黃 璇，張樹培，王國林，何常源

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

再生制動是指裝有再生制動系統(tǒng)的電動汽車或混合動力汽車制動時，車輛的一部分動能經(jīng)再生制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成其他形式的能量儲存于儲能裝置中，同時產(chǎn)生一定的負(fù)荷阻力使車輛減速制動[1]。在制動頻繁的城市工況下，制動過程消耗的能量占整車牽引過程中產(chǎn)生的有效能量的30%～60%[2-3]。與傳統(tǒng)汽車相比，配備再生制動系統(tǒng)的電動汽車或混合動力汽車能夠有效地回收原本被摩擦消耗的能量，可以降低油耗，且改善車輛的燃油經(jīng)濟性[4]。國外對再生制動的研究開展的較早，研究領(lǐng)域主要集中在以下幾個方面：再生制動過程中整車制動綜合建模與仿真；制動能量分配和再生制動、摩擦制動與ABS的綜合協(xié)調(diào)控制；再生制動過程中儲能系統(tǒng)、電機/發(fā)電機和CVT的性能及控制方法。國內(nèi)在再生制動這一研究領(lǐng)域取得了一定結(jié)果，但是還沒有進(jìn)入比較成熟的階段，在許多方面還有待深入研究。目前國內(nèi)外關(guān)于如何科學(xué)地評測再生制動系統(tǒng)一直還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，針對再生制動的評價體系尚未建立。但是在控制策略的研究中，提出的幾種再生制動的評測方法如下：整車測試、臺架試驗和仿真模擬。然而無論是哪種評測方法均存在局限性：整車測試過程中大多采用已有的循環(huán)工況，如NEDC等，而這些工況均針對整車經(jīng)濟性和排放制定的，不能反映汽車運行過程的制動特征，無法有效地反映再生制動效果；臺架試驗僅針對再生制動機構(gòu)，忽略了汽車內(nèi)部其他系統(tǒng)以及實際道路行駛時的風(fēng)阻路阻等對能量回收率的影響；仿真模擬需對每一個測試車輛單獨建模，工作量大，對建模的精確度要求高，數(shù)據(jù)的有效性難以保證。因此需要建立一套針對再生制動系統(tǒng)的全面的評測系統(tǒng)，包括評價指標(biāo)和檢測方法。

筆者針對再生制動制定了一套全面的評價指標(biāo)，并設(shè)計了一套完善的檢測系統(tǒng)，包括硬件部分與軟件部分，在檢測系統(tǒng)搭建的過程中，考慮了檢測設(shè)備的選型及布置、系統(tǒng)的需求與信號的抗干擾及濾波等各方面因素。通過一款北汽純電動汽車進(jìn)行了不同運行環(huán)境下的再生制動實車檢測試驗，驗證了所開發(fā)的評價測試系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

1 再生制動評價指標(biāo)的確定

再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，且具體的結(jié)構(gòu)(主要是機械傳動裝置復(fù)雜多樣)有所不同，但是各種再生制動系統(tǒng)的原理都是將車輛制動時的動能轉(zhuǎn)化為電能，并給蓄電池充電[5]。通過對再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的分析與研究，可將再生制動系統(tǒng)制動能量傳遞路線分成3部分，即：①驅(qū)動車輪-半軸-機械傳動裝置；②電機/發(fā)電機-電機/發(fā)電機控制器-逆變器；③驅(qū)動電池。由于機械傳動裝置結(jié)構(gòu)的多樣性，制動能量在機械結(jié)構(gòu)的傳遞形式復(fù)雜多樣，而無論對于何種能量傳遞路徑的再生制動系統(tǒng)，均通過上述3部分進(jìn)行能量傳遞。

目前對于再生制動的評價指標(biāo)，常用的有以下幾種：制動能量回饋率、能量回收率、回收率、制動能量回收貢獻(xiàn)率[6]。再生制動是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，且在此過程中制動能量需要經(jīng)過多個系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后才能被回收儲存，影響制動能量回收效率的因素和環(huán)節(jié)較多，因此采用上述指標(biāo)來評價制動能量回收效率并不能全面且有針對性的對再生制動系統(tǒng)進(jìn)行評價。例如：制動能量回饋率、能量回收率、回收率都只是片面的考慮了電動機發(fā)出的電能占總制動能量或消耗能量的比例，沒有涉及再生制動系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，且缺乏對再生制動過程中能量流的描述。制動能量回收貢獻(xiàn)率考慮了再生制動與驅(qū)動過程的各方面效率，但只是對電動汽車或混合動力汽車經(jīng)濟性的評價，不是針對再生制動系統(tǒng)的評價。

