搭載ibooster系統的純電動車在不同工況下的能量回收貢獻研究

張飛　王金橋　靳慧魯

摘 要：本文將某款后驅電動車作為研究對象，重點研究了代替真空助力器的ibooster電子機械助力器、制動能量回收過程中的制動力分配策略、電機再生制動與ESC液壓制動協調控制等，通過實車道路和轉鼓測試，對比了NEDC工況、CLTC工況、城市工況下的能量回收貢獻率，試驗結果表明，同一工況下，ibooster系統至少能提高能量回收率1.3%左右，在CLTC工況下能量回收貢獻率最大。

關鍵詞：純電動汽車 ibooster 能量回收貢獻 工況研究

Research on energy recovery contribution of pure electric vehicles equipped with iBooster system in different working conditions

Zhang Fei Wang Jinqiao Jin Huilu

Abstract：This article will drive electric vehicle as the research object， after one is mainly studied instead of the vacuum booster ibooster electronic mechanical booster， brake energy recovery in the process of braking force distribution strategy， motor regenerative braking and ESC hydraulic brake coordination control， etc.， through the real vehicle road test and drum， compared the NEDC condition， working condition of CLTC， urban conditions the energy recovery under the contribution rate， the test results show that under the same conditions， ibooster system can improve the energy recovery rate 1.3%， at least in CLTC energy recovery under the condition of the biggest contribution.

Key words：Pure electric vehicle; Ibooster; Energy recovery contribution; Study of test condition

1 前言

純電動汽車具有零排放、噪音小等優點，適合在城市內代步。同時，純電動車采用電機驅動，行駛平順，無換擋頓挫，車輛起步和加速性能好。當前電動車發展迅速，要真正實現市場化，代替傳統燃油車，需要克服純電動車存在的缺點，其中續駛里程是制約電動車全面普及的重要因素，在提高電池能量密度的技術未突破前，提高電池能量利用率是一個可行的研究方向。研究表明，傳統燃油車在城市工況下行駛，大概1/3到1/2的能量在制動過程中轉化為熱能消耗[1-2]。

純電動車在制動的過程中可利用電機反拖回收部分制動能量，目前市場上應用的能量回收系統一般為并聯能量回收系統，并聯能量回收系統對電機回收扭矩和液壓制動力不能進行實時分配，當剎車踏板踩下，電機回收扭矩不能隨剎車踏板深度變化加大回收扭矩，導致可回收的制動能量偏低。本文利用奇瑞某乘用車平臺資源，基于圖1所示的串聯能量回收系統，該系統主要由、、構成，研究了能量回收策略，經過續航測試標準NEDC工況、我國最新研制的CLTC工況以及奇瑞新能源針對城市道路研制的城市工況能量回收率驗證，能量回收效果較好，對純電動汽車續航的提升有一定意義。

為全面驗證該傳統車輛由于發動機能夠提供真空度，因此大部分傳統制動系統采用真空助力器。制動踏板力經過真空助力器的助力作用，以更大的力輸入到主缸，產生液壓制動力，從而使車輛減速。隨著車輛發展越來越智能化，純電動汽車無法提供真空度，這些因素推動了制動系統發展，ibooster系統不僅能實現助力器功能，還可以對制動踏板進行助力，同時在制動過程中可以高效、實時分配制動扭矩，一定程度提升了能量回收貢獻率，保證了車輛制動安全。

2 ibooster結構原理介紹

如圖1所示，ibooster電子機械助力器結構主要由助力電機、助力傳動、反饋盤、踏板推桿、主缸推桿等組成，助力傳動由齒輪副、滾珠絲杠、助力閥體組成。助力電機采用永磁同步電機，具有體積小、效率高等優點。助力電機的控制由電機控制器來實現，根據踏板推桿的位移、踏板力等，控制助力電機的轉速和輸出扭矩。齒輪副與滾珠絲杠組成二級傳動機構，齒輪副對助力電機的轉速及輸出扭矩有降速增扭作用，滾珠絲杠把齒輪副傳輸的電機轉速轉化為位移，同時傳遞電機扭矩。滾珠絲杠帶動助力閥體沿著制動主缸方向做直線運動。助力閥體安裝在滾珠絲杠內，踏板推桿安裝在助力閥體內。

