何暢然，王國(guó)業(yè)，張　露，邢智超，張忠富，龔章鵬

前言

研究表明，城市工況下行駛車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中大約損失驅(qū)動(dòng)車(chē)輛所需能量的50%左右，即使在郊區(qū)工況能量損失也接近20%[1-2]。隨著電動(dòng)汽車(chē)對(duì)車(chē)載能源技術(shù)的需求越來(lái)越迫切，電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收技術(shù)，即再生制動(dòng)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

目前，電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)主要采用電機(jī)再生制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)[3-4]。電機(jī)再生制動(dòng)與摩擦制動(dòng)主要有并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)形式，其中并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是在車(chē)輛原有制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上線(xiàn)性疊加再生制動(dòng)力矩，串聯(lián)式結(jié)構(gòu)需改變?cè)?chē)制動(dòng)系統(tǒng)，將目標(biāo)制動(dòng)力矩分解成再生制動(dòng)力矩和摩擦制動(dòng)力矩。文獻(xiàn)[4]中針對(duì)采用串聯(lián)式再生制動(dòng)系統(tǒng)的后軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)貨車(chē)進(jìn)行了再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)分配機(jī)理研究，基于理想I曲線(xiàn)提出了一種具有較好踏板感覺(jué)的制動(dòng)力分配方法。文獻(xiàn)[5]中基于電機(jī)、電池模型和ECE法規(guī)提出一種液壓制動(dòng)力和再生制動(dòng)力分配策略。文獻(xiàn)[6]中將再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量直接作為EMB的促動(dòng)能，縮短了能量傳遞路徑，提高了能量回收率。

現(xiàn)行再生制動(dòng)系統(tǒng)需要再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、消耗促動(dòng)能量、控制參量多、協(xié)調(diào)控制難度大、能量回收率不高等問(wèn)題[7-10]。

結(jié)合現(xiàn)代機(jī)電控制技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文中提出一種新型再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)，將再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)集成，僅通過(guò)線(xiàn)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)操縱，在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋控制的同時(shí)，摩擦制動(dòng)適時(shí)參與，不消耗額外摩擦促動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)機(jī)電磁集成線(xiàn)控再生制動(dòng)。

1　再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)

基于機(jī)-電-磁耦合作用機(jī)理，利用線(xiàn)控制動(dòng)與再生制動(dòng)優(yōu)點(diǎn)[11]，建立再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)，即電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)集成線(xiàn)控系統(tǒng)，如圖1所示。

制動(dòng)時(shí)，離合器14斷開(kāi)，通過(guò)電子踏板控制制動(dòng)強(qiáng)度，即回饋電量，通過(guò)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載蓄電裝置充電；電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)車(chē)輪進(jìn)行電磁制動(dòng)，電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞路線(xiàn)(如圖1中實(shí)心箭頭所示)為:電機(jī)定子10→電機(jī)轉(zhuǎn)子11→電磁離合器Ⅱ13→齒輪組Ⅱ12→促動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸9(促動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸9與齒輪組Ⅱ12從動(dòng)齒輪固連)→螺桿7(螺桿7和促動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸9采用滑動(dòng)花鍵聯(lián)接)→螺母6(螺桿7和螺母6為滾珠絲杠副非自鎖螺旋配合)→齒輪組Ⅰ15(齒輪組Ⅰ15主動(dòng)齒輪與螺母6固連)→電磁離合器Ⅰ16→傳動(dòng)軸17→車(chē)輪1。

圖1　再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

螺桿7和螺母6在傳遞電磁制動(dòng)的同時(shí)，產(chǎn)生軸向推力，作為摩擦制動(dòng)促動(dòng)力，摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳遞路線(xiàn)(如圖1中空心箭頭所示)為:螺母6和螺桿7→推力軸承8→摩擦制動(dòng)回位彈性元件5→制動(dòng)推進(jìn)柱4→制動(dòng)鉗2→制動(dòng)盤(pán)3→傳動(dòng)軸17→車(chē)輪1。

低制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，由于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩較小，螺母6和螺桿7產(chǎn)生的螺旋推力小于摩擦制動(dòng)回位彈性元件5最大彈性力，無(wú)法推動(dòng)制動(dòng)推進(jìn)柱4消除制動(dòng)鉗2和制動(dòng)盤(pán)3之間的制動(dòng)間隙，因此不產(chǎn)生摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)僅通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)處于電磁制動(dòng)工作模式。

