七、制动助力与再生制动

1.电动真空助力制动

传统内燃机轿车的真空助力装置的真空源来自发动机进气歧管,真空度一般可达到0.05~0.07MPa。对于由传统车型改型而成的纯电动汽车或燃料电池汽车,发动机总成被拆除后,制动系统由于没有真空动力源而丧失真空助力功能,仅由人力所产生的制动力无法满足行车制动的需要,因此需要对制动系统真空助力装置进行改制,而改制的核心问题是产生足够压力的真空源。为了产生足够的真空,除了一个具有足够排气量的电动真空泵外,为了节能和可靠,还要为电动真空泵电动机设计合适的工作时间。为达到与内燃机汽车相同的真空度要求,电动真空泵需在4~5s内产生50kPa以上的真空度。

如图1⁃51所示,电动真空助力器安装于制动踏板和制动主缸之间,由踏板通过推杆直接操纵。助力器与踏板产生的力叠加在一起作用在制动主缸推杆上,以提高制动主缸的输出压力。真空助力器由带有橡胶膜片的活塞分为前室与后室(大气阀打开时可与大气相通),一般常压室的真空度为60~80kPa(即真空泵可以提供的真空度大小)。真空助力器所能提供助力的大小取决于其常压室与变压室气压差值的大小。当变压室的真空度达到外界大气压时,真空助力器可以提供最大的制动助力。真空泵产生的真空度的大小及速度关系到真空助力器的工作状态,真空泵的容量大小关系到助力器的性能,进而影响到制动系统在各种工况下能否正常工作。

图1⁃51　电动真空助力制动系统的基本构成

电动真空助力制动系统的控制过程如下:

① 接通汽车12V电源,压力延时开关闭合,真空泵大约工作30s后开关断开,此时真空罐内真空度约为80kPa。

② 当真空罐内真空度降低到55kPa时,压力延时开关再次闭合。

③ 当真空罐内真空度降低到34kPa时,压力报警器发出信号。

④ 如果真空泵控制开关有很明显的短时间开启和关闭,说明发生了泄漏。

根据这个控制策略,设计了间歇性真空发生系统,该系统的基本工作原理是:当驾驶人发动汽车时,12V电源接通,压力延时开关和压力报警器开始压力自检,如果真空罐内的真空度小于55kPa,压力膜片将会挤压触点,从而接通电源,真空泵开始工作;当真空度增加到55kPa时,压力延时开关断开,然后通过延时继电器使真空泵继续工作大约30s后停止;每次驾驶人有制动动作时,压力延时开关都会自检,从而判断电动真空泵是否应该工作;如果真空罐内的真空度低于34kPa,真空助力器不能提供有效的真空助力,此时压力报警器将会发出信号,提醒驾驶人注意行车速度。

电动真空泵控制也可采用电控单元控制,只要把压力开关换成绝对压力传感器,电动真空泵由控制单元控制继电器控制即可。国内的一些纯电动汽车里,采用了由真空助力器真空度传感器、整车控制器ECU、电动真空泵工作继电器、真空泵电动机组成的一个闭环真空度控制系统,保证制动时真空助力器的正常工作。

2.再生制动

再生制动是电动汽车所独有的,在减速制动或者下坡时将车辆的部分动能转化为电能,转化的电能储存在储存装置中(如各种动力电池、超级电容和超高速飞轮),最终增加电动汽车的行驶里程。如果储能器已经被完全充满,再生制动就不能实现,所需的制动力就只能由常规的液压制动系统来提供。现在几乎所有的电动汽车都安装了再生液压制动系统,从而可节约制动能、回收部分制动动能,并为驾驶人提供常规制动性能。图1⁃52所示为电动汽车能量转换图。

图1⁃52　电动汽车能量转换图

一般而言,当电动汽车减速、在公路上放松加速踏板巡航或踩下制动踏板停车时,再生制动系统启动。正常减速时,再生制动的力矩通常保持在最大负荷状态。电动汽车高速巡航时,其驱动电机一般是在恒功率状态下运行,驱动力矩与驱动电机的转速或者车辆速度成反比,因此,恒功率下驱动电机的转速越高,再生制动的能力就越低。当踩下制动踏板时,驱动电机通常运行在低速状态,由于在低速时,电动汽车的动能不足以为驱动电机提供能量来产生最大的制动力矩,因而再生制动能力也就会随着车速降低而减小。

图1⁃53　再生制动和液压制动曲线图

图1⁃53所示为电动汽车的再生制动和液压制动曲线图,电动汽车的再生制动力矩通常不能像传统内燃机汽车中的制动系统一样提供足够的制动减速度,所以,在电动汽车中,再生制动和液压制动系统通常共同存在。只有当再生制动已经达到了最大制动能力而且还不能满足制动要求时,液压制动才起作用。