因此為全面的且有針對性的評價再生制動系統(tǒng)，按照統(tǒng)一的再生制動路線及能量流關(guān)系將建立的評價指標(biāo)分為3部分。

1.1 驅(qū)動車輪-半軸

能量流關(guān)系：再生制動時，通過制動力分配控制策略后，制動能量的部分能量由驅(qū)動車輪傳遞到半軸，以機械能的形式存在，這部分能量可以被回生利用，且能夠反映再生制動控制策略的性能。定義可回生率(制動過程中半軸回生能量占整車動能變化量的百分比)進(jìn)行評價。即：

(1)

式中：Et為半軸回生能量，J；Ez為整車動能變化量，J；T為半軸扭矩，N·m；n為半軸轉(zhuǎn)速，r/min；m為整車質(zhì)量，kg；v0為制動初速度，m/s；v1為制動末速度，m/s.

1.2 半軸-機械傳動裝置-電機/發(fā)電機-電機/發(fā)電機控制器-逆變器

能量流關(guān)系：是將半軸上的機械能通過傳動系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能，取決于再生系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。定義轉(zhuǎn)化率(制動過程中驅(qū)動電池充電能量占半軸回生能量的百分比)進(jìn)行評價。即：

(2)

式中：Er為驅(qū)動電池充電能量，J；U為驅(qū)動電池充電電壓，V；I為驅(qū)動電池充電電流，A。

1.3 逆變器-驅(qū)動電池

能量流關(guān)系：將發(fā)出的電能給予驅(qū)動電池充電，最終以化學(xué)能的形式儲存到電池中，即電池的充電效率，與再生制動系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不大。而且由于電動汽車或混合動力汽車行駛時驅(qū)動電池的SOC(電池電量)是一個動態(tài)的變化過程，在客觀上對于這部分能量很難準(zhǔn)確的檢測。電池的充電效率通常取某類儲能裝置在一定SOC值和溫度下的充放電平均能量效率，對于國內(nèi)大多數(shù)鋰離子動力電池而言，在常用的SOC值范圍(0.2～0.8)內(nèi)平均能量效率在85%～94% ，因此沒有必要對電池的充電效率進(jìn)行額外的評價。

1.4 驅(qū)動車輪-逆變器

能量流關(guān)系：再生制動時，通過制動力分配控制策略，制動能量由驅(qū)動車輪傳遞到半軸，經(jīng)過傳動系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能。此路線基本關(guān)聯(lián)了再生制動系統(tǒng)所有子系統(tǒng)，反映再生制動系統(tǒng)整體的制動能量回收效率。定義回生率(制動過程中驅(qū)動電池充電能量占整車動能變化量的百分比)進(jìn)行評價。即：

(3)

2 檢測系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

所研發(fā)的檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件部分包含計算機、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及傳感器等，用于測量所需要的各項數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸和處理。軟件系統(tǒng)則是由LabVIEW與C語言聯(lián)合編制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要功能有數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)顯示、評價指標(biāo)計算等，用于收集和分析所檢測數(shù)據(jù)。

2.2 檢測參數(shù)的確定

為了獲取各評價指標(biāo)，根據(jù)式(1)～式(3)，構(gòu)建的檢測系統(tǒng)需要分別檢測制動半軸扭矩及車輪轉(zhuǎn)速(驅(qū)動車輪左右兩側(cè))與驅(qū)動電池的充電電流及電壓，車速由車輪轉(zhuǎn)速換算，即可得到各個評價指標(biāo)，同時為了獲取不同工況下的再生制動評價指標(biāo)，還需要檢測制動踏板力與整車加速度。

2.3 檢測系統(tǒng)硬件部分

根據(jù)確定的檢測參數(shù)，需選取相應(yīng)的傳感器。為此，對現(xiàn)有的電動汽車和混合動力汽車的主要參數(shù)進(jìn)行了廣泛地調(diào)研，根據(jù)所測參數(shù)的形式及測量范圍，選取的傳感器如表1。

