增大腳閥空行程的再生制動策略研究與測試

【摘" 要】基于開關量腳閥的并聯(lián)制動能量回收方案無法根據(jù)制動踏板開度調(diào)整回收扭矩，在提高制動能量回收率的同時無法兼顧制動性能，故提出基于模擬量腳閥的并聯(lián)制動能量回收方案。首先通過分析傳統(tǒng)車輛制動力曲線特性增大腳閥空行程，完成腳閥開發(fā)；其次根據(jù)ECE法規(guī)計算能量回收扭矩邊界，完成樣車改制；最后針對樣車開展回收效果評價及相關制動性能試驗，測得該回收策略下的制動能量回收效果有顯著提升，且制動效能滿足法規(guī)要求，主觀評價在駕駛員可接受范圍內(nèi)。表明該回收方案具有一定的工程應用價值。

【關鍵詞】并聯(lián)回收；大空行程模擬量腳閥；回收扭矩邊界；回收效果；主觀評價

中圖分類號：U463.5" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0054-05

Research and Testing of Regenerative Braking Strategy for Increasing the Empty Travel of Foot Valve

QIN Yanbin，WANG Yutao，WANG Min

（Xuzhou XCMG Automotive Manufacturing Co.，Ltd.，Xuzhou 221100，China）

【Abstract】The parallel braking energy recovery scheme based on switch foot valve cannot adjust the recovery torque according to the opening of the brake pedal，and cannot balance the braking performance while improving the braking energy recovery rate. Therefore，a parallel braking energy recovery scheme based on analog foot valve is proposed. Firstly，by analyzing the characteristics of traditional vehicle braking force curves and increasing the empty stroke of the foot valve，the development of the foot valve is completed；Secondly，according to ECE regulations，calculate the energy recovery torque boundary and complete the prototype modification；Finally，an evaluation of the recovery effect and related braking performance tests were conducted on the sample vehicle. It was found that the braking energy recovery effect under this recovery strategy was significantly improved，and the braking efficiency met regulatory requirements. The subjective evaluation was within the acceptable range for the driver. This indicates that the recycling scheme has certain engineering application value.

【Key words】parallel recycling；large air travel analog foot valve；retrieve torque boundary；recycling effect；subjective evaluation

作者簡介

秦嚴彬（1982—），男，工程師，從事商用車性能開發(fā)及研究優(yōu)化工作。

制動能量回收是電動車輛及混合動力車輛降低能耗的重要手段之一。對比各國檢測汽車燃油消耗量和經(jīng)濟性典型城市工況下制動消耗能量與總消耗能量（表1），車輛運行消耗的能量大約一半用來克服滾動阻力、空氣阻力等以驅(qū)動車輛前行，一半通過制動以熱能的形式散失掉，通過對制動能量進行回收，則可降低車輛能量消耗。目前，制動能量回收已廣泛應用于新能源車輛，但回收方案不盡相同。能量回收方案總體分為以下幾種：①回收制動和摩擦制動耦合的并聯(lián)式，該方案策略簡單、成本低、易實現(xiàn)，但制動時的舒適性差，且回收制動與摩擦制動同時介入，仍有大部分能量以摩擦熱的形式散失，回收率低；②回收制動與摩擦制動解耦的串聯(lián)式，制動系統(tǒng)具有制動管理功能，制動時先通過能量回收進行制動，當回收制動強度不滿足駕駛員需求制動強度時，協(xié)調(diào)摩擦制動補充，該方案回收效率高，但車輛配置需具備制動管理功能，成本高。本文提出大空行程模擬量腳閥的并聯(lián)式制動能量回收方案，兼顧成本的同時提高制動能量回收率。

1" 大空行程模擬量腳閥制動能量回收方案

采用模擬量腳閥，根據(jù)踏板開度調(diào)節(jié)回收扭矩，兼顧制動性能。摩擦制動與回收制動扭矩分配關系如圖1所示。此外，增大腳閥空行程，空行程內(nèi)只有回收制動，無摩擦制動，以便提高能量回收率，且樣車原制動系統(tǒng)結(jié)構保持不變，成本低。

1.1" 腳閥空行程選取分析

腳閥空行程太短則容易因誤碰踏板而制動，太過靈敏，空行程太長，制動太疲軟，主觀感受較差。本文空行程的選取綜合考慮樣車空滿載工況，以實際采集的傳統(tǒng)燃油車制動踏板開度與制動力關系曲線為基礎曲線，以增大空行程后的回收+摩擦制動力曲線高于基礎曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動力曲線與基礎曲線相差較小為原則選取腳閥空行程。保持電機端回收扭矩不變，變速器擋位越低，車輪端回收制動力越大，擋位越高，車輪端回收制動力越小，故只擬合最高擋（4擋）與最低擋（1擋）的制動力曲線。踏板開度較大時，ABS激活，能量回收退出，制動力由ABS調(diào)節(jié)，擬合曲線沒有參考意義，不做擬合。

