孫遠(yuǎn)濤，王云龍，朱榮福，耿瑞光，張金柱，范德會(huì)，王 輝

(1. 黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2. 黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)是相對(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車提升節(jié)能、減排效果的一項(xiàng)有效技術(shù)，已經(jīng)逐漸受到業(yè)內(nèi)研究人員的重視[1-6]。深入開展再生制動(dòng)技術(shù)研究，對(duì)完善再生制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)具有重要意義。

我國目前一些大型車企和高校聯(lián)合開發(fā)混合動(dòng)力汽車，在生產(chǎn)正式車型之前，一般都會(huì)搭建混合動(dòng)力再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)以提高開發(fā)效率，并降低開發(fā)成本。目前所搭建的再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)一般是基于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)的動(dòng)力總成臺(tái)架，而基于底盤測(cè)功機(jī)的整車臺(tái)架卻很少[7-9]。國外羅馬Sapienza大學(xué)的Lorenzo Rambaldi等人開發(fā)了串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合底盤測(cè)功機(jī)的整車試驗(yàn)臺(tái)[10-11]，這方面國內(nèi)報(bào)道比較少。

本文所搭建的試驗(yàn)臺(tái)即是結(jié)合動(dòng)力總成臺(tái)架部件的可模塊化式靈活布置、整車臺(tái)架的再現(xiàn)道路工況以及實(shí)車模擬的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)采用dSPACE作為試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制器，便于施加再生制動(dòng)控制策略；采用底盤測(cè)功機(jī)作為道路模擬和數(shù)據(jù)采集裝置，用于模擬道路路面和采集轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩等信號(hào)。試驗(yàn)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、移動(dòng)方便、占地少及連接簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成

基于dSPACE的混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)布置如圖1所示。

圖1 再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)總布置

圖1中虛線框中部分即為試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成部件及控制單元。試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池組等動(dòng)力組成部件及各自控制單元，以及行星齒輪機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)輪、底盤測(cè)功機(jī)及加載裝置等部分。

2 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

再生制動(dòng)是一種使用在電動(dòng)汽車上特有的制動(dòng)技術(shù)[12-13]，其系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

在制動(dòng)期間電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子被驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能及車輪制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，將汽車運(yùn)行中的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為電能，并對(duì)蓄電池組充電，實(shí)現(xiàn)能量回收，同時(shí)達(dá)到降低車速目的。

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的組成部件(即圖1中虛線框中部分)安裝在可移動(dòng)的試驗(yàn)臺(tái)架上，作為動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)通過行星齒輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給減速機(jī)構(gòu)，經(jīng)半軸傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，并經(jīng)作為模擬道路路面的底盤測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓輸出動(dòng)力。采用底盤測(cè)功機(jī)的固定裝置對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行固定。

圖1為基于少模光纖耦合的前置光放大空間光通信系統(tǒng)示意圖(直接探測(cè))，接收光學(xué)系統(tǒng)可以等效為焦距為f、直徑為D的薄透鏡.理想情況下，被調(diào)制的空間光經(jīng)過無像差的理想接收光學(xué)天線匯聚到后焦面形成艾里斑，光能量耦合入放置在后焦面位置的少模光纖纖芯中，經(jīng)光纖送入少模前置光放大器，最后通過多模光纖進(jìn)入雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)探測(cè)器.各模式傳輸信息相同，模間串?dāng)_可忽略.

進(jìn)行再生制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，起動(dòng)再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，踩下油門踏板，使其工作在設(shè)定速度，根據(jù)設(shè)定的制動(dòng)強(qiáng)度踩下制動(dòng)踏板制動(dòng)，通過數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)進(jìn)行電池SOC、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)測(cè)試。

3 試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AVL公司的底盤測(cè)功機(jī)等設(shè)備來采集車速、轉(zhuǎn)矩等信號(hào)，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳遞給主控計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的dSPACE系統(tǒng)[14-15]。

3.1 底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

汽車底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試準(zhǔn)確度高，可對(duì)多種實(shí)際道路工況進(jìn)行模擬。

試驗(yàn)前，在底盤測(cè)功機(jī)上連接并固定好試驗(yàn)臺(tái)，將底盤測(cè)功機(jī)設(shè)定為“道路模擬狀態(tài)”模式，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)重量等參數(shù)設(shè)定試驗(yàn)臺(tái)的各行駛阻力，結(jié)合GB18352.3—2005標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定底盤測(cè)功機(jī)的道路阻力系數(shù)。

試驗(yàn)中，將底盤測(cè)功機(jī)上的力矩傳感器和轉(zhuǎn)鼓上的速度傳感器采集的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送給控制器，控制器將信號(hào)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示。