高制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩較大，螺母6和螺桿7產(chǎn)生的螺旋推力足以克服摩擦制動(dòng)回位彈性元件5最大彈性力，推動(dòng)制動(dòng)推進(jìn)柱4消除制動(dòng)鉗2與制動(dòng)盤(pán)3間的制動(dòng)間隙，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩共同作用于車(chē)輪形成耦合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)系統(tǒng)處于耦合制動(dòng)工作模式。

再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)基于電能回饋產(chǎn)生的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)裝置對(duì)車(chē)輪提供電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)以電磁轉(zhuǎn)矩為促動(dòng)力產(chǎn)生摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在不消耗額外摩擦制動(dòng)促動(dòng)能的前提下實(shí)現(xiàn)摩擦制動(dòng)。因此，通過(guò)控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可實(shí)現(xiàn)不同制動(dòng)強(qiáng)度的制動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)輛制動(dòng)性能的需要。

2　系統(tǒng)耦合制動(dòng)機(jī)理

制動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間電磁轉(zhuǎn)矩通過(guò)齒輪組Ⅱ和促動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)螺桿，促使螺桿和螺母推動(dòng)推力軸承壓緊制動(dòng)塊，同時(shí)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)裝置制動(dòng)車(chē)輪。電機(jī)轉(zhuǎn)子到螺桿的傳動(dòng)方程為

式中:ωlg為螺桿角速度；ωL為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；i1為電機(jī)轉(zhuǎn)子到螺桿傳動(dòng)比；Tlg為螺桿轉(zhuǎn)矩；TL為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)轉(zhuǎn)子到車(chē)輪傳動(dòng)方程為

式中:ωw為車(chē)輪角速度；i2為螺桿到車(chē)輪傳動(dòng)比；Tbe為電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

螺桿受驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用，促使螺母產(chǎn)生螺旋推力，傳動(dòng)方程可表示為

式中:FN為螺母螺旋推力；η1為螺旋傳動(dòng)裝置機(jī)械效率；Tlg為螺桿傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩；R1為螺桿端面摩擦半徑；αs為螺桿導(dǎo)程角；ρs為絲桿螺母的當(dāng)量摩擦角。

制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)螺母螺旋推力未達(dá)到摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈力峰值點(diǎn)Fs0時(shí)，不產(chǎn)生摩擦制動(dòng)；當(dāng)螺母螺旋推力達(dá)到摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈力峰值點(diǎn)Fs0時(shí)，制動(dòng)間隙消除，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)。螺母螺旋推力、摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力和制動(dòng)壓力關(guān)系為

式中:Fc為制動(dòng)盤(pán)壓力；Fs0為制動(dòng)間隙消除時(shí)對(duì)應(yīng)的摩擦制動(dòng)回位彈性元件最大彈性力；Fs為摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TL通過(guò)螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)裝置在制動(dòng)盤(pán)上形成制動(dòng)壓力Fc產(chǎn)生摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tbc，摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tbc和電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tbe共同作用于車(chē)輪，形成總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，受力情況如圖2所示，圖中，Re為輪胎滾動(dòng)半徑，F(xiàn)xb為總制動(dòng)力。

圖2　車(chē)輪制動(dòng)受力示意圖

由圖2可知，電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與車(chē)輪所受總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩關(guān)系為

式中:μc為制動(dòng)盤(pán)摩擦因數(shù)；Rp為制動(dòng)壓力作用半徑；i3為制動(dòng)盤(pán)到車(chē)輪傳動(dòng)比；Tμ為總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

由式(1)～式(5)可得總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程:

考慮制動(dòng)效能和制動(dòng)舒適性，為使中低制動(dòng)強(qiáng)度下制動(dòng)舒適性較好，高制動(dòng)強(qiáng)度下制動(dòng)效能較高，本文中將系統(tǒng)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)踏板位置關(guān)系表示為

式中:ap和bp為制動(dòng)因子；xp為制動(dòng)踏板位置。

由式(6)和式(7)最終可得電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TL與制動(dòng)踏板位置xp的關(guān)系:

由式(3)和式(6)～式(8)可知，再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tμ是關(guān)于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TL的連續(xù)函數(shù)，由于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)連續(xù)可控[12]，因此新型再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高效制動(dòng)能回收的同時(shí)可滿(mǎn)足制動(dòng)效能要求。