圖2為滿載工況下最低變速器擋位時的踏板開度與制動力曲線擬合。由圖2可見，增大空行程后的回收+摩擦總制動力曲線完全覆蓋基礎曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動力曲線與基礎曲線相差較小。

圖3為滿載工況下最高變速器擋位時的踏板開度與制動力曲線擬合。由圖3可見，最高擋時，增大空行程后的回收+摩擦總制動力曲線更加接近基礎曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動力曲線與基礎曲線的關系同最低擋相差較小。

圖4為空載工況下最低變速器擋位時的踏板開度與制動力曲線擬合。由圖4可見，增大空行程后的回收+摩擦總制動力曲線完全覆蓋基礎曲線，但高出較多，能量回收退出后的僅摩擦制動力曲線與基礎曲線相差較小。

圖5為空載工況下最高變速器擋位時的踏板開度與制動力曲線擬合。由圖5可見，最高擋時增大空行程后的回收+摩擦總制動力曲線更加接近基礎曲線，能量回收退出后的僅摩擦制動力曲線與基礎曲線的關系同最低擋相差較小。

綜合考慮空滿載工況，以及能量回收在緊急制動等工況下退出時的僅摩擦制動的制動性能，該空行程的設想可滿足要求。

1.2" 回收邊界計算

并聯(lián)式能量回收扭矩直接疊加到原摩擦制動之上，故需考慮增加能量回收后的前后軸制動力分配是否滿足法規(guī)要求。根據(jù)ECE法規(guī)要求，確定不同踏板開度下的電機回收扭矩邊界值。回收扭矩邊界值=Min（橋反拖扭矩限制下電機端回收扭矩，ECE法規(guī)限制下電機回收扭矩限值，電機允許回收扭矩）。其中，橋的反拖扭矩限值由橋供應商提供，根據(jù)其限值和速比計算出不同擋位下電機端回收扭矩邊界值。對于貨車，ECE法規(guī)要求有以下幾點。

1）利用附著系數(shù)z=0.1～0.61之間時，要求制動強度滿足公式（1），Φ為利用附著系數(shù)。

Φ≤（1）

2）z=0.15～0.3，且各裝載狀態(tài)下，前軸利用附著系數(shù)曲線應在后軸利用附著系數(shù)曲線之上。

3）制動強度z=0.15～0.3之間，每根軸的利用附著系數(shù)曲線位于Φ=z±0.08兩條平行于理想附著系數(shù)直線的平行線之間。

4）制動強度z≥0.3時，后軸的利用附著系數(shù)滿足公式（2）。

Φ≤（2）

設汽車前輪剛要抱死或前后輪同時剛要抱死時產(chǎn)生的制動強度為z，則：

Fxb1=β=βGz（3）

Fz1=（b+zhg）（4）

由公式（3）、（4）可得前軸利用附著系數(shù)的公式：

Φf==（5）

同理，求得后軸的利用附著系數(shù)的公式為：

Φr==（6）

式中：Fxb1——前輪地面制動力，N；——車輛減速度，m/s2；L——軸距，m；b——質(zhì)心到后軸距離，m；a——質(zhì)心到前軸距離，m；hg——質(zhì)心高度，m；Φf——前軸利用附著系數(shù)；Φr——后軸利用附著系數(shù)；Fz1——地面對前輪的法向反作用力，N；Fxb2——后輪地面制動力；Fz2——地面對后輪的法向反作用力，N。

將前后軸利用附著系數(shù)計算公式（5）、（6）代入法規(guī)要求中，根據(jù)車輛具體參數(shù)，計算出前后軸制動力分配系數(shù)β應滿足的范圍，如圖6所示。

根據(jù)空滿載下β應滿足的范圍得到βmin，制動力分配系數(shù)計算公式為：

β=（7）

式中：Fμ——制動器制動力，N；β0——原機械制動時的制動力分配系數(shù)；Freg——能量回收制動力，N。

由式（7）及βmin得ECE法規(guī)限制下電機回收制動邊界。

Freg_max=（8）

2" 制動回收效果評估

能量回收效果評估參數(shù)主要有節(jié)能貢獻度和制動能量回收率。

2.1" 節(jié)能貢獻度

某循環(huán)工況下，無制動能量回收時電池端消耗的能量為Ereg_off，有制動能量回收時電池端消耗的能量為Ereg_on，則節(jié)能貢獻度定義為：

δE=（9）

或在某循環(huán)工況下，給定電池能量E0，無制動能量回收時，汽車行駛的距離為Sreg_off，相同行駛條件下，有制動能量回收時，汽車行駛距離為Sreg_on，則節(jié)能貢獻度定義為：

