混合動力汽車高原制動真空度影響因素研究

簡英杰 徐赟 邱笑寅 李楠

（上海汽車集團股份有限公司）

混合動力汽車高原制動真空度影響因素研究

簡英杰 徐赟 邱笑寅 李楠

（上海汽車集團股份有限公司）

對某插電式混合動力汽車制動真空度的影響因素進行了闡述，結合混合動力汽車動力輸出工況進行了負壓制動助力的策略調整，根據電子真空泵的工作特性制定了高原工作方案，并針對典型工況進行了整車試驗研究。結果表明，針對影響因素進行策略調整后，該混合動力汽車高原真空度水平有效改善并能滿足高原制動的性能要求。

1 前言

與傳統內燃機車型相比，混合動力汽車及純電動汽車犧牲了部分真空源，或無法提供來自發動機進氣歧管側的真空度。為了適應高原環境的特殊要求，混合動力汽車需配備電子真空泵、機械真空泵等裝置來提供制動真空度。目前，我國研究機構及企業主要是針對真空泵的選型、設計計算、試驗方法等方面進行研究，旨在優化制動系統，更好地匹配于各類車輛；而國外研究機構則是偏重真空系統仿真、負壓制動助力器改型等，目的是與各大整車廠商進行系統配套，設計更安全、可靠、體積更小的制動真空泵。

本文從負壓制動助力及電子真空泵的工作特性出發，通過整車制動性能試驗，分析了車輛冷起動、怠速行駛、混動串聯動力模式等因素對制動真空度的影響程度。

2 負壓制動助力及電子真空泵特性

2.1 負壓制動助力

負壓制動即利用發動機進氣管中負壓能量提供制動助力，這部分負壓能量主要來源于發動機進氣沖程節氣門后端產生的真空度。根據發動機工作狀態的不同，真空度（進氣管側真空度）的變化范圍約為50～90 kPa。當駕駛員實施制動時，助力器將負壓能量與制動踏板力結合形成實際需求的制動力，并將此制動力一直放大到接近車輪抱死的程度。根據施加的制動踏板力的不同，放大的控制力約為6 000～10 000 kPa。

2.2 電子真空泵工作特性

EVP（電子真空泵）為制動系統提供真空源。在某些高原環境大氣壓較低的工作條件下，當節氣門開度大、冷起動、頻繁實施制動時，發動機進氣管真空度不足，需要EVP作為真空源提供制動真空度，并且可以根據車輛運行工況的不同自動進行調整。EVP可根據大氣壓的變化來調整工作閥值，當真空度低于閥值下止點時EVP開始工作，而達到工作閥值上止點時停止工作進入待命狀態，直至由于制動消耗導致真空不足進入下一個工作循環。EVP組成如圖1所示，其通過安裝支架安裝在發動機艙內，進氣口與真空管相連，接插件與控制單元相連，工作時作為制動系統真空助力增壓器的真空源。

3 真空助力制動系統力的輸入與輸出

3.1 制動踏板力與助力器關系

根據輸出制動力與制動踏板力的特性，可得到二者之間的關系如下：

式中，Fin為駕駛員施加的踏板力；Ra為踏板機構的杠桿比；Φpedal為踏板機構的傳動效率；Fout為輸出制動力。

式中，Rbooster為助力器助力比；Φbooster為助力器效率；Fz為串聯式雙制動總泵輸出力。

式中，Φmaster為助力器主缸工作效率；Az為串聯式主缸作用面積；Pz為制動油壓。

式中，Fboost為經真空助力器放大后的力；Abooster為助力器有效作用面積；△P為大氣壓與真空壓力差值。

3.2 踏板剛度和輸出制動力與踏板力關系

踏板力與踏板行程關系曲線的斜率定義為踏板剛度，如圖2所示。由圖2可看出，在駕駛員施加踏板力時，踏板力增加的過程可分為1階段和2階段，兩個階段前、后斜率明顯不同，前半段踏板剛度較小是由于真空助力或EVP作用的結果，而后半段踏板剛度明顯增加。

經助力器放大后的制動力（下稱放大助力）的大小可隨駕駛員輸出踏板力的大小而變化。當助力失效（Booster failed）時，即使踏板力逐漸增大，放大助力的大小也未急劇增加；而采用雙助力比機構（Dual Ratio Booster）的助力器時，隨著駕駛員制動踏板力的增加，踏板剛度也隨之線性增加，在經歷了1階段（圖2）單助力比的上升過程后進入雙助力比階段，此時助力器放大后的制動力能較好地滿足制動性能的需求。

