李勇，馬騰騰，陳峰磊，楊云東

客車制動(dòng)能量回收試驗(yàn)裝置的研究

李勇1，2，馬騰騰1，陳峰磊1，楊云東1

（1.廈門理工學(xué)院，福建廈門361024；2.福建省福工動(dòng)力技術(shù)股份公司，福州350003）

本文設(shè)計(jì)的半實(shí)物制動(dòng)能量回收試驗(yàn)臺(tái)，以客車真實(shí)驅(qū)動(dòng)后橋?yàn)榛A(chǔ)，以飛輪組模擬整車慣量，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模擬實(shí)車。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各級(jí)之間采用CAN總線連接，設(shè)計(jì)了基于最大能量回收的再生制動(dòng)控制策略及復(fù)合制動(dòng)力的分配策略，可實(shí)現(xiàn)多種制動(dòng)工況的模擬。

再生制動(dòng)；制動(dòng)能量回收；試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)；復(fù)合制動(dòng)

再生制動(dòng)是汽車提高能源利用率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一?？蛙囎鳛橹匾慕煌üぞ咧唬瑢?shí)現(xiàn)節(jié)能減排起著重要的作用。新能源客車由于具有儲(chǔ)能裝置的優(yōu)勢，使得再生制動(dòng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在新能源車輛上。更為準(zhǔn)確和方便地進(jìn)行客車制動(dòng)能量回收效率測試是目前客車制動(dòng)能量回收技術(shù)關(guān)鍵難點(diǎn)之一。本文設(shè)計(jì)了針對客車制動(dòng)能量回收測試的半實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)。

1　能量回收試驗(yàn)臺(tái)功能性設(shè)計(jì)

汽車制動(dòng)能量回收的原理就是，把原本以摩擦發(fā)熱的形式散失的一部分能量，利用電制動(dòng)系統(tǒng)回收到儲(chǔ)能裝置中再轉(zhuǎn)換為車輛的動(dòng)能。駕駛員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)控制器判斷駕駛員的制動(dòng)意圖，根據(jù)當(dāng)前儲(chǔ)能裝置的SOC值以及道路的滑移率等信息執(zhí)行相應(yīng)預(yù)制的控制策略；當(dāng)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)參與制動(dòng)時(shí)，電機(jī)以發(fā)電模式工作，部分能量回收到儲(chǔ)能裝置中以再利用［1-2］。

汽車制動(dòng)能量回收理論主要是研究制動(dòng)能量的回收方法/回收效率、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與功率轉(zhuǎn)換器的控制技術(shù)、儲(chǔ)能裝置能量管理策略、制動(dòng)控制策略、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的協(xié)調(diào)等。實(shí)現(xiàn)上述研究，需要試驗(yàn)臺(tái)具備驅(qū)動(dòng)、控制、儲(chǔ)能、慣量模擬和阻力模擬等功能，同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要滿足適用性和可控性。本文所設(shè)計(jì)的制動(dòng)能量回收試驗(yàn)臺(tái)遵循以下設(shè)計(jì)原則［3］：

1）適用性強(qiáng)，能夠完成裝有制動(dòng)回收系統(tǒng)基本車型和不同載荷狀態(tài)下的模擬試驗(yàn)。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)汽車各種行駛工況和制動(dòng)工況的模擬。

3）能夠模擬行駛阻力，包括滾動(dòng)阻力、加速阻力、坡道阻力等。

4）操作方便，能夠?qū)崟r(shí)施控試驗(yàn)、監(jiān)控試驗(yàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)，并及時(shí)回收能量到儲(chǔ)能裝置中。

5）具有一定的擴(kuò)展性，可根據(jù)試驗(yàn)要求拓展試驗(yàn)臺(tái)功能。

基于以上幾點(diǎn)，本文制動(dòng)能量回收試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)采用模塊化的思想。試驗(yàn)臺(tái)主要分為5個(gè)模塊：系統(tǒng)控制模塊、集中驅(qū)動(dòng)/發(fā)電模塊、儲(chǔ)能模塊、物理阻力模擬模塊和整車慣量模擬模塊，如圖1所示。各模塊之間獨(dú)立性強(qiáng)，可根據(jù)試驗(yàn)需求對各個(gè)模塊分別進(jìn)行改進(jìn)。

2　能量回收試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于客車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，為更加準(zhǔn)確地測量客車制動(dòng)能量回收效率，本文以車輛真實(shí)后橋?yàn)榧軜?gòu)，將飛輪組安裝在半軸末端，在此基礎(chǔ)上布置試驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)功能模塊，最大程度還原客車真實(shí)回收模式［4］。