δS=（10）

2.2" 制動能量回收率

制動能量回收率ηreg指在某次制動過程中電機制動實際回收的制動能量Eregen占無能量回收時制動消耗總能量Ebrake的比例：

ηreg=（11）

Eregen=∫UbatIbatdt（12）

式中：Eregen——車輛在制動過程中回收的能量。當Ebrake為無能量回收時，汽車在某次制動過程中，車速從v0減速到ve，除去滾動阻力和空氣阻力消耗的能量，得到的由制動器摩擦消耗的能量如公式（13）所示。

Ebrake=m（v20-v2e）-mg fvdt-CDAρvdt（13）

根據(jù)空行程大小調(diào)整模擬量腳閥特性曲線，完成腳閥開發(fā)；根據(jù)空行程大小、回收邊界、模擬量腳閥開度信號調(diào)整能量回收策略，并在樣車上匹配基于大空行程模擬量腳閥的制動能量回收方案。

根據(jù)制動能量回收評價參數(shù)開展循環(huán)工況和制動工況能量回收效果評估試驗，每組試驗至少開展3組，分別計算循環(huán)工況下的節(jié)能貢獻度和制動工況下的能量回收率，考慮到試驗條件，其中節(jié)能貢獻度選δE進行評價。

樣車原采用基于開關量腳閥的固定負扭矩能量回收方案，先對原方案回收效果摸底測試，再進行大空行程模擬量腳閥的改制及回收效果的測試。循環(huán)工況下的節(jié)能貢獻度見表2，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析，空載工況兩回收方案節(jié)能貢獻度均在27%左右，相差不大。滿載工況下，原基于開關量腳閥能量回收方案的節(jié)能貢獻度為18.16%，基于大空行程模擬量腳閥回收方案的節(jié)能貢獻度為24.83%，相比原方案提升6.67%。不同制動踏板開度下能量回收效果不同，故根據(jù)試驗條件測試踏板開度從20%～70%之間的制動能量回收率。

空載制動工況下的制動能量回收率見表3。隨著踏板開度從20%增大到70%，原基于開關量腳閥能量回收方案的制動能量回收率從47.19%降低到16.64%，基于大空行程模擬量腳閥回收方案的制動能量回收率從48.61%降低到23.15%。相比原方案，制動踏板在小開度和大開度下制動能量回收率提升較小，中等開度下提升較大，最大可達12.26%。

滿載制動工況下的制動能量回收率見表4。隨著踏板開度從20%增大到70%，原基于開關量腳閥能量回收方案的制動能量回收率從19.67%降低到6.9%，基于大空行程模擬量腳閥回收方案的制動能量回收率從19.98%降低到9.19%。相比原方案，制動踏板在小開度和大開度下制動能量回收率提升較小，中等開度下提升較大，最大可達4.5%。

3" 制動效能測試與主觀評價

基于大空行程模擬量腳閥的制動能量回收方案增大了腳閥空行程，并調(diào)整了回收策略，改變了制動力曲線，故需進行制動效能測試與制動主觀評價，分析其制動效能是否滿足法規(guī)要求，以及制動主觀感受能否接受，并與原回收方案進行對比。

3.1" 制動效能測試

通過0型制動試驗來分析制動效能是否滿足法規(guī)要求。分別測試兩回收方案在能量回收開與關閉下的制動效能。由表5可見，兩回收方案無論能量回收開或關，其制動效能相差不大，減速度均大于4m/s2，制動距離均小于36.6m，滿足法規(guī)要求。

3.2" 制動主觀評價

分別以30km/h、50km/h、60km/h為初始車速，通過快踩、緩踩等來綜合評價制動的主觀感受，根據(jù)車輛制動系統(tǒng)改變情況策劃評價項目（表6），采用十分制評價標準（表7）。根據(jù)各評價項目測試方法評價各回收方案在空滿載下能量回收開與關時的主觀感受。

由表8、表9、圖7可見，兩回收方案在空滿載工況下，能量回收開與關的主觀評價均在6.5～8分之間，整體感受可接受。其中滿載主觀感受略優(yōu)于空載，能量回收開略優(yōu)于能量回收關，開關量腳閥能量回收方案略優(yōu)于模擬量腳閥回收方案。

4" 總結(jié)

為提高制動能量回收效果的同時兼顧成本，本文提出了增大空行程的模擬量腳閥制動能量回收方案。結(jié)合制動舒適性和制動效能確定制動腳閥空行程大小及制動回收扭矩邊界，并完成腳閥的開發(fā)及樣車回收策略的改制。根據(jù)回收效果評價參數(shù)開展了相關試驗，試驗表明相對于原基于開關量腳閥的制動能量回收方案，大空行程模擬量腳閥回收方案在空載時回收效果提升不明顯，但在滿載時有較大提升。此外，因大空行程模擬量腳閥回收方案改變了制動力輸出曲線，故開展了制動效能和制動主觀評價測試，測試表明該方案下制動效能滿足法規(guī)要求，且與原方案相差不大。主觀評價中開關量腳閥回收方案略優(yōu)于模擬量腳閥回收方案，但性能表現(xiàn)均處于可接受分值以上。

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（編輯" 凌" 波）