3.3 制動真空管伯努利方程

根據真空管中空氣的運動特性得到：

式中，Pc為氣流的壓差；ρgy為重力位能；1/2ρυ2為動能項。

制動真空管模型如圖3所示。

取圖3中助力器端快速接頭和進氣歧管快速接頭的2個橫斷截面建立真空管路中空氣流的能量方程，以分析影響真空度大小的因素，其中忽略不計重力位能和大氣壓變化導致的氣體密度變化以及空氣流經管路及閥體的能量損耗，則得：

式中，Pc1為氣流流經斷面的來流壓差；ρ為真空管內空氣密度；υ1為流經斷助力器端快速接頭斷面的氣體流速；Pc2為氣體流經進氣歧管快速接頭斷面的來流壓差；υ2為流經進氣歧管快速接頭斷面的氣體流速。

氣流流經斷面的來流壓差可視為大氣壓力與進氣壓力的差值，即

式中，P0為當地大氣壓值；PM為進氣管壓力。

由式（6）和式（7）可得到制動真空度影響因素伯努利方程：

式中，PM1、PM2分別為所在截面進氣壓力。

由上述方程可知，真空管中真空度的大小與發動機的工作狀態、汽油發動機進氣控制的方式、節氣門開度等因素有關。

4 某混合動力汽車動力輸出方案及控制策略簡介

混合動力汽車的動力輸出方案不同，將導致發動機參與工作的方式不同，若發動機不參與工作或工作后只對電池充電，則無法提供發動機真空源。另外，混合動力汽車的控制策略也能通過調整扭矩控制的方式來影響制動真空度。

4.1 某混合動力汽車動力輸出方案

某混合動力汽車的發動機、ISG（汽車起動發電一體機）與TM（驅動電機）之間通過電控離合器實現動力接合與中斷。由于低速工況下發動機并不能直接工作或驅動車輛，所以該車提供了多種驅動模式的手動選擇方式，如純電模式、混動模式等。當按下純電動按鈕時，HCU會盡量采用純電動模式行駛，隨電池功率降低或車速達到一定值后，HCU自動切換為混動模式；當按下混動模式按鈕時，HCU會根據動力性和經濟性需求決定采取純電動或是混動模式行駛。

4.2 控制策略說明

控制策略主要是通過EMS（發動機管理系統）來更改扭矩輸出方案、怠速工況下的扭矩控制、其它功能塊的功能更改及參數優化；通過HCU對整車功率需求進行限制，改善起動工況、急加速等動力性能需求，調整其它功能塊的功率輸出及功能設定。

5 對真空度影響因素的策略調整

5.1 基于EVP特性的門限值調整

EVP在工作時需要設定最低及過載門限值。首先設置滿足最低門限要求的值，再確定EVP過載保護狀態下的保護值，即EVP在過載前降門限值。若EVP在工作時出現過載，則設定過載工作時間，EVP在此時間段內不再提供額外的真空度壓力（抽真空），由發動機進氣行程來提供真空度壓力，待EVP進入下一個循環狀態時降低過載門限。

根據海拔高度等因素的變化，可隨機調整EVP門限值，如車輛從海拔較低地區進入海拔較高地區時，可將工作閥值從40 kPa降低到35 kPa甚至更低；從海拔較高地區進入海拔較低地區時調整閥值為40 kPa或更高。

在滿足最低門限值要求的情況下，可根據實際車輛運行情況選擇在EVP過載前降低工作門限值進行過載保護時間間隔設定。

5.2 發動機起動轉速調整

發動機起動工況下由于混合動力汽車串并聯輸出方案不同，扭矩需求會不同，從而導致節氣門開度也不同。由于在串聯模式下發動機參與工作，此時可調整發動機起動轉速以及怠速下的工作轉速來達到調整節氣門開度的目的。而并聯模式下選擇EVP的最低工作門限值及強制真空度啟動的方式，可使EVP提前工作，從而保證起動工況下的制動真空度充足，踏板感覺良好。

5.3 發動機起動故障下的策略調整

在高海拔地區，大氣壓及氣溫通常較低，當由于常規起動或短暫坡道起停等工況下導致無法順利起動發動機時，可通過限制轉速的輸出使得發動機在起動失敗的情況下也能提供正常水平的真空度。

5.4 優先扭矩需求控制策略調整

在高海拔地區，由于環境壓力的下降會導致原本在平原地區正常的扭矩請求輸出過遲而使得真空度不足，與此同時節氣門開度最大或開度趨勢增加的情況下同樣會造成真空度的嚴重不足。

當以上雙重因素導致真空度不足時，扭矩需求策略應首先滿足制動性能方面的需求，即最優先的扭矩請求為提前限制扭矩。通過采集駕駛員的扭矩需求，EMS通過調整節氣門的開度與點火角的提前與延后來控制扭矩，二者的調整是同時進行或是單獨進行取決于EMS采集到的駕駛員油門踏板的型譜圖。