3　系統(tǒng)制動(dòng)控制

再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力，滿(mǎn)足不同制動(dòng)強(qiáng)度下所需制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩完全由電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩提供，此時(shí)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較大，電機(jī)額定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能滿(mǎn)足制動(dòng)強(qiáng)度需要時(shí)，摩擦制動(dòng)參與工作，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力耦合控制?；谥苿?dòng)系統(tǒng)耦合關(guān)系，再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制方式可以分為電磁控制、摩擦控制和耦合控制。

3.1　電磁控制

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較低，所需電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，僅采用電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制即可滿(mǎn)足制動(dòng)強(qiáng)度需要，此時(shí)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅來(lái)自電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由式(1)、式(3)～式(5)和式(7)得系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程組:

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較高，所需電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，僅采用電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩不能滿(mǎn)足制動(dòng)強(qiáng)度需要，此時(shí)通過(guò)在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩至最大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)進(jìn)行電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制，同時(shí)螺旋機(jī)構(gòu)的推力克服摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力(通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)定)進(jìn)行摩擦制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)處于耦合制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)可由式(5)～式(8)得系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程組:

由式(9)和式(10)可知，在電磁控制方式下，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是關(guān)于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的單變量函數(shù)，所需電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)促使摩擦制動(dòng)參與，提高總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到所需制動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑控制。

基于所設(shè)計(jì)的再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)(見(jiàn)表1)，在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，電碰控制仿真結(jié)果如圖3所示。制動(dòng)初始階段僅采用電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制，到達(dá)電機(jī)額定電磁轉(zhuǎn)矩后，由電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力進(jìn)行耦合控制，兩種控制方式及其過(guò)渡均滿(mǎn)足總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求曲線(xiàn)。

表1　系統(tǒng)參數(shù)

圖3　電磁控制

由圖3可見(jiàn):隨著制動(dòng)踏板位置變化，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不斷增加直至最大，不同制動(dòng)初速度下的輪速減速度也逐漸增加；當(dāng)制動(dòng)踏板位置達(dá)到50%時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)矩額定值，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步提高，增大的螺旋推力克服摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力產(chǎn)生摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩疊加后形成總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3.2　摩擦控制

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較高時(shí)，所需電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；僅采用電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制不能滿(mǎn)足制動(dòng)強(qiáng)度需要時(shí)，除可進(jìn)行上述電磁控制方式下的耦合制動(dòng)外，還可使電機(jī)保持額定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，處于最大饋能狀態(tài)，提高制動(dòng)能回收率，由摩擦制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)控制摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力控制摩擦制動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)耦合制動(dòng)控制。

將電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩維持在額定轉(zhuǎn)矩，通過(guò)控制摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力控制摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)可由式(5)～式(8)得系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程組:

式中TL′為額定電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

從式(9)和式(11)可見(jiàn)，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在摩擦控制方式下為關(guān)于摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力的單變量函數(shù)，可直接通過(guò)改變摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)，該控制方式相較電磁控制可提高制動(dòng)能回收率。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，利用式(9)和式(11)可得系統(tǒng)在摩擦控制方式下制動(dòng)轉(zhuǎn)矩及制動(dòng)時(shí)輪速變化情況，如圖4所示。

圖4　摩擦控制

由圖4可知，制動(dòng)踏板位置超過(guò)50%時(shí)，保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩處于額定值，通過(guò)減小摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力，使得螺旋推力克服彈性力產(chǎn)生摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在此控制方式下，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦隨制動(dòng)踏板位置增大而增大。

3.3　耦合控制

耦合控制是在系統(tǒng)需要耦合制動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力進(jìn)行同步控制，控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)在實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速下保持最大饋能制動(dòng)狀態(tài)，控制摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力，使總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到制動(dòng)強(qiáng)度需要，因此，耦合控制可在滿(mǎn)足制動(dòng)強(qiáng)度前提下達(dá)到最大制動(dòng)能回收率。

通過(guò)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制，可由式(5)～式(8)得系統(tǒng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程組:

采用再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)(見(jiàn)表1)，可對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)在耦合控制方式下制動(dòng)性能進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

由式(9)和式(12)可知，在耦合控制方式下，總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是關(guān)于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力的多變量函數(shù)，較前兩種控制方式，可獲得制動(dòng)強(qiáng)度和制動(dòng)能回收率最優(yōu)性能目標(biāo)。

圖5　耦合控制

由圖5可知，根據(jù)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大饋能制動(dòng)所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整，螺旋推力隨之變化，通過(guò)實(shí)時(shí)改變摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力達(dá)到所需制動(dòng)強(qiáng)度，促使最大饋能制動(dòng)狀態(tài)下總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)平滑控制。

