基于制動能量回收的液壓制動系統

2016-12-06 11:04
        制動能量回收,對于電驅動車輛而言, 是指在減速或制動過程中,驅動電機工作于發電狀態,將車輛的部分動能轉化為電能儲存于電池中。同時,施加電機回饋轉矩于驅動軸,對車輛進行制動,這種制動方式稱為再生制動(Regenerative Braking),或回饋制動。制動能量回收技術的在電驅動車輛上應用,可以增加車輛一次充電的續航里程。
 
        制動能量回收由電制動系統和液壓制動系統共同完成。液壓制動系統是制動能量回收系統關鍵的執行機構,其任務是對制動壓力進行控制,保證駕駛員良好的制動踏板感覺,確保整車制動安全性。電動汽車制動能量回收系統的液壓制動系統區別于傳統燃油車的制動系統,一方面表現在電動汽車沒有傳統的內燃機為制動系統提供真空度,另一方面表現在制動能量回收的實現需要液壓制動系統和電機之間有信號交流。
 
        基于再生制動系統提出的技術要求,各大汽車廠商和零部件企業紛紛推出了適用于不同類型電驅動汽車的具有制動能量回收功能的液壓制動系統方案。接下來我們談一談目前業內幾種典型方案。
 
        基于真空助力的液壓制動系統
 
 
        “真空助力器+真空泵”方案
 
        該方案主要是在原有真空助力液壓制動系統中增加EVP(Electronics Vacum Pump,電子真空泵)、PTS(Pedal Travel Sensor,踏板行程傳感器)和氣壓傳感器。
 
        EVP的作用是為真空助力器提供動力源,因為電驅動乘用車沒有傳統的發動機,無法為真空助力器提供真空度,真空助力器無真空下無法提供制動助力。該系統通常還會帶一個真空罐,用于存儲一定容積的真空,使系統的真空度更穩定,同時降低EVP的啟動頻次,增長EVP使用壽命。PTS主要是為了給電機控制器提供制動信號,有效利用制動空行程進行能量回收,提高能量回收率。
 
        該系統的有優點是原制動系統的零部件大都可以沿用,實施方便,技術成熟,系統穩定,造價較低。缺點主要是電機回饋制動力直接疊加在原有摩擦制動力之上,不調節原有摩擦制動力,能量回收率低,制動舒適性差。制動舒適性差不僅是表現在電機回饋制動和摩擦制動的耦合與切換產生的沖擊、平順性差,還表現在高原地區,由于氣壓低,EVP無法提供和在平原地區一樣高的真空度,真空助力器的助力差,踏板力會變大。
 
        基于ESP/ESC的液壓制動系統
 
 
        Bosch ESPhev方案
 
        以Bosch公司的ESPhev為例,該系統無需真空助力器和EVP,主要基于原有的ESP技術,ESP除了標準功能外,增加了常規的制動液壓助力功能和回饋力矩協調功能。ESP根據BOU(Brake Operating Unit, 制動操作單元)里的PTS信號計算駕駛員的制動需求,再根據電機所能提供的回饋制動力大小,以及綜合車輛穩定性,進行制動力的分配,液壓制動系統壓力由ESP提供。
 
        該系統具有比傳統制動系統更小的安裝尺寸,更輕的重量,能進行回饋力矩和液壓力矩的協調,能量回收率高。但是系統前軸解耦,制動管路為II型布置,不同于常見的X型布置,而且該方案只適用于小型車(滿載車重不超1700kg)。
 
        基于EHB的液壓制動系統
 
        EHB(Electronics Hydraulic Brake,電子液壓制動系統),主要由動力單元(電機、泵和蓄能器)、液壓單元(主缸、踏板模擬器和PTS)和電子控制單元組成,經制動管路和控制閥與制動輪缸相連,控制制動液流入/流出制動輪缸,從而實現制動壓力控制。
 
 
 
