寧水根 張慶永

（1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.福建工程學(xué)院；3.寧德時代新能源科技有限公司）

制動能量回收技術(shù)的有效應(yīng)用是電動汽車節(jié)能減排的重要途徑之一，汽車能量損耗在制動過程中尤為凸顯，因此有必要大力發(fā)展與研究制動能量回收技術(shù)[1]。電動汽車制動能量回收的有關(guān)研究一直處于仿真研究階段，雖在一定程度上取得了初步的理論成果，但仍需要一定的平臺進(jìn)行深入性的研究，需要開發(fā)制動能量回收試驗(yàn)臺代替理論仿真研究。文章將根據(jù)試驗(yàn)多樣性的需求深入研究制動能量回收臺架技術(shù)，為制動能量回收領(lǐng)域的平臺建設(shè)提供一定的參考。

1 電動汽車制動能量回收基本原理

電動汽車制動能量回收技術(shù)（電制動回收技術(shù)），即再生制動能量回收系統(tǒng)通過電機(jī)將制動能轉(zhuǎn)換成電能，在汽車起步、加速、爬坡時又將回收到的能量釋放出來。電制動回收技術(shù)在一定程度上可以延長行駛里程，因此對其進(jìn)行試驗(yàn)性的研究具有一定的意義。圖1示出電動汽車制動能量回收系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由傳動制動系統(tǒng)、電動機(jī)及儲能器等組成[2]。

圖1 電動汽車制動能量回收系統(tǒng)示意圖

駕駛員踩下制動踏板時，整車控制器（HCU）根據(jù)行駛工況狀態(tài)，如電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、電池的荷電狀態(tài)等，綜合考量、判斷并制定制動策略，并由電動機(jī)及其控制系統(tǒng)來完成初步的電制動過程。當(dāng)制動系統(tǒng)處在復(fù)合制動條件下時，電動機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)、產(chǎn)生制動阻力轉(zhuǎn)矩并將汽車動能轉(zhuǎn)化成電能儲存在電池中。相反，當(dāng)汽車需要行駛時，電池將儲存的電能釋放，實(shí)現(xiàn)車輛制動回收能量的再次被利用，但在制動過程中制動能的回收規(guī)律值得深入研究[2]。

2 制動能量回收試驗(yàn)臺的建設(shè)

制動能量回收技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在制動能量回收的方法、再生制動回收的控制策略、制動能量回收效率和復(fù)合制動的穩(wěn)定性等方面。為了進(jìn)一步探索制動能量回收的相關(guān)技術(shù)，制動能量回收試驗(yàn)臺需要有較好的功能擴(kuò)展性，以便進(jìn)行靈活的試驗(yàn)研究。

2.1 制動能量回收試驗(yàn)臺的設(shè)計思路

為了保證該制動能量回收試驗(yàn)臺具有良好的功能擴(kuò)展性，采用模塊化設(shè)計的思路[3]。本試驗(yàn)臺包含六大模塊，各模塊功能為：1）驅(qū)動力模擬系統(tǒng)模塊：主要采用交流電機(jī)或者直流電機(jī)模擬不同車輛的動力輸出；2）慣量模擬系統(tǒng)模塊：實(shí)現(xiàn)不同等質(zhì)量車輛在不同車速條件下的動能模擬；3）阻力與制動力模擬系統(tǒng)模塊：主要完成模擬加載車輛行駛阻力及機(jī)械制動力；4）測控模擬系統(tǒng)模塊：在試驗(yàn)過程中控制試驗(yàn)臺，并能夠采集試驗(yàn)時的相關(guān)數(shù)據(jù)；5）能量管理模擬模塊：能夠監(jiān)控儲能元件及其數(shù)據(jù)顯示；6）支撐聯(lián)接輔助模塊：有效安裝試驗(yàn)臺各功能化模塊及保護(hù)試驗(yàn)臺工作安全。

制動能量回收試驗(yàn)臺可根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)的需要改進(jìn)模塊功能，以滿足試驗(yàn)工況條件的需要，這樣可避免設(shè)計人員在開發(fā)設(shè)計時出現(xiàn)盲目性，從而在一定程度上加快開發(fā)進(jìn)度，節(jié)約開發(fā)成本。

