混合动力汽车电控制动系统的开发
摘要
我们期望进一步减少废气排放物和改善燃料消耗，通过开发一种新的制动系统（称为线控制动系统），以控制两台电动机的摩擦制动力和再生制动力，前后轴各一台。在这个新的系统里，我们开发了下列新技术。
1、为了补偿前后轴电机再生制动力的变化，摩擦制动力通过调整轮缸液压控制。
2、每个轮缸的压力由线性电磁阀控制。所以轮缸的液压压力是被单独且平稳地控制的。
该制动系统还调控ABS，VSC，TRC等功能。通过控制两台电机的制动和驱动力矩，并且还协同控制摩擦制动力矩，车辆的稳定性得到了提升。通过使用这种新的制动系统，可以最大限度地利用再生制动，从而降低了废气而且在传统汽车同样制动踏板操作时改善了燃油消耗。该制动系统能独立且平稳地控制四个轮缸的液压，在适当修改软件后具有高度的功能增强潜力。所以，这种制动系统有望成为进一步改进车辆稳定性和便利性的核心技术。
引言
为应对日益增长的保护全球环境和节能的需求，混合动力汽车得到了积极地研究。
要求混合动力乘用车的制动系统最大限度地利用再生制动来进一步减少排放，改善燃油消耗，并且确保相当于普通乘用车的良好的车辆稳定性。为了满足这些要求，我们研发了一种配有两台电机的新型四驱混合动力乘用车，前后轴各一台电机，并且我们开发了一套名为“电控制动系统”的制动系统（以下简称“电控制动系统”为“ECB”）。ECB集成了制动控制功能，如前后轴电机的再生制动和液压制动，ABS（防抱死制动系统），VSC（车辆稳定性控制），TRC（牵引力控制）等之间的协同控制。ECB是一种电子线路控制轮缸液压的线控制动系统。本文将讨论混合动力汽车制动系统的要求，ECB的组成，其应用到车辆上的结果，故障安全性能以及对燃油消耗的影响。
混合动力汽车制动系统的要求
四驱混合动力系统-新开发的四驱混合动力系统配备有两台驱动电机，一台在前轴，一台在后轴（如图1）。这些前后轴上的电机在制动时用作发电机，在启动和运行车辆时，回收到电池的电能可以重复使用。由于上述原因，可以实现进一步减少废气排放和改善燃油消耗。由驾驶员制动踏板的操作产生的摩擦制动部分或者全部被替换成了再生制动。在这个系统中，再生制动器在加速踏板松开后也提供发动机制动带来的减速效果。
图1 混合动力系统和制动系统
制动力控制-如图2所示，制动力分为发动机制动对应的制动力和由操作制动踏板产生的行车制动的制动力。发动机制动力由汽车速度和加速踏板的操作决定。另一方面，行车制动通过以与普通车辆一样的方式操作制动踏板来启动。此时，再生制动力和摩擦制动力如此分配，以便在行车制动时以最高效率回收能量。
图2 制动力的分配
上述的具体示例如图3所示。再生制动力由电池功率（电池每小时的能量接受能力）决定。由于电池功率是一定的，根据物理特性，当汽车速度更高时，能产生的制动力变得更小。由于在制动的最初阶段车速高而且产生的制动力小，驾驶员要求的制动力不能单独由再生制动力满足。所以，在制动最初阶段摩擦制动力会频繁介入工作。然后再生制动力会随着车速下降而增大，而摩擦制动力相应减小。
图3 再生制动力的变化
图4 摩擦制动力的变化
当车辆停止时，不再产生再生制动力。因此，再生制动力会从一个特定的车速开始逐渐减小，而摩擦制动力逐渐增大，以确保驾满足驶员要求的制动力。为了提高此时再生制动的能量回收率，短时间内在摩擦制动力和再生制动力之间快速切换是很重要的。因此，有必要调节摩擦制动力使其保持较高的响应特性。
独立调节前后车轮的摩擦制动力也有必要，以便即使再生制动力发生改变，前后车轮之间的摩擦制动力的分配仍然能够保持不变。摩擦制动力调节的具体例子如图4所示。对于这种调节，有必要控制轮缸压力在正常操作行车制动时来分别为前后侧提供高的响应性能，如通过调节轮缸液压来控制摩擦制动力。
ABS，VSC和TRC功能的集成-混合动力乘用车制动系统不仅要求减少废气排放和改善燃油消耗，而且也要通过ABS，VSC，TRC等确保与普通汽车相同的车辆稳定性。
然而，为了实现上述基于传统制动系统的再生制动功能，必须增加液压调节阀来独立控制前后车轮轮缸压力，而且还要为这些阀门增加驱动电路。这些组件的应用会引起更大的尺寸，更高的成本和更重的系统重量之类的顾虑。在构建ECB时，更加合理地集成再生制动，ABS，VSC，TRC等很重要。
其他要求-ECB要求的项目如下。