5.5 電子節氣門控制策略調整

ECU中的定位控制模塊控制電機的旋轉，節氣門體中的位置傳感器實時監測閥門位置并將監測到的信號傳輸給ECU，通過位置定義并配合ECU相關信號的標定控制節氣門開度，從而達到真空度全工況下的良好利用，如節氣門關閉下的間隙位置設定、彈簧回位系統的節氣門體位置設置、車輛運行全工況下的節氣門最大開度控制。

5.6 特殊工況下標定調整

特殊工況下如節氣門開度大、高寒高海拔情況下的冷起動、上下坡情形下的車輛頻繁制動等，此時車輛動力模式切換至發動機工作狀態但并不能提供足夠的真空度水平，此時可在線修改標定增加EVP強行起動策略，以滿足真空度水平的需求。

5.7 發動機起動下油溫的選擇策略

在發動機冷起動工況下，由于頻繁踩制動踏板使EVP過載，因而只有發動機進氣行程來提供制動真空度。隨著油溫的上升，制動真空度值從小變大所耗費時間也隨之縮短，油溫高時首次實施制動就能提供可靠的真空度助力。但冷起動下由于油溫較低，初期真空度的建立需要3 s左右甚至更長時間，初始制動感覺會比發動機油溫稍高時偏硬，且真空度壓力水平會比油溫稍高時低2 kPa左右。

通過試驗研究可知，發動機熱機狀態下的真空度水平要比冷機狀態下略高，因而在真空度要求苛刻的情況下，應選擇延長熱機時間的策略，可在冷起動狀態下也能滿足基本的制動真空度。

5.8 車輛起動后首次制動踏板力的調整

首次制動通常發生在制動踏板作為發動機工作的促發條件、駕駛員出于安全需求踩下制動踏板、變換擋位等狀況下。當發動機剛起動時制動真空度處于建立的時間段，若駕駛員將制動踏板踩得較深，在真空度建立的過程中會消耗一部分真空，在起步后需要頻繁制動等特殊情況下會出現制動踏板感覺變差的情況。此時需要調整初始制動踏板力的大小使真空度建立的時間盡量縮短。

6 整車典型工況試驗

車輛典型工況下的真空度試驗是利用真空度的實時采集和主觀評價來綜合判斷真空度水平，試驗用發動機參數、真空泵參數如表1和表2所列。

表1 試驗用發動機參數

表2 試驗用電子真空泵參數

6.1 試驗設備

試驗用儀器和設備如表3所列。

表3 試驗用儀器和設備

6.2 試驗方法

由于試驗中該整車的SOC值隨試驗的進行逐漸衰減，所以SOC值設定為50%、18%和15.5%。試驗起點選取海拔高度為2 830 m處，從發動機起動開始，調整初始真空度接近大氣壓水平并通過規律制動來采集真空度數據，并采集踏板力、進氣歧管側真空度、電子真空泵啟停信號等數據，客觀評價真空度的影響因素。

6.3 試驗結果

6.3.1 冷起動下不同發動機水溫試驗

車輛行駛到目標地點一段時間后SOC值變為50%，在起動發動機前使得制動真空度為零，起動發動機并保持空擋，此時真空度壓力從低值增加到接近大氣壓的水平。再踩下制動踏板使EVP過載，過載時間持續約為30 s。EVP過載后進入工作模式，此時真空壓力值逐漸上升，直至恢復到接近大氣壓水平的真空壓力值。圖4為發動機水溫分別為8.3℃和13.5℃時的試驗結果，其中真空泵工作狀態中的0代表真空泵不工作，1.00表示真空泵進入工作狀態。

由圖4a可看出，發動機水溫為8.3℃時，試驗過程中最大真空度為39.7 kPa，從EVP過載到真空度恢復到30.0 kPa時所消耗的時間為3.04 s，定義其為過載恢復響應時間；由圖4b可看出，當發動機水溫達到13.5℃時，最大真空度可達42.6 kPa，過載恢復響應時間為1.98 s，比水溫為8.3℃時縮短了1.06 s。

6.3.2 怠速行駛工況下扭矩限制試驗

冷起動試驗結束后進行怠速行駛下扭矩限制試驗。分別在SOC值為15.5%和18.0%時起動發動機，使車輛怠速行駛并將車輛所有電器負荷調至最大，在線標定為EVP過載。在SOC值為15.5%時，當真空度穩定在接近大氣壓時即開始制動，共實施6次制動，試驗結果如圖5a所示；在SOC值為18.0%時，首先通過連續的制動使得真空度為零，待真空度經歷恢復階段后開始制動，制動次數為7次，試驗結果如圖5b所示。試驗時每隔5 s實施50 N左右的制動踏板力，以檢測真空度的變化情況。試驗前采取駕駛員扭矩需求為負值時限制發動機扭矩的策略，即駕駛員還未實施制動措施時已經限制扭矩，通過EMS請求將節氣門開度減小或延后點火提前角達到扭矩限制的目的。

