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摘 要：本文将某款后驱电动车作为研究对象，重点研究了代替真空助力器的ibooster电子机械助力器、制动能量回收过程中的制动力分配策略、电机再生制动与ESC液压制动协调控制等，通过实车道路和转鼓测试，对比了NEDC工况、CLTC工况、城市工况下的能量回收贡献率，试验结果表明，同一工况下，ibooster系统至少能提高能量回收率1.3%左右，在CLTC工况下能量回收贡献率最大。
关键词：纯电动汽车 ibooster 能量回收贡献 工况研究
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
纯电动汽车具有零排放、噪音小等优点，适合在城市内代步。同时，纯电动车采用电机驱动，行驶平顺，无换挡顿挫，车辆起步和加速性能好。当前电动车发展迅速，要真正实现市场化，代替传统燃油车，需要克服纯电动车存在的缺点，其中续驶里程是制约电动车全面普及的重要因素，在提高电池能量密度的技术未突破前，提高电池能量利用率是一个可行的研究方向。研究表明，传统燃油车在城市工况下行驶，大概1/3到1/2的能量在制动过程中转化为热能消耗[1-2]。
纯电动车在制动的过程中可利用电机反拖回收部分制动能量，目前市场上应用的能量回收系统一般为并联能量回收系统，并联能量回收系统对电机回收扭矩和液压制动力不能进行实时分配，当刹车踏板踩下，电机回收扭矩不能随刹车踏板深度变化加大回收扭矩，导致可回收的制动能量偏低。本文利用奇瑞某乘用车平臺资源，基于图1所示的串联能量回收系统，该系统主要由、、构成，研究了能量回收策略，经过续航测试标准NEDC工况、我国最新研制的CLTC工况以及奇瑞新能源针对城市道路研制的城市工况能量回收率验证，能量回收效果较好，对纯电动汽车续航的提升有一定意义。
为全面验证该传统车辆由于发动机能够提供真空度，因此大部分传统制动系统采用真空助力器。制动踏板力经过真空助力器的助力作用，以更大的力输入到主缸，产生液压制动力，从而使车辆减速。随着车辆发展越来越智能化，纯电动汽车无法提供真空度，这些因素推动了制动系统发展，ibooster系统不仅能实现助力器功能，还可以对制动踏板进行助力，同时在制动过程中可以高效、实时分配制动扭矩，一定程度提升了能量回收贡献率，保证了车辆制动安全。
2 ibooster结构原理介绍
如图1所示，ibooster电子机械助力器结构主要由助力电机、助力传动、反馈盘、踏板推杆、主缸推杆等组成，助力传动由齿轮副、滚珠丝杠、助力阀体组成。助力电机采用永磁同步电机，具有体积小、效率高等优点。助力电机的控制由电机控制器来实现，根据踏板推杆的位移、踏板力等，控制助力电机的转速和输出扭矩。齿轮副与滚珠丝杠组成二级传动机构，齿轮副对助力电机的转速及输出扭矩有降速增扭作用，滚珠丝杠把齿轮副传输的电机转速转化为位移，同时传递电机扭矩。滚珠丝杠带动助力阀体沿着制动主缸方向做直线运动。助力阀体安装在滚珠丝杠内，踏板推杆安装在助力阀体内。
当无制动操作时，踏板推杆与助力阀体之间存在一定的间隙。当有制动操作时，踏板推杆与助力阀体共同作用于反馈盘，反馈盘输出作用在主缸推杆上，从而在制动主缸上产生制动压力，实现电机助力的功能。
由于助力扭矩是由电机提供的，通过ibooster控制器可以对助力电机输出扭矩大小进行控制。
3 ibooser能量回收策略研究
驾驶员踩制动踏板，输入推杆产生位移，踏板行程传感器检测到输入推杆的位移，并将该位移信号发送至ibooster控制器，控制器计算出电机应产生的电制动扭矩，同时根据制动推杆行程，模拟制动踏板力，保证制动过程中用户体验。 电制动扭矩由电机发电来实现，电机发电一部分输送至电池进行充电，一部分可能用于高压负载消耗（高压负载如空调等开启条件下），因此电池的回收效果主要受电池、电机、高压负载等因素影响，其中电池影响最大，因电池的充电能力受SOC（state of charge，荷电状态）、温度、电压等影响，SOC越低，充电能力越强，温度越低，电池活性越差，充电能力也越差，当电池温度低至一定程度，某些电芯甚至不允许充电，进而无法实现能量回收功能。
因此， ibooster控制器需要实时了解电池的充电能力、电机的发电能力才能进行合理的液压、电制动扭矩分配，才能有效提高车辆的经济性和行驶安全性。
4 ibooster能量回收策略方案