表1 選取的傳感器Table 1 Selection of sensor

選取的檢測設(shè)備如圖1。

圖1 選取的傳感器Fig.1 Selection of sensor

其中針對半軸扭矩的測量方式采用的是應(yīng)變式半軸鉆孔測量系統(tǒng)。在等速萬向節(jié)靠近輪轂一側(cè)徑向開孔，同時在軸端中心軸處開孔，兩孔貫通(等速萬向節(jié)與半軸軸頭端間為一空心空間，且僅有半軸軸頭端與車輪輪轂接觸)，將應(yīng)變片信號線引出，并通過MSC滑環(huán)將信號傳遞給應(yīng)變儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與其他方法相比，此測量方式更精確，誤差小且抗干擾性強。

根據(jù)所要測量的物理量和各個型式的傳感器，研發(fā)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括一塊內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、應(yīng)變儀及裝有16個數(shù)據(jù)傳輸通道接口的固定式數(shù)據(jù)采集箱。其中應(yīng)變儀為兩通道，是為了完成對半軸扭矩信號的后期處理任務(wù)；數(shù)據(jù)采集卡包括16路模擬輸入通道、8路DI、8路DO、2路AO和1路32位計數(shù)器，分辨率為12位，采樣頻率可達(dá)150 kS/s，其性能可完全滿足要求。

根據(jù)能精確測量(主要是避免外界干擾)而又容易實現(xiàn)安裝的原則，確定傳感器的布置位置：電壓傳感器接于驅(qū)動電池正負(fù)極；電流傳感器裝夾于驅(qū)動電池輸入端；踏板力傳感器固定緊貼于踏板；陀螺儀固定在車輛質(zhì)心附近；MSC滑環(huán)與轉(zhuǎn)速傳感器布置在驅(qū)動輪輪轂外側(cè)。

2.4 軟件系統(tǒng)的開發(fā)

軟件平臺的開發(fā)選用的是NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行編譯[7]。根據(jù)系統(tǒng)功能的需求，LabVIEW軟件平臺由以下幾部分組成：控制平臺、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲?？刂破脚_完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時控制，控制界面可顯示各所測參數(shù)的變化及各評價指標(biāo)的計算結(jié)果；數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)信號與數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)連接與傳輸；數(shù)據(jù)濾波對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，避免數(shù)據(jù)采集中存在跳動及隨機信號的干擾；數(shù)據(jù)處理對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算各評價指標(biāo)；數(shù)據(jù)存儲完成對各參數(shù)及評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)存儲任務(wù)。LabVIEW軟件平臺控制界面如圖2。

圖2 LabVIEW軟件平臺控制界面Fig.2 Control interface of LabVIEW software platform

2.5 檢測平臺的搭建

2.5.1 系統(tǒng)的標(biāo)定

由于半軸扭矩需要根據(jù)具體的車型進(jìn)行標(biāo)定，因此首先制定半軸扭矩的標(biāo)定方法[8]如下：為了防止標(biāo)定的過程中半軸出現(xiàn)滑動，將需要標(biāo)定的半軸一端夾持在穩(wěn)固的基座上，另一端懸一個剛性杠桿，確定剛性杠桿的初始位置并將其進(jìn)行標(biāo)記與定位，在杠桿上的某一位置掛已知質(zhì)量為m的砝碼，并測量所掛砝碼位置至半軸軸線的距離L，通過采集系統(tǒng)測量此時半軸的應(yīng)變量ε，即可得到半軸扭矩的標(biāo)定系數(shù)為：

(4)

式中：m為砝碼質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 N/kg；L為砝碼位置至半軸軸線的距離，m；ε為半軸應(yīng)變量。

確定由各傳感器傳輸?shù)男盘柦y(tǒng)一輸出為電壓模擬信號，其他傳感器的標(biāo)定系數(shù)已由各廠家經(jīng)過標(biāo)定后提供，如表2。

表2 傳感器的標(biāo)定系數(shù)Table 2 Calibration coefficient of the sensor

2.5.2 采樣頻率的確定

考慮到各傳感器頻率及所采集的數(shù)據(jù)量必須能夠反映所測參數(shù)的需求，因此確定采集系統(tǒng)的采樣頻率為100 Hz。

2.5.3 采集系統(tǒng)接口的布置形式

目前已用的采樣通道數(shù)為8路模擬輸入，未用的8路通道是備用接口，采集系統(tǒng)各接口的布置形式如圖3。

圖3 采集系統(tǒng)各接口的布置形式Fig.3 Layout of acquisition system interface

3 再生制動檢測試驗

為了檢驗所研發(fā)的評價測試系統(tǒng)的可靠性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用北汽純電動汽車E150分別進(jìn)行常態(tài)制動工況、持續(xù)運行工況及極限工況下3類實車檢測試驗，通過試驗數(shù)據(jù)的處理與分析來對檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行評價。