2.2 試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對制動能量回收試驗(yàn)探究多樣性的需要，文章設(shè)計的試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)方案，如圖2所示[3]。

圖2 制動能量回收試驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)臺采用的驅(qū)動模擬電機(jī)用來模擬汽車在實(shí)際路面行駛時的動力輸出，該驅(qū)動電機(jī)需要滿足3點(diǎn)特性：1）機(jī)械調(diào)速范圍寬；2）轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定且恒定；3）等轉(zhuǎn)速條件下，能夠輸出瞬時轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動電機(jī)滿足模擬動力輸出的功能，其輸出的動力經(jīng)離合器1傳遞到飛輪組，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生模擬車輛初始動能。磁粉制動器產(chǎn)生磁粉阻力，經(jīng)皮帶傳遞制動阻力至傳動軸，產(chǎn)生模擬來源路面的行駛阻力，完成道路阻力模擬功能。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器用于測量傳動轉(zhuǎn)矩，研究在制動回收時傳動扭力的變化，監(jiān)控能量回收時的制動力。飛輪組結(jié)構(gòu)為可拆分式，可以對不同質(zhì)量車輛在不同初始狀態(tài)下的動能進(jìn)行模擬。制動回收電機(jī)工位為活動安裝工位，可根據(jù)試驗(yàn)的需要更換被測電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)不同類型電機(jī)的試驗(yàn)需求。試驗(yàn)臺動力傳遞過程，如圖3所示。

圖3 制動能量回收試驗(yàn)臺動力傳遞過程

2.3 測控系統(tǒng)的設(shè)計思路

制動能量回收試驗(yàn)臺采集系統(tǒng)中對儲能元件的電壓電流數(shù)據(jù)的要求是較高的，其精確度直接影響著對再生制動回收規(guī)律的分析。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體應(yīng)該達(dá)到如下要求：1）系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集模塊與控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收試驗(yàn)臺的智能化試驗(yàn)過程；2）系統(tǒng)支持制動能量回收試驗(yàn)臺各參數(shù)采集的傳感器，而且還具有一定的擴(kuò)展功能，以便該試驗(yàn)臺能夠?qū)崿F(xiàn)其他未考慮到的試驗(yàn)；3）能夠?qū)崿F(xiàn)信號的采集、濾波、顯示和儲存的功能；4）控制模塊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，無滯后性；5）系統(tǒng)方便更改，便于后續(xù)的維護(hù)或者增加其他功能，操作簡單明了，界面簡潔。

測控系統(tǒng)主要采集飛輪轉(zhuǎn)速、傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩、制動控制信號和電流電壓等信號，并能夠?qū)Ρ粶y電機(jī)及儲能裝置進(jìn)行控制。為了較好地控制試驗(yàn)臺以及有利于擴(kuò)展試驗(yàn)，測控系統(tǒng)采用CAN總線的方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制[4]，如圖4所示。

圖4 制動能量回收試驗(yàn)臺電氣結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 試驗(yàn)臺工作原理

啟動驅(qū)動模擬電機(jī)，同時電磁離合器1接合，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，在此之前需正確匹配相應(yīng)的飛輪慣量，飛輪組旋轉(zhuǎn)完成車輛試驗(yàn)所需的慣量模擬[5]，即動能模擬過程；電磁離合器2接合，同時電磁離合器1斷開，傳動力驅(qū)動被測電機(jī)，完成制動回收過程，此時若需要加載行駛阻力對試驗(yàn)的影響，磁粉制動器開啟，完成形式阻力加載模擬過程。同時電磁離合器1斷開，電磁離合器2接合，儲能元件提供電能能夠使被測電機(jī)驅(qū)動飛輪，實(shí)現(xiàn)動力傳遞的逆過程。制動能量回收試驗(yàn)臺整體實(shí)物，如圖5所示。