BMS根据车速、电池允许充电功率、温度等条件计算当前可用的允许充电扭矩，VCU（整车控制器）实时发送车速、ABS激活标志位、电制动可回收扭矩等至IBS（ibooster控制器），IBS根据总的制动需求扭矩分解出需求电制动扭矩，将该信号发送至VCU，该扭矩不应高于制动安全扭矩，VCU转发该信号至MCU（motor control unit）执行，具体实施方案如下：
①BMS（battery management system）根据电池温度、SOC等条件，计算当前允许充电扭矩，并将该扭矩信号和允许充电标志位信号发送至VCU;
②VCU将车速信号、ABS激活信号、允许充电扭矩信号、允许充电标志位信号发送给IBS;
③IBS根据制动踏板行程计算目标总制动扭矩，若电制动允许扭矩大于目标总制动扭矩，总制动扭矩由电制动来实现，液压制动不参与，IBS请求VCU执行的电制动扭矩为目标总制动扭矩;若电制动允许扭矩小于目标总制动扭矩，IBS请求VCU执行电机允许制动扭矩，剩余不足部分由液压制动来实现。
④VCU根据IBS请求的电制动扭矩信号，请求MCU控制电机进行发电，实现电制动控制。
5 工况验证
基于上述功能开发策略，进行软件开发，并通过实车进行了软件参数标定、优化。选择某款车型的两种配置进行验证，一辆不带IBS系统，另一辆带IBS系统，其余车辆软件、硬件配置无差异，围绕城市工况、NEDC工况、CLTC工况进行对比测试研究。
通过试验测试数据分析（见表1）， NEDC工况下，IBS系统能量回收率提升1.34%，CLTC工况下，IBS系统能量回收率提升3.88%，城市工況下，IBS系统能量回收率提升3.19%，ibooster系统能量回收策略能显著提高能量回收率，由于CLTC工况减速度段较多，因此相比其他两个工况，ibooster系统在CLTC工况下对续航有显著影响。
6 结论
（1）本文对ibooster系统进行了原理研究，提出了基于驾驶员需求的扭矩分配策略，保证了制动安全性和刹车能量的合理利用。
（2）针对功能策略进行了软件标定参数优化，并进行CLTC、NEDC、城市道路工况的测试对比验证，CLTC工况贡献率较大。
（3）本文对ibooster系统在各个工况下的应用开发具有一定指导意义。
本论文由2019年度安徽省科技重大专项《基于eMT和电驱动融合的高效新能源汽车研发及产业化》（项目编号：201903a05020062）项目基金资助。
参考文献：
[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.电动汽车最佳能量回收并联再生制动策略研究[D].湖南大学，2017.
关键词：纯电动汽车 ibooster 能量回收贡献 工况研究
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
纯电动汽车具有零排放、噪音小等优点，适合在城市内代步。同时，纯电动车采用电机驱动，行驶平顺，无换挡顿挫，车辆起步和加速性能好。当前电动车发展迅速，要真正实现市场化，代替传统燃油车，需要克服纯电动车存在的缺点，其中续驶里程是制约电动车全面普及的重要因素，在提高电池能量密度的技术未突破前，提高电池能量利用率是一个可行的研究方向。研究表明，传统燃油车在城市工况下行驶，大概1/3到1/2的能量在制动过程中转化为热能消耗[1-2]。
纯电动车在制动的过程中可利用电机反拖回收部分制动能量，目前市场上应用的能量回收系统一般为并联能量回收系统，并联能量回收系统对电机回收扭矩和液压制动力不能进行实时分配，当刹车踏板踩下，电机回收扭矩不能随刹车踏板深度变化加大回收扭矩，导致可回收的制动能量偏低。本文利用奇瑞某乘用车平臺资源，基于图1所示的串联能量回收系统，该系统主要由、、构成，研究了能量回收策略，经过续航测试标准NEDC工况、我国最新研制的CLTC工况以及奇瑞新能源针对城市道路研制的城市工况能量回收率验证，能量回收效果较好，对纯电动汽车续航的提升有一定意义。
为全面验证该传统车辆由于发动机能够提供真空度，因此大部分传统制动系统采用真空助力器。制动踏板力经过真空助力器的助力作用，以更大的力输入到主缸，产生液压制动力，从而使车辆减速。随着车辆发展越来越智能化，纯电动汽车无法提供真空度，这些因素推动了制动系统发展，ibooster系统不仅能实现助力器功能，还可以对制动踏板进行助力，同时在制动过程中可以高效、实时分配制动扭矩，一定程度提升了能量回收贡献率，保证了车辆制动安全。
2 ibooster结构原理介绍