3.1 半軸扭矩的標(biāo)定

采用的檢測車型是北汽純電動汽車E150，根據(jù)半軸扭矩標(biāo)定方法，首先進(jìn)行半軸扭矩的標(biāo)定。為了能夠準(zhǔn)確的測定半軸的標(biāo)定系數(shù)，采用多次測量求平均的方法，分別將質(zhì)量為5，10 kg的砝碼懸掛于杠桿的不同位置進(jìn)行多次標(biāo)定，最終求出測量的平均標(biāo)定系數(shù)。標(biāo)定過程如圖4。

圖4 半軸扭矩標(biāo)定過程Fig.4 Calibration process of half shaft torque

根據(jù)半軸標(biāo)定結(jié)果，最終確定的半軸平均標(biāo)定系數(shù)為4.42 N·m/με(左右兩側(cè)半軸為同一型號)。

3.2 檢測設(shè)備的安裝

采用的檢測車型是北汽純電動汽車E150，整車質(zhì)量為1 400 kg，車身長度3.998 m，車身高度1.503 m，軸距2.5 m等。通過對北汽純電動汽車E150結(jié)構(gòu)及空間的分析，根據(jù)所確定的檢測設(shè)備布置位置，將檢測設(shè)備分別安裝于車輛指定的位置并進(jìn)行接線。各傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備布置形式如圖5。

圖5 傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備布置形式Fig.5 Arrangement of sensors and data acquisition equipment

3.3 常態(tài)制動工況試驗

此類試驗在中國汽車技術(shù)研究中心進(jìn)行，在滿足GB/T 12534有關(guān)規(guī)定的試驗條件下，由北汽純電動汽車E150以不同制動初速度及不同制動減速度進(jìn)行常規(guī)下的制動試驗，通過分析所測參數(shù)的變化趨勢與再生制動評價指標(biāo)來進(jìn)行常態(tài)制動工況下檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)的評價。

3.3.1 試驗數(shù)據(jù)處理

圖6是電池初始SOC為50%時，制動踏板力為10 N左右，制動初速度為45 km/h，制動減速度為1.0 m/s2左右的輕度制動各參數(shù)變化圖。

圖6 輕度制動各參數(shù)變化Fig.6 Change of mild braking parameters

從圖6中可看出，制動過程持續(xù)11 s左右，電池電壓在350 V上下小幅度波動，左右兩側(cè)的半軸扭矩基本對稱，當(dāng)車速減速到15 km/h左右時，電流驟然下降到0，此時再生制動系統(tǒng)關(guān)閉，不再進(jìn)行能量回生，因此該款電動汽車設(shè)計的控制策略能量回生條件為制動初速度大于15 km/h，與此車的出廠設(shè)置一致。再生制動各評價指標(biāo)計算結(jié)果如表3。

表3 評價指標(biāo)結(jié)果Table 3 Result of evaluation index

圖7是電池初始SOC為55%時，制動踏板力為25 N左右，制動初速度為45 km/h，制動減速度為2.1 m/s2左右的中度制動各參數(shù)變化圖。

圖7 中度制動各參數(shù)變化Fig.7 Change of moderate braking parameters

從圖7中可看出，制動過程持續(xù)6 s左右，電池電壓在350 V上下小幅度波動，左右兩側(cè)的半軸扭矩基本對稱，當(dāng)車速減速到15 km/h左右時，再生制動系統(tǒng)關(guān)閉，不再進(jìn)行能量回生。各評價指標(biāo)計算結(jié)果如表4。

表4 評價指標(biāo)結(jié)果Table 4 Result of evaluation index

由表3、表4可看出，與制動初速度45 km/h時制動減速度為1.0 m/s2輕度制動各評價指標(biāo)結(jié)果相比，2.1 m/s2中度制動可回生率與回生率有所下降，而轉(zhuǎn)化率相近，這是因為中度制動時由控制策略分配的再生制動力減少，而轉(zhuǎn)化率只取決于傳動系統(tǒng)傳遞效率及發(fā)電系統(tǒng)的效率，這部分效率應(yīng)為恒定值，所以各參數(shù)變化趨勢與評價指標(biāo)為正常。