- 由于混合动力汽车经常单独用电机驱动，要免受可能由发动机熄火导致的真空压力变化的影响。
- 能够合理控制轮缸压力而不产生烦人的噪声和震动，因为轮缸压力总是在制动操作中受到控制。
- 通过阻止由调节轮缸压力等而产生的制动踏板震动，能够提供与普通乘用车相当的制动踏板感觉。
ECB系统组成
ECB系统由以下项目组成，如图5所示，已满足上述要求。
- 输入单元用于检测由驾驶员提供的制动踏板力和在制动踏板操作过程中产生合适的感觉。
- 液压控制单元用于独立调节四个车轮的轮缸液压。
- 液压供应源作为摩擦制动力的能源。
图5 ECB的组成
通过将驾驶员操作的输入单元与轮缸液压的输出单元分开的线控系统能够在不影响制动踏板操作的情况下自由地控制轮缸液压。
而且，可以无视由于发动机熄火或制动踏板操作导致的真空压力变化，通过使用高压蓄能器作为制动能源产生轮缸液压。
此外，液压控制单元具有为每个轮缸平稳且独立调节压力的功能。所以，可以集成各种制动装置（如再生制动，ABS，VSC和TRC）所必需的轮缸的液压调节。
系统控制模式下的激活运动-在通过制动踏板行程传感器（图5中的PSS）和主缸压力传感器（图5中的PMC1和PMC2）检测到驾驶员制动意图时，主缸切断阀NO.1和NO.2（图5中的SMC1和SMC2）关闭。为了防止液压调节对制动踏板操作感觉的不利影响，主缸液压与每个轮缸切断。与此同时，主缸液压被引导至形成模拟器以产生踏板反作用力和行程。形成模拟器由两种类型的螺旋弹簧和橡胶单元组成，以在制动踏板操作中产生自然的感觉。
图6 行程模拟器
图7示出了施加到制动踏板的力和制动踏板行程的关系图，而图8示出了施加到制动踏板的力和减速度的关系图。可以获得等同于普通车辆的制动感觉。
图7 施加到制动踏板的力与踏板行程的关系
图8 施加到制动踏板的力与减速度的关系
轮缸压力由液压泵保持在高压下的蓄能器供应。 此外，左右分离阀（图5中的SC1和SC2）关闭以分离左右车轮，并且到每个车轮的液压路径独立形成。
液压控制单元由用于增压的线性电磁阀（图5中的SLA **）和用于减压的线性电磁阀（图5中的SLR **）组成，用来平稳地调节每个车轮的液压。通过调节电流来控制阀SLA **和SLR的行程速率，然后调节制动液流量以平稳平稳地控制轮缸液压。轮缸液压调节同样不仅用于行车制动器，而且还用于通过线性电磁阀控制ABS，VSC和TRC。
应用到车辆上的效果
图9示出了控制系统的结构。制动电控单元集成了制动控制功能，比如，行车制动（再生制动），ABS，VSC，TRC。
图9 ECB控制结构
行车制动操作-行车制动系统由再生制动器和摩擦制动器（液压制动器）组成。再生摩擦混合控制是通过控制电机的混合动力ECU和控制摩擦制动器的制动ECU之间的协同操作来完成的。
如图9所示，驾驶员所需的制动力可以通过制动ECU根据主缸中产生的液压值和制动踏板行程的值来计算。然后根据理想制动力分配计算前后轮之间的制动力分配，并将该制动力作为前轮再生制动力的要求值和后轮的要求值传递给混合动力ECU。（由于失效保护，上限被设定为每个前后轮的再生制动力的所需值。）混合制动ECU根据车辆速度和能量接收能力计算可执行的再生制动力，并且还计算前轮和后轮的各个再生制动力的执行值。在这种混合动力车辆中，后轮的能量回收率高于前部，因此后轮的再生制动比前轴的要多得多。并且，混合动力ECU将前后轮各自的制动力的执行值发送给制动ECU。然后制动ECU将计算出的再生制动力的要求值与实际执行的值进行比较。它还计算必要的摩擦制动力，即各个车轮的轮缸液压的目标值。制动ECU启动线性电磁阀以分别控制每个车轮的液压。由于系统的这些功能，确保了从前后电机产生的再生制动力与摩擦制动力之间的混合控制。
再生摩擦混合控制性能-通过前后电机执行摩擦制动和再生制动混合控制的制动力示例如下所示。图10显示了前部; 图11显示了后部。为了补偿前后电机的再生制动力的变化，摩擦制动力被精确地控制。这样驾驶员所需的制动力就可以精确地执行。而且，由这些图可知，由于后轮的能量回收率比前轮高，因此再生制动力在高速时分配在后轮的比前轮多得多。
图10 制动力（前部）
图11 制动力（后部）
ABS，VSC和TRC操作-通过制动ECU和混合动力ECU之间的协调控制来控制ABS，VSC和TRC。如图9所示，制动ECU根据传感器发出的轮速，加速度，偏航率和转向信号来检测车辆行驶状况。然后制动ECU启动线性电磁阀来控制每个车轮的液压，并执行ABS，VSC和TRC的控制。