如图1所示，ibooster电子机械助力器结构主要由助力电机、助力传动、反馈盘、踏板推杆、主缸推杆等组成，助力传动由齿轮副、滚珠丝杠、助力阀体组成。助力电机采用永磁同步电机，具有体积小、效率高等优点。助力电机的控制由电机控制器来实现，根据踏板推杆的位移、踏板力等，控制助力电机的转速和输出扭矩。齿轮副与滚珠丝杠组成二级传动机构，齿轮副对助力电机的转速及输出扭矩有降速增扭作用，滚珠丝杠把齿轮副传输的电机转速转化为位移，同时传递电机扭矩。滚珠丝杠带动助力阀体沿着制动主缸方向做直线运动。助力阀体安装在滚珠丝杠内，踏板推杆安装在助力阀体内。
当无制动操作时，踏板推杆与助力阀体之间存在一定的间隙。当有制动操作时，踏板推杆与助力阀体共同作用于反馈盘，反馈盘输出作用在主缸推杆上，从而在制动主缸上产生制动压力，实现电机助力的功能。
由于助力扭矩是由电机提供的，通过ibooster控制器可以对助力电机输出扭矩大小进行控制。
3 ibooser能量回收策略研究
驾驶员踩制动踏板，输入推杆产生位移，踏板行程传感器检测到输入推杆的位移，并将该位移信号发送至ibooster控制器，控制器计算出电机应产生的电制动扭矩，同时根据制动推杆行程，模拟制动踏板力，保证制动过程中用户体验。 电制动扭矩由电机发电来实现，电机发电一部分输送至电池进行充电，一部分可能用于高压负载消耗（高压负载如空调等开启条件下），因此电池的回收效果主要受电池、电机、高压负载等因素影响，其中电池影响最大，因电池的充电能力受SOC（state of charge，荷电状态）、温度、电压等影响，SOC越低，充电能力越强，温度越低，电池活性越差，充电能力也越差，当电池温度低至一定程度，某些电芯甚至不允许充电，进而无法实现能量回收功能。
因此， ibooster控制器需要实时了解电池的充电能力、电机的发电能力才能进行合理的液压、电制动扭矩分配，才能有效提高车辆的经济性和行驶安全性。
4 ibooster能量回收策略方案
BMS根据车速、电池允许充电功率、温度等条件计算当前可用的允许充电扭矩，VCU（整车控制器）实时发送车速、ABS激活标志位、电制动可回收扭矩等至IBS（ibooster控制器），IBS根据总的制动需求扭矩分解出需求电制动扭矩，将该信号发送至VCU，该扭矩不应高于制动安全扭矩，VCU转发该信号至MCU（motor control unit）执行，具体实施方案如下：
①BMS（battery management system）根据电池温度、SOC等条件，计算当前允许充电扭矩，并将该扭矩信号和允许充电标志位信号发送至VCU;
②VCU将车速信号、ABS激活信号、允许充电扭矩信号、允许充电标志位信号发送给IBS;
③IBS根据制动踏板行程计算目标总制动扭矩，若电制动允许扭矩大于目标总制动扭矩，总制动扭矩由电制动来实现，液压制动不参与，IBS请求VCU执行的电制动扭矩为目标总制动扭矩;若电制动允许扭矩小于目标总制动扭矩，IBS请求VCU执行电机允许制动扭矩，剩余不足部分由液压制动来实现。
④VCU根据IBS请求的电制动扭矩信号，请求MCU控制电机进行发电，实现电制动控制。
5 工况验证
基于上述功能开发策略，进行软件开发，并通过实车进行了软件参数标定、优化。选择某款车型的两种配置进行验证，一辆不带IBS系统，另一辆带IBS系统，其余车辆软件、硬件配置无差异，围绕城市工况、NEDC工况、CLTC工况进行对比测试研究。
通过试验测试数据分析（见表1）， NEDC工况下，IBS系统能量回收率提升1.34%，CLTC工况下，IBS系统能量回收率提升3.88%，城市工況下，IBS系统能量回收率提升3.19%，ibooster系统能量回收策略能显著提高能量回收率，由于CLTC工况减速度段较多，因此相比其他两个工况，ibooster系统在CLTC工况下对续航有显著影响。
6 结论
（1）本文对ibooster系统进行了原理研究，提出了基于驾驶员需求的扭矩分配策略，保证了制动安全性和刹车能量的合理利用。
（2）针对功能策略进行了软件标定参数优化，并进行CLTC、NEDC、城市道路工况的测试对比验证，CLTC工况贡献率较大。
（3）本文对ibooster系统在各个工况下的应用开发具有一定指导意义。
本论文由2019年度安徽省科技重大专项《基于eMT和电驱动融合的高效新能源汽车研发及产业化》（项目编号：201903a05020062）项目基金资助。
参考文献：
[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.电动汽车最佳能量回收并联再生制动策略研究[D].湖南大学，2017.