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再生制动系统助力非比寻常 |
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作者：现代摩比斯公司 |
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为了增加混合动力和电动汽车所使用的燃料电池及燃料的效率，再生制动系统的重要性日益提高。在再生制动系统中，车辆的动能存储在电池中，为电动车提供驾驶能量（不然就会在摩擦中作为热能耗掉）。而这些存储的能量会在车辆行驶中复原，此即为“再生”。
在电动车的能量复原过程中，用来驱动车辆的电机扮演着发电机的角色。但是因为再生制动力的大小取决于电子驱动系统的驱动状态（包括电机和电池），所以无法确保车辆在所有驾驶状态下的安全制动性。因此需要另加一个制动机制，比如液压制动器，与再生制动系统一起合作产生制动作用，以满足总的制动需求。
联合再生制动系统的基本功能要求如下：
根据司机的需求以及车辆稳定性的要求，进行总制动力控制
对再生和摩擦制动力的单独、独立控制
根据再生制动力的变化进行摩擦制动力的变量控制
摩擦和再生制动联合起来实现无缝制动
为了满足这种联合制动要求，摩擦制动系统必须能对驱动踏板和车轮上的实际摩擦制动力矩进行解耦。这可以通过“线路式”功能实现，也可选择暂时存储超过最初驱动需求和实际摩擦制动力矩所需的制动量这一方法。
几个能满足再生制动要求的摩擦制动系统的设计，已投入生产或正处于开发中。通过一个扭矩联合算法来计算联合制动力，而此时作用在轴上的再生扭矩力，可通过现有发电机产生的电流预估出来。最终，可以控制总的再生制动扭矩和所应用的摩擦制动力矩，满足驱动需求。
图1、前/后智能助力系统图
摩比斯公司的研发人员倡议使用的智能助力系统，是一种新的主动制动系统，非常适于这种需要各系统通力合作的制动应用。在这款智能助力器上，配置了一种永磁同步电动机（PMSM），而非传统的常规真空助力器，不仅省去了真空泵，更实现了主动、独立的制动力控制。
根据不同的应用方式，有两种智能助力系统可用。第一种名为前智能助力器（FSB） ，仅适于前轴的主动控制，第二种名为前/后智能助力器（FRSB），适用于前轴和后轴的主动控制。这两款智能助力器类型，均适用于工作台测试及车辆的实际应用。
图2、前智能助力器的配置
智能助力系统配置
前智能助力器，适于需要前轴进行联合再生制动控制系统的运行，非常适合配置了前驱电力传动系统的车辆。此类车辆的后部制动，是由驾驶员施加于踏板的力直接执行的。只要驾驶员施加的力稳定，后部制动就会一直稳定，不受前轴的再生制动量影响。
前智能助力器（FSB）的基本配置是一个电机加两个（前和后）主气缸。一旦驾驶员对踏板施加了作用力，将直接通过后气缸产生液压力，作用到后卡钳活塞，同时感受到踏板位置，然后将此信息用于驱动电机，在前制动电路里产生压力。所以在此系统中，总有一个后制动力可用，即使出现电气故障导致前摩擦制动失效也无妨。
与之相对应的是，我们可以使用前/后智能助力器（FRSB），同时主动控制前、后轮车轴的刹车力。因此，FRSB适于全轮电力驱动车。在这款智能助力器中，电机通过与车辆的四个卡钳相连接的一级、二级燃气室，向主气缸施加压力。在这款系统中，两个制动电路沿对角方向分散布置，以满足绝大多数乘用车的应用需求。FRSB的系统配置与FSB相仿，但需要另开发踏板的模拟器和备份机制。其线制动系统是湿式的，必须依靠可实现紧急制动的备份机制，以防止发生电力故障。
FRSB 的主要功能是按照驾驶员的要求控制摩擦制动量，主要通过两种运行模式进行。正常操作中，智能助力器与车辆的电气传动控制单元相连，以实现再生制动控制和摩擦制动的联合控制。即：智能助力器ECU和电动控制装置一起，根据施加在踏板上的力，将再生制动和摩擦制动力结合起来。采用这种方式，可以在全面考虑汽车的各项配置下，使再生制动力达到最大程度，既提高燃料效率，又能保证汽车的安全和稳定。
比如，当智能助力器的电气/电子功能失效时，会启动FRSB的备份模式。此时摩擦制动力是由驾驶员施加于踏板上的力产生的，可直接在刹车电路循环中产生液压力。此备份模式仅作为车内的紧急制动功能使用，不能用于制动与再生制动联合起作用时。
图3、智能助力器的工作图
智能助力系统的控制逻辑设计是这样的：首先通过踏板上的传感器检测出驾驶员的制动需求，然后以允许的再生制动力范围为基础，在联合制动策略的基础上，计算出目标制动力。然后将此目标值（Fb）输入由外环中的压力控制器和内环中的电流控制器组成的PI校准控制器中。虽然系统的目标参数是液压值，但还需要电流控制功能，以实现对智能助力器永磁同步电动机的控制。
将智能助力器投入测试
进行实验室及车辆实际测试，是为了检查以上两种智能助力系统的实际效用。这两个系统都能在给定的测试条件下呈现令人满意的基础性能。（研发人员只提供了FRSB型的测试数据结果，因为这两种系统的功能运行模式类似）。
设置工作台测试，需用到实际零件架构，比如：踏板、智能助力器、液压管路和卡钳。测试FSB和FRSB这两种类型时，需要结合液压管路来进行设计。需要在91毫秒时间内迅速达到80bar（1160psi）的压力，才能测试出FRSB智能助力器的反应。这款控制器的性能是用正弦波得出的，可以看到在振荡情况下的制动压力测量处于优良状态。
在车辆测试中，智能助力系统就安装在通常放置真空助力器的地方。我们可用一款替代制动装置来模拟再生制动的运行。
首先，测试刹车的感觉性能。这也是踏板模拟器和控制软件的性能之一，主要根据踏板的输入力进行减速。踏板脚踏力对应的减速以及减速对应的踏板冲击力等测试结果，充分体现了软件优化对制动力增加的作用，也证明了要实现更好的总体刹车感，应将机械踏板模拟器的设计改善与软件优化结合起来。
图4、正常刹车时智能助力系统的测试结果
接下来，在正常制动条件下测试前智能助力器系统的制动性能，通过车辆行驶速度、踏板运动、减速和压力增强曲线，减慢车辆行驶速度。这个测试也可以由一个假定的再生制动条件生成，以检查现有系统的制动混合能力的可行性。因为用于测试的是一部标准的内燃机车，没法实现真实的再生制动。因此需要再加一款基于摩擦制动的替代制动设备（额外的汽车助力器），以模拟再生制动的效果。最后，研发人员发现，为满足驾驶员的全部制动需求，需要智能助力器控制的实际摩擦制动力与模拟再生制动量一起作用。
我们也可以计算出当车内的ABS系统被激活时，智能助力器应如何应对。在此情况下，主气缸的压力与智能助力器一起进行控制，车轮的压力由ABS液压部件控制。智能助力器就能充分弥补液压部件激活ABS需用的力。
研发人员总结说：这款新型制动系统的主动控制功能，非常适于制动与再生制动联合的应用情况。工作台和车辆测试的结果，显示了电流系统与再生制动控制相结合的应用潜力。（本文撰写自美国汽车工程师学会（SAE）技术文档（编号2011-01-2356，作者：Mobis公司Hoon Yeo、Changhoe Koo、Wankyo Jung、Dokun Kim及Jae Seung Cheon）。(end)
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(11/2/2012) |
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