需要时 可只应用再生制动 无 须在前后轮上施加机械制动 当制动强度等于路面附着系数时 前 后轮上制动力工作点在曲线 I 上 在高附着系数的路面上 工作点 F 应用最大的再生制动力 剩余部分由机械制动供给 在较低附着系 数的路面上 工作点 K 单独应用再生制动力 产生前轮制动力 图 7 对应于最佳能量回收的前后轮制动力 2 3 3 并联制动策略并联制动策略 该制动系统具有一个对前后轮以固定的制动比率分配的传统机 械制动装置 再生制动添加了施加在前轮上的附加制动力 结果形 成以总制动力分布曲线 施加在前后轮轴上的机械制动力正比于主 汽缸中的液压 由电动机产生的再生制动力是主缸中液压函数 因 此为车辆减速度函数 由于有效再生制动力是电动机转速的函数 且因在低转速条件下 几乎没有被回收的动能 当所需的负加速度 小于给定的负加速度设定值时 再生制动有效 当给出的负加速度 率制动指令小于某设定值时 将只应用再生制动 此时模拟了传统 车辆中发动机的延迟点火 2 3 4 ABS 防抱死制动策略防抱死制动策略 ABS 防抱死制动策略在混合动力再生制动能量回收中具有较大 的优势 尤其是在四个车轮上都安装有电动机的车辆 它效仿了传 统的制动系统的控制感受 当接受到制动信号后 总制动器单元将 牵引电动机的特性和控制法则 给出前后轮的制动转矩 再生制动 转矩和机械制动转矩 电动机控制器将指令电动机产生恰当的制动 转矩 而机械制动控制器则向电动装置给出指令 以对每个车轮产 生恰当的制动转矩 该电动机制动装置同时被防抱死制动系统控制 以防止车轮完全被抱死 3 电动汽车制动能量回收影响因素分析电动汽车制动能量回收影响因素分析 暂不考虑再生制动能量回收系统控制策略对制动能量回收的影 响 从电动汽车再生制动系统能量流动图可以看出 制动能量由车 轮流至蓄电池 所流经的每一个零部件都会对能量造成损失 考虑 到机械传动效率很高且稳定 因此影响制动能量回收的主要因素有 三个部分 电机的工作特性 蓄电池的工作状态和液压制动系统的 布置形式 另外 相关研究表明在合适的制动力范围内 再生制动 力所占的比例越大 制动能量回收率越高 双轴电机驱动比单轴电 驱动能够有更好的制动能量回收表现 图 8 再生制动系统能量流动 4 总结与展望总结与展望 在世界环保节能意识高涨和能源问题突出的 21 世纪 随着国内 外相关政策的放松 电动车关键技术和基础设施的不断完善 电动 汽车将是 后汽油机时代的次生代新能源汽车的主流 制动能量回 收系统作为电动汽车的重要关键技术之一 不仅能够大幅提高整车 的经济性 增加其续航历程 同时也会对汽车的制动安全性 制动 舒适性产生重要影响 未来制动能量回收系统将向下面两个方向发 展 1 再生制动系统如何完美的嵌入到汽车整车系统中