 
        Bosch HAShev方案
 
        上圖為Bosch公司的HAShev系統,該系統主要由BOU、ACM-H(Actuation Control Module –Hydraulic,液壓助力控制模塊)和ESP組成。BOU帶有PTS,用于探測駕駛員的制動需求;BOU和制動踏板是解耦的,集成了踏板感模擬器,踏板感模擬器內部主要是一個彈簧阻尼機構,能靈活調節踏板感。ACM-H主要由電動液壓泵、高壓蓄能器和電子控制單元組成,它的任務主要是給液壓制動系統供能,同時負責回饋力矩和液壓力矩的協調控制。該系統的ESP和普通的ESP相比,多了主動增壓的功能,它能在ACM-H失效時主動增壓,確保制動安全,同時它和電機控制單元以及ACM-H之間也有回饋力矩、車輛穩定因子等信號交互。
 
        該系統踏板解耦,踏板感可以靈活設計,動態控制電機回饋力矩和液壓制動力矩的協調分配,優先利用再生力矩,實現最大效能的制動能量回收;同時它具有強大的失效模式,ACM-H失效時ESP可以補償,液壓失效時,還有機械結構保證安全。但是系統零部件多,構造復雜,需要增加4根制動管,重量無優勢,調試和維護成本高。
 
 
        Mando AHB III方案
 
        上圖為韓國Mando公司的AHB III方案,由iBAU(Integrated Brake Actuation Unit,集成制動助力單元)和PSU(Pressure Source Unit,液壓動力單元)這兩個主要部件組成。和Bosch公司的HAShev系統相比,Mando把電子控制單元、ESP/ESC都集成在iBAU里,零部件的數量上減少了,布置更靈活,重量更輕,輕了差不多2kg。而且iBAU直接進行輪壓控制,最大程度消除系統損失,增強壓力可控性。
 
        基于新型制動助力器的液壓制動系統
 
 
        基于新型制動助力器的方案
 
        這種方案無真空助力器和EVP,也沒有液壓泵或蓄能器等部件,取而代之使用高性能電機,通過齒輪機構驅動活塞直線運動,以產生制動主缸壓力。較之普通制動系統,它更輕巧,系統響應更快,能夠顯著地提升建壓速度,有效地縮短制動距離,滿足新型高級駕駛輔助系統對制動壓力控制動態特性的更高要求。協調再生制動功能和基于ESP/ESC、EHB技術類似,同樣能實現高效的制動能量回收。
 
        該系統的制動踏板也可以是解耦的,建壓過程與制動踏板之間沒有直接的聯系,踏板感覺由一個集成在執行模塊中的彈簧/緩沖器單元來產生的。踏板感可根據整車要求分別調整,還可按照不同行駛情況(如緊急制動)或操作模式(如“運動”)進行單獨調整,能在無需任何附加措施的條件下,實現再生制動與舒適性的完美統一。
 
        這種方案目前已被成功應用在日產Leaf、特斯拉Model S和阿爾法羅密歐Giulia等車型上。
 
 
        德國大陸集團的MK C1 (集成了ESC)
 
 
        Bosch的ibooster (沒有集成ESP/ESC)
 
        相比傳統的制動系統產品,目前EHB或新型制動助力器等產品的開發成本還比較高,但是隨著技術的不斷進步,這些開發成本一定會不斷降低。我們相信制動系統會逐漸向著輕量化、模塊化和智能化的EHB或新型制動助力器方向發展。目前國外主要制動系統零部件供應商(如Bosch、TRW、大陸、愛德克斯、日立、萬都等)分分推出自己的EHB或新型制動助力器產品,而我們國內的供應商由于在傳統底盤電控系統ESP/ESC/EHB、電磁閥等關鍵零部件的開發與制造方面存在短板,EHB或新型制動助力器產品的研發與國外尚有差距。但是國內這方面研發也取得了一些進展,如電子液壓助力器、電子真空助力器等都已經有成形的產品了,而且很多國內供應商都在和一些高校合作,通過產學研合作,取得了不錯的進展。隨著電動汽車產業化進程的逐步推進,相信國內供應商也能開發出滿足整車需求的EHB或新型制動助力器等產品,形成與國外同類水平相抗衡的能力。

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