圖5 制動能量回收試驗(yàn)臺實(shí)物圖

2.5 試驗(yàn)臺傳動系內(nèi)耗的估算分析

試驗(yàn)臺在制動能量回收過程中會存在克服傳動系統(tǒng)阻力（含機(jī)械阻力與磁粉制動器阻力）所帶來的能量損耗。機(jī)械阻力包含由齒輪傳動副、相應(yīng)的配合副相對運(yùn)動引起的摩擦阻力；磁粉制動器阻力包含其工作時產(chǎn)生的阻力以及未工作時皮帶帶來的阻力。在試驗(yàn)臺進(jìn)行制動能量回收相關(guān)試驗(yàn)時應(yīng)考慮傳動系阻力帶來的影響。通過傳動系阻力的線性處理方法探索試驗(yàn)臺傳動系內(nèi)阻能耗與飛輪轉(zhuǎn)速、飛輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)之間存在的關(guān)系[6]。將飛輪轉(zhuǎn)動至不同轉(zhuǎn)速，然后斷開飛輪驅(qū)動力，飛輪由自由轉(zhuǎn)動至停止，記錄飛輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)及飛輪自由轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)速。分別進(jìn)行了8次相應(yīng)試驗(yàn)，并記錄其數(shù)據(jù)，通過MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)關(guān)系，如圖6和圖7所示。從圖6和圖7中可以看出，傳動系內(nèi)耗與飛輪轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)動圈數(shù)呈線性關(guān)系，根據(jù)其存在的規(guī)律關(guān)系可估算出在不同飛輪轉(zhuǎn)速條件下傳動系存在的內(nèi)耗，可有效定量傳動系內(nèi)耗對制動回收相關(guān)技術(shù)的影響。

圖6 試驗(yàn)臺傳動系內(nèi)耗與圈數(shù)的關(guān)系

圖7 試驗(yàn)臺飛輪轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動圈數(shù)的關(guān)系

3 試驗(yàn)臺擴(kuò)展性與多功能性

試驗(yàn)臺在建設(shè)過程中采用模塊式設(shè)計思路，便于后續(xù)試驗(yàn)臺具有相應(yīng)的擴(kuò)展性，又能最大程度地發(fā)揮試驗(yàn)臺的功能性。試驗(yàn)臺可滿足不同類型被測制動能量回收電機(jī)的試驗(yàn)要求，其中輔助模塊可滿足不同類型電機(jī)的安裝要求，實(shí)現(xiàn)被測電機(jī)快換功能。飛輪組可根據(jù)不同類型車輛在不同動能條件下進(jìn)行模擬，滿足乘用車至城市公交車范圍車輛的動能模擬需求；動能模擬試驗(yàn)跨度大，可滿足對于不同車輛的制動能量回收規(guī)律的研究需求[3,5,7]。試驗(yàn)臺除了能滿足試驗(yàn)對象的改造，還可進(jìn)行其他擴(kuò)展試驗(yàn)。

1）電機(jī)制動穩(wěn)定性在環(huán)仿真。制動回收電機(jī)在電制動過程中產(chǎn)生電制動力矩，制動力矩與制動回收強(qiáng)度之間的規(guī)律關(guān)系在不同車輛上的體現(xiàn)是不同的。因此，再生制動回收系統(tǒng)電制動力與回收強(qiáng)度分配策略的關(guān)系可通過試驗(yàn)臺進(jìn)行ETAS硬件在環(huán)仿真優(yōu)化[2,8]，而道路試驗(yàn)很難探索其存在的規(guī)律關(guān)系。

2）能量系統(tǒng)的在環(huán)仿真。在制動能量回收過程中為了最大程度地回收車輛的動能，不僅需要考慮電制動強(qiáng)度，也應(yīng)考慮其能量儲存效率的問題。本試驗(yàn)臺可根據(jù)不同循環(huán)模擬工況和制動回收強(qiáng)度探索能量與系統(tǒng)效率之間的規(guī)律關(guān)系。

4 結(jié)論

基于對制動回收相關(guān)技術(shù)的研究，采用模塊化設(shè)計思想研制制動能量回收試驗(yàn)臺，能夠?qū)崿F(xiàn)不同車輛制動回收技術(shù)的研究、加載不同的試驗(yàn)條件并根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行擴(kuò)展。試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)靈活、開放性較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)ETAS硬件在環(huán)仿真并根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行改進(jìn)。