3.3.2 試驗結(jié)果分析

進(jìn)行大量的常態(tài)制動工況試驗后，通過分析試驗數(shù)據(jù)與評價指標(biāo)結(jié)果可得出：在不同的常態(tài)制動工況中各參數(shù)變化趨勢及評價指標(biāo)正常，而系統(tǒng)又經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)定，所以在常態(tài)制動工況下，所建立的評價測試系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。

3.4 持續(xù)運行工況試驗

此類試驗由北汽純電動汽車E150在天津市區(qū)按照指定的路線進(jìn)行長時間的道路試驗，通過分析所測參數(shù)與評價指標(biāo)來進(jìn)行持續(xù)運行工況下檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)的評價。

3.4.1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由北汽純電動汽車E150在天津市區(qū)進(jìn)行了長達(dá)3 h的道路試驗，在試驗中未出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及檢測系統(tǒng)故障等問題，計算出道路試驗的再生制動評價指標(biāo)的結(jié)果如表5。

表5 評價指標(biāo)結(jié)果Table 5 Result of evaluation index

由表5可看出，各評價指標(biāo)結(jié)果正常，轉(zhuǎn)化率恒為80%左右。

3.4.2 試驗結(jié)果分析

通過分析試驗數(shù)據(jù)與評價指標(biāo)可得出：在長時間的持續(xù)運行工況下，未出現(xiàn)檢測異?，F(xiàn)象，且試驗參數(shù)及評價指標(biāo)正常，所建立的評價測試系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性良好。

3.5 極限工況試驗

此類試驗在北京通縣試驗場進(jìn)行，由北汽純電動汽車E150按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7258《機動車運行安全技術(shù)條件》規(guī)定的測試方法進(jìn)行試驗，通過分析所測參數(shù)的變化趨勢與再生制動評價指標(biāo)來進(jìn)行極限工況下檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)的評價。

3.5.1 試驗數(shù)據(jù)處理

圖8是電池初始SOC為65%時，制動踏板力為250 N左右，制動初速度為80 km/h，制動減速度為7.54 m/s2的極限制動各參數(shù)變化圖。

圖8 極限制動各參數(shù)變化Fig.8 Change of extremity braking parameters

再生制動各評價指標(biāo)計算結(jié)果如表6。

表6 評價指標(biāo)結(jié)果Table 6 Result of evaluation index

由表6可看出，可回生率與回生率有較大幅度減小，這是由于極限制動制動強度較大，考慮到安全性，絕大部分制動力由機械制動力提供，而再生制動力很小，因此檢測系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地檢測各參數(shù)及評價指標(biāo)。

3.5.2 試驗結(jié)果分析

進(jìn)行多次的極限工況試驗后，通過分析試驗數(shù)據(jù)與評價指標(biāo)可得出：在極限工況下，各參數(shù)及評價指標(biāo)正常，未出現(xiàn)檢測異常現(xiàn)象，所建立的評價測試系統(tǒng)具有良好的可靠性與穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1) 筆者開發(fā)的再生制動評價測試系統(tǒng)具有通用性和實用性，可對各種電動汽車和混合動力汽車再生制動系統(tǒng)進(jìn)行評測。制定的再生制動評價指標(biāo)針對再生制動系統(tǒng)各個部分，可全面且具體的對其進(jìn)行評價。設(shè)計了一套包括硬件與軟件部分的完善的檢測系統(tǒng)，硬件部分考慮了檢測設(shè)備的選型及布置、系統(tǒng)的功能需求與信號的抗干擾等各方面因素，軟件部分采用LabVIEW軟件作為開發(fā)平臺，應(yīng)用模塊化的設(shè)計，更利于信號的采集、調(diào)理及濾波。

2) 通過進(jìn)行再生制動實車檢測試驗，開發(fā)的評價測試系統(tǒng)在常態(tài)制動工況、持續(xù)運行工況及極限工況3類試驗中，檢測參數(shù)與評價指標(biāo)結(jié)果正常，未出現(xiàn)檢測異?，F(xiàn)象，驗證了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

3) 該評價測試系統(tǒng)作為評價電動汽車和混合動力汽車再生制動的一個有效平臺，為今后再生制動的研究奠定了基礎(chǔ)。

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