同时，它为前后马达分别确定最佳驱动电机输出扭矩，并将该值传输给混合动力ECU。混合动力ECU执行发动机和电机驱动力的控制。通过前/后马达的制动力和驱动力的协同控制以及摩擦制动力，能够抑制侧滑，转向性能的恶化，驱动轮打滑等。所以车辆的稳定性进一步提高了。
ABS性能-在制动停车距离和车辆行为中，ABS的性能与普通车辆的ABS性能相当。由于在制动踏板和轮缸彼此分离的状态下控制ABS，所以不会发生在传统ABS中发现的制动踏板的振动。由于线性电磁阀用于调节轮缸液压，所以阀启动噪声也有降低。
车辆稳定性能-通过控制前后电机的制动和驱动转矩以及协同控制摩擦制动转矩来改善车辆稳定性的实例如下所述。
如果在启动或加速车辆时检测到前轮打滑，则通过减小前轮驱动力并启动后轴驱动电机来确保适当的启动/加速性能。然而，当在转弯操作期间启动或加速车辆时，由于这种后驱动力的产生，转向性能可能下降。作为解决这种问题的对策，ECB根据车辆转弯的程度执行TRC和后轴电机产生的驱动力的最佳控制。因此，防止了转向性能的恶化，同时确保了适当的车辆启动性能。
故障安全性能
在构造故障安全性能时，基于“确保摩擦制动器的足够制动力”的概念，采取了以下措施来防止各种系统故障。由于是通过电子方式控制轮缸液压的线控制动系统，因此，（1）精确检测驾驶员提供的制动力，（2）应对控制系统的电气故障和液压系统故障的措施非常重要。
检测驾驶员提供的制动力-检测驾驶员提供的制动力的系统由三个传感器——两个主缸液压传感器（PMC1和PMC2）和一个踏板行程传感器（PSS）（图12）组成。由于这种传感器构成，可以识别异常的传感器信号，并且可以确保检测驾驶员提供的制动力。相反，传感器能够正确判断驾驶员没有参与制动踏板操作，因此防止了意外制动力的产生。
图12 液压回路图（系统非控制模式）
针对液压系统和控制系统的电气故障的措施-在混合动力ECU和制动ECU或驱动电机系统之间的通信发生任何异常时，再生制动停止，但制动控制功能单独使用摩擦制动器继续产生驾驶员所需的制动力。根据混合动力ECU和制动ECU之间的通信来检测与再生制动相关的故障。
在检测到来自液压传感器的异常信号，电路系统的断路，短路，制动ECU的异常等的电气故障或线性电磁阀的失效等液压系统的故障时，在由于泵或电机故障引起的液压源压力下降中，制动控制功能停止，并且切断阀SMC1/SMC2和分离阀SC1和SC2打开，以形成普通的双回路液压制动系统。然后，液压助力器中产生的液压被引入四个车轮的轮缸中以确保足够的制动力。
改善燃油消耗
我们通过执行日本10-15模式燃油效率测试来验证该系统的燃油消耗效果。 在日本模拟街道行驶条件的10-15模式试验中，车辆速度相对较低，发动机制动相较于制动器制动力比例较大。如图13所示，我们可以验证使用该制动系统改善燃油消耗的效果。
图13 由于再生制动在燃油消耗方面的提升程度
总结
通过线性电磁阀为四个车轮中的每一个独立平稳地控制轮缸液压的新技术已经研发出来了。因此开发了名为ECB的线控制动系统，该制动系统能够正确反映驾驶者的制动情况和产生制动过程中的自然感觉。
通过将这种新型制动系统安装在混合动力乘用车中，再生制动的能量回收率得以实现最大化，同时实现了减少废气排放量和改善燃料消耗。
此外，通过控制前后电机的制动和驱动转矩，以及协同控制ABS，VSC和TRC功能，车辆稳定性得到了改善。
这种能够独立且平稳地控制四个轮缸的液压的制动系统，通过适当修改软件很有潜力可以增加功能增强。因此，这种制动系统有望成为进一步提高车辆稳定性和便利性的核心技术。
参考文献
1. Masamoto Ando, N.Enomoto: Advanced Braking System for Electric Vehicles, EVS13. 全文共5763字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13665]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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