4　系統(tǒng)耦合制動(dòng)性能試驗(yàn)

基于車(chē)輛綜合性能轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)平臺(tái)和制動(dòng)系統(tǒng)安裝臺(tái)架(見(jiàn)圖6)，對(duì)再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)耦合制動(dòng)機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)電磁制動(dòng)模式和摩擦控制方式下耦合制動(dòng)模式的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6　再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)

將制動(dòng)系統(tǒng)安裝在車(chē)輛綜合性能轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)平臺(tái)上，試驗(yàn)輪胎采用奇瑞A3 255/05 R16，試驗(yàn)?zāi)M平動(dòng)質(zhì)量為152.8kg，輪胎與滾筒表面附著系數(shù)為0.8。通過(guò)Freescale-MC9S12XET256單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用CAN通信將所采數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)。當(dāng)車(chē)速低于1km/h時(shí)，停止試驗(yàn)。

通過(guò)保持電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩不變，采用摩擦控制方式進(jìn)行耦合制動(dòng)，分別進(jìn)行了高速(38km/h)、低速(15km/h)電磁制動(dòng)和耦合制動(dòng)4種工況下的制動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，采用緊急制動(dòng)方式，制動(dòng)踏板處于最大制動(dòng)強(qiáng)度位置，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、圖7和圖8。

表2　試驗(yàn)結(jié)果_______________

由表2、圖7和圖8中的試驗(yàn)結(jié)果可知，在4組制動(dòng)試驗(yàn)中，相同制動(dòng)初速度下，耦合制動(dòng)較僅有電磁制動(dòng)的制動(dòng)效能顯著提高。15km/h耦合制動(dòng)相較電磁制動(dòng)的平均制動(dòng)減速度從0.95增加到2.14m/s2，平均制動(dòng)轉(zhuǎn)矩從45.14提高到105.36N·m；38km/h耦合制動(dòng)平均制動(dòng)減速度相比于電磁制動(dòng)從1.18增長(zhǎng)到3.34m/s2，平均制動(dòng)轉(zhuǎn)矩從55.76提高到160.33N·m。

試驗(yàn)結(jié)果表明，再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生車(chē)輪制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)產(chǎn)生摩擦制動(dòng)促動(dòng)力，在不消耗摩擦制動(dòng)促動(dòng)能的情況下促使形成摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使耦合制動(dòng)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度明顯大于電磁制動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果合理正確，驗(yàn)證了再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)耦合制動(dòng)機(jī)理和可行性。

圖7　15和38km/h工況下制動(dòng)轉(zhuǎn)矩

5　結(jié)論

(1)基于機(jī)、電、磁耦合作用機(jī)理，進(jìn)行再生制動(dòng)、線(xiàn)控制動(dòng)和摩擦制動(dòng)功能融合與結(jié)構(gòu)集成，建立了再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)。

(2)通過(guò)對(duì)再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)耦合制動(dòng)機(jī)理的分析，得到了摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的匹配關(guān)系。

(3)基于制動(dòng)系統(tǒng)耦合關(guān)系，提出電磁控制、摩擦控制和耦合控制3種制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制方式，基于Matlab/Simulink建立了再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)3種制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制方式進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證。

(4)在38和15km/h兩種車(chē)輪初速度下分別進(jìn)行電磁制動(dòng)和耦合制動(dòng)4種工況下的臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同初速度下耦合制動(dòng)相較電磁制動(dòng)的制動(dòng)效能顯著提高，試驗(yàn)結(jié)果合理正確，驗(yàn)證了再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)耦合制動(dòng)機(jī)理和系統(tǒng)可行性。

圖8　15和38km/h工況下制動(dòng)輪速

(5)基于再生-機(jī)械耦合線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)提出的3種制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制方式中，電磁控制參量少、在低制動(dòng)強(qiáng)度下控制性能良好；摩擦控制可將電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩保持在額定值，能達(dá)到較高的制動(dòng)強(qiáng)度；耦合控制可依據(jù)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，將電機(jī)控制在最佳電機(jī)電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩附近，并通過(guò)控制摩擦制動(dòng)回位彈性元件彈性力控制摩擦制動(dòng)效能，耦合控制可在保證最大制動(dòng)強(qiáng)度下獲得較高的制動(dòng)能量回收率。

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