當未調整扭矩限制策略且SOC值為15.5%和18.0%時，真空度穩定值分別為22.14 kPa和35.57 kPa。真空度穩定值為22.14 kPa時，制動時感覺踏板偏硬，駕駛員需要持續施加較大的踏板力；而當真空度穩定值為35.57 kPa時制動感覺明顯提升，能在期望的時間內使車輛停穩。圖5是將扭矩限制策略調整為20 N·m以下限制扭矩后的試驗結果，從圖5a可看出，當發動機扭矩需求調整為20 N·m以下開始限制扭矩后，SOC值為15.5%時的真空度穩定值為31.55 kPa，比未調整前上升了9.41 kPa，此時制動感覺良好，制動實施時主觀感覺制動可靠。

6.3.3 駕駛員首次制動踏板力調整試驗

怠速行駛試驗結束后進行直線行駛試驗。起動發動機前通過連續踩制動踏板將真空度降為零。試驗過程中每隔10 s實施不同的制動踏板力來檢測真空度的變化，采集每次制動前、后真空度的變化數據。

試驗結果如圖6所示。由圖6可看出，當制動踏板力為50 N時，制動前真空度穩定值約為36.45 kPa，制動后真空度最小值為24.16 kPa。而當調整制動力為40 N時，制動前真空度穩定值約為38.52 kPa，制動后真空度最小值為27.21 kPa。當首次制動力較小時，制動真空度還未被完全消耗，在下一次制動實施前真空度恢復的初始點比首次制動力為50 N時要高，此時更容易滿足后續制動的真空度需求。在高原環境下行駛時應保證首次制動踏板力較小，以滿足后續制動的真空度需求。

6.3.4 串聯工況下扭矩限制

試驗車輛SOC值為15.5%，啟動發動機前將真空度降為零，將混合動力車輛的動力模式調整為串聯模式，且全油門加速至20 km/h、50 km/h，并通過實施均勻制動來檢測試驗過程中真空度的變化。當車輛靜止未限制扭矩時，車速為20 km/h和50 km/h對應的真空度穩定值分別為15.02 kPa和10.47 kPa,車輛制動性能不可接受，真空度穩定值過低導致制動感覺偏硬，制動力明顯不足，制動感覺較差。為提高串聯模式下的真空度水平，更改標定使得靜止時開始扭矩限制，即扭矩需求為零或負值時EMS已經通過將節氣門開度減小或延遲點火角來限制扭矩的輸出。

針對車速不同、未經過扭矩限制，真空度穩定值并不滿足高原制動性能要求的情況下，將全油門加速至20 km/h、50 km/h的兩種工況調整為提前限制扭矩，限制扭矩后的試驗結果如圖7所示。由圖7可看出，在車速為20 km/h工況下，真空度穩定值為38.54 kPa；在車速為50 km/h工況下，真空度穩定值為37.31 kPa，兩種工況下的真空度穩定值均能滿足要求，且制動感覺良好。

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（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年6月16日。

6 結束語

通過對液力緩速器制動力矩數學模型的分析，提出了一種基于神經網絡的可以逼近實際輸出制動力矩的非線性曲線特性的液力緩速器制動力矩模型，并建立了液力緩速器的神經網絡的PWM控制系統。通過試驗表明，相比現有的制動力矩數學模型，基于神經網絡的液力緩速器輸出力矩能更好地逼近實際的制動力矩特性曲線，因此研究神經網絡的制動力矩控制系統對于液力緩速器控制系統的設計有實際意義。

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（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

Research on Factors Affecting Braking Vacuum of Hybrid Vehicle in High Altitude

Jian Yingjie,Xu Yun,Qiu Xiaoyin,Li Nan
（SAIC Motor Corporation）

Factors affecting braking vacuum of plug-in hybrid electric vehicle(PHEV)are elaborated in this paper.The strategies of negative pressure braking boosting are adjusted based on output conditions of hybrid electric vehicle,and operating plan in high altitude is developed according to operating characteristic of electronic vacuum pump,and vehicle experimental research in typical conditions is carried out.The results show that after the strategies are adjusted,the braking vacuum of this PHEV is improved effectively,and can satisfy the braking requirement in high altitude.

Hybrid Electric Vehicles，Vacuum Boost，Electronic Vacuum Pump(EVP)，Braking at High Altitude

混合動力汽車 真空助力 電子真空泵 高原制動

U467.1

A

1000-3703（2015）10-0035-06