當無制動操作時，踏板推桿與助力閥體之間存在一定的間隙。當有制動操作時，踏板推桿與助力閥體共同作用于反饋盤，反饋盤輸出作用在主缸推桿上，從而在制動主缸上產生制動壓力，實現電機助力的功能。

由于助力扭矩是由電機提供的，通過ibooster控制器可以對助力電機輸出扭矩大小進行控制。

3 ibooser能量回收策略研究

駕駛員踩制動踏板，輸入推桿產生位移，踏板行程傳感器檢測到輸入推桿的位移，并將該位移信號發送至ibooster控制器，控制器計算出電機應產生的電制動扭矩，同時根據制動推桿行程，模擬制動踏板力，保證制動過程中用戶體驗。

電制動扭矩由電機發電來實現，電機發電一部分輸送至電池進行充電，一部分可能用于高壓負載消耗（高壓負載如空調等開啟條件下），因此電池的回收效果主要受電池、電機、高壓負載等因素影響，其中電池影響最大，因電池的充電能力受SOC（state of charge，荷電狀態）、溫度、電壓等影響，SOC越低，充電能力越強，溫度越低，電池活性越差，充電能力也越差，當電池溫度低至一定程度，某些電芯甚至不允許充電，進而無法實現能量回收功能。

因此， ibooster控制器需要實時了解電池的充電能力、電機的發電能力才能進行合理的液壓、電制動扭矩分配，才能有效提高車輛的經濟性和行駛安全性。

4 ibooster能量回收策略方案

BMS根據車速、電池允許充電功率、溫度等條件計算當前可用的允許充電扭矩，VCU（整車控制器）實時發送車速、ABS激活標志位、電制動可回收扭矩等至IBS（ibooster控制器），IBS根據總的制動需求扭矩分解出需求電制動扭矩，將該信號發送至VCU，該扭矩不應高于制動安全扭矩，VCU轉發該信號至MCU（motor control unit）執行，具體實施方案如下：

①BMS（battery management system）根據電池溫度、SOC等條件，計算當前允許充電扭矩，并將該扭矩信號和允許充電標志位信號發送至VCU;

②VCU將車速信號、ABS激活信號、允許充電扭矩信號、允許充電標志位信號發送給IBS;

③IBS根據制動踏板行程計算目標總制動扭矩，若電制動允許扭矩大于目標總制動扭矩，總制動扭矩由電制動來實現，液壓制動不參與，IBS請求VCU執行的電制動扭矩為目標總制動扭矩;若電制動允許扭矩小于目標總制動扭矩，IBS請求VCU執行電機允許制動扭矩，剩余不足部分由液壓制動來實現。

④VCU根據IBS請求的電制動扭矩信號，請求MCU控制電機進行發電，實現電制動控制。

5 工況驗證

基于上述功能開發策略，進行軟件開發，并通過實車進行了軟件參數標定、優化。選擇某款車型的兩種配置進行驗證，一輛不帶IBS系統，另一輛帶IBS系統，其余車輛軟件、硬件配置無差異，圍繞城市工況、NEDC工況、CLTC工況進行對比測試研究。

通過試驗測試數據分析（見表1）， NEDC工況下，IBS系統能量回收率提升1.34%，CLTC工況下，IBS系統能量回收率提升3.88%，城市工況下，IBS系統能量回收率提升3.19%，ibooster系統能量回收策略能顯著提高能量回收率，由于CLTC工況減速度段較多，因此相比其他兩個工況，ibooster系統在CLTC工況下對續航有顯著影響。

6 結論

（1）本文對ibooster系統進行了原理研究，提出了基于駕駛員需求的扭矩分配策略，保證了制動安全性和剎車能量的合理利用。

（2）針對功能策略進行了軟件標定參數優化，并進行CLTC、NEDC、城市道路工況的測試對比驗證，CLTC工況貢獻率較大。

（3）本文對ibooster系統在各個工況下的應用開發具有一定指導意義。

本論文由2019年度安徽省科技重大專項《基于eMT和電驅動融合的高效新能源汽車研發及產業化》（項目編號：201903a05020062）項目基金資助。

參考文獻：

[1]LV C，ZHANG J z，LI T，et al.Regenerative braking control algorithm for an electrified vehicle equipped with a by-wire brake system[J].SAE Technical paper，2014-01-1791.

[2]李成毅.電動汽車最佳能量回收并聯再生制動策略研究[D].湖南大學，2017.