3.2 dSPACE系統(tǒng)

dSPACE實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)用來加載不同的再生制動(dòng)控制策略。

電動(dòng)機(jī)通過傳感器將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流和電壓等信號(hào)傳送給電動(dòng)機(jī)控制器。蓄電池組通過傳感器將電流、電壓、SOC值和溫度等信號(hào)傳送給蓄電池管理系統(tǒng)。dSPACE通過控制接口及CAN通信接收蓄電池管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)控制器的信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算后將指令發(fā)送到電動(dòng)機(jī)控制器，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。

速度傳感器將驅(qū)動(dòng)輪上的速度信號(hào)、壓力傳感器將制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)液壓力信號(hào)傳送給制動(dòng)系統(tǒng)控制器，通過計(jì)算經(jīng)控制接口再傳送給dSPACE，dSPACE的實(shí)時(shí)控制器輸出PWM信號(hào)，并用于控制制動(dòng)系統(tǒng)高速開關(guān)閥，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力，從而完成對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的控制。

4 試驗(yàn)臺(tái)加載裝置

試驗(yàn)臺(tái)加載裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1. 固定支架一；2. 固定支架二；3. 螺旋絲杠；4. 臺(tái)架；5.臺(tái)架連接件；6. 控制單元面板；7. 地面連接件；8. 制動(dòng)系統(tǒng)9. 動(dòng)力總成；10. 驅(qū)動(dòng)輪；11. 底盤測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓;12. 地面 圖3 試驗(yàn)臺(tái)加載裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)臺(tái)加載裝置由固定支架一、固定支架二、地面連接件、臺(tái)架連接件及螺旋絲杠等組成。加載裝置所連接的再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)由臺(tái)架、控制單元面板、制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力總成、驅(qū)動(dòng)輪、底盤測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓及安裝在控制單元面板內(nèi)的控制系統(tǒng)組成。

加載裝置工作時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)螺旋絲杠帶動(dòng)固定支架二上下移動(dòng)，固定支架二再通過臺(tái)架連接件帶動(dòng)臺(tái)架上下移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)施加到驅(qū)動(dòng)輪上負(fù)載大小的變化，從而彌補(bǔ)試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)實(shí)車部件不全而帶來的驅(qū)動(dòng)輪載荷與實(shí)車不符的實(shí)際。

5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

混合動(dòng)力汽車再生制動(dòng)中驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大、回收的制動(dòng)能量也越多[9]。電動(dòng)機(jī)具有中、高轉(zhuǎn)速恒功率，以及中、低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩的特征，即

(1)

式中：Treg為電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，TN為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，PN為電動(dòng)機(jī)額定功率，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，nN為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

電動(dòng)機(jī)的發(fā)電能量表達(dá)式為

(2)

式中：Pm為電動(dòng)機(jī)發(fā)電功率，其表達(dá)式為

Pm=Te·ω·ηm.

(3)

式中：Te為電動(dòng)機(jī)實(shí)際再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，ω為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，ηm為電動(dòng)機(jī)發(fā)電效率。

6 再生制動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)前，先起動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)，打開對(duì)中裝置，固定好試驗(yàn)臺(tái)，連接dSPACE系統(tǒng)，把再生制動(dòng)控制策略等程序編譯下載到dSPACE中，并運(yùn)行Control Desk軟件。

起動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，將CVT檔位設(shè)置為D檔，踩油門踏板將車速提升到設(shè)定的速度(如50 km/h)后松開，踩制動(dòng)踏板使制動(dòng)強(qiáng)度z保持在設(shè)定值(如0.1)，直到停止為止，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要有驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力、電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電池SOC值等。

將所得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合處理，得到車速在50 km/h，制動(dòng)強(qiáng)度為0.1條件下的驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力、電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電池SOC值隨時(shí)間變化的曲線，如圖4所示。

由圖4可知：當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩先是增大，然后逐漸減小，而電池SOC值由于制動(dòng)能量再生而升高，SOC值從0.670 8升到0.674 9，驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的制動(dòng)能量再生情況。

圖4 50 km/h車速下z=0.1的試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié) 論

1)研制的可移動(dòng)式再生制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊及連接方便的特點(diǎn)。

2)設(shè)計(jì)的加載裝置能模擬一定質(zhì)量范圍內(nèi)的實(shí)車重量。

3)集成底盤測(cè)功機(jī)和dSPACE系統(tǒng)分別作為實(shí)際道路模擬、數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)更加符合實(shí)車道路工況，更方便施加再生制動(dòng)控制策略。

4)經(jīng)再生制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的試驗(yàn)臺(tái)能夠進(jìn)行再生制動(dòng)能量回收測(cè)試。