搭建制動(dòng)能量回收試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖見圖2。

該系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)集成到總控制器中，先由驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳遞動(dòng)力帶動(dòng)飛輪組至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，總控制器根據(jù)控制需求控制氣剎模塊給飛輪組以機(jī)械阻力來模擬制動(dòng)過程中的物理阻力，同時(shí)飛輪組通過傳動(dòng)系統(tǒng)可反向帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電完成制動(dòng)能量的回收。電機(jī)與后橋之間預(yù)留的安裝空間可根據(jù)試驗(yàn)需求增加兩檔變速器。

飛輪組用來模擬制動(dòng)時(shí)整車的動(dòng)能應(yīng)該與整車的慣量相當(dāng)，試驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)時(shí)間應(yīng)與實(shí)際制動(dòng)時(shí)間接近。飛輪組的設(shè)計(jì)采用分層逐級(jí)式設(shè)計(jì)，可模擬不同載重各種工況下的整車慣量。飛輪組具體參數(shù)和制動(dòng)相關(guān)參數(shù)可由以下公式估算：

式中：E為整車動(dòng)能（慣性輪動(dòng)能）；m為整車質(zhì)量；v為車速；J為慣性輪慣量；ω為慣性輪角速度；T為慣性輪制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；α為慣性輪角加速度；△t為慣性輪額定轉(zhuǎn)矩下制動(dòng)時(shí)間，單位均取國際標(biāo)準(zhǔn)單位。

電機(jī)的選用要滿足以下要求：雙模式工作，轉(zhuǎn)速范圍足夠大，調(diào)速方便；一定轉(zhuǎn)速下，輸出轉(zhuǎn)矩足夠，功率足夠；支持恒功率恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；最大電壓、最大電流與系統(tǒng)相匹配。

選用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容具有高功率密度和充放電速率等優(yōu)點(diǎn)。利用超級(jí)電容可以迅速地吸收和釋放制動(dòng)再生能量。臺(tái)架試驗(yàn)中不必長時(shí)間運(yùn)行于驅(qū)動(dòng)模式，因此，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)采用多個(gè)超級(jí)電容組作為儲(chǔ)能裝置［5］。

總控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)控制和能量管理。輸入信號(hào)包括加速踏板信號(hào)、電容組SOC信號(hào)、電壓電流信號(hào)、制動(dòng)壓力信號(hào)等。輸出信號(hào)包括變頻器控制信號(hào)、各個(gè)電磁閥開關(guān)信號(hào)、操縱面板顯示數(shù)據(jù)等。控制系統(tǒng)由總控制器統(tǒng)一控制，其中電機(jī)系統(tǒng)控制采用分層控制的方式，二級(jí)控制由變頻器完成，避免了系統(tǒng)接線繁雜。試驗(yàn)操作采用可視化觸控面板，操縱臺(tái)還配備剎車踏板和油門踏板，操作上更符合實(shí)際制動(dòng)回收過程。

經(jīng)過動(dòng)力匹配和性能選擇后的硬件試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)臺(tái)主要部件參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)前部由槽鋼固定，后部底座由加厚鋼板焊制，臺(tái)架傳動(dòng)軸、后橋、氣制動(dòng)機(jī)構(gòu)均與實(shí)車相同，電機(jī)通過傳動(dòng)軸與后橋相連。整車控制器、變頻器、超級(jí)電容組與操縱控制臺(tái)分別布置在試驗(yàn)臺(tái)四周。搭建完成的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖3所示。

為最大限度地回收制動(dòng)能量，設(shè)計(jì)了基于最大制動(dòng)能量回收的控制策略［6-7］，如圖4所示。最大制動(dòng)能量回收控制策略的制定主要圍繞以下幾個(gè)原則：

1）保證汽車的制動(dòng)穩(wěn)定性和制動(dòng)安全性。

2）保證儲(chǔ)能裝置的高效性。在進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，要保證SOC值處在合理的范圍之內(nèi)，有利于延長儲(chǔ)能裝置的使用壽命。

3）優(yōu)先進(jìn)行電制動(dòng)、控制邏輯簡單且較容易實(shí)現(xiàn)。

3　制動(dòng)能量回收試驗(yàn)

基于最大制動(dòng)能量回收控制策略，本文搭建了實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行所開發(fā)客車的制動(dòng)能量回收效率試驗(yàn)，模擬整車的基本參數(shù)為整車滿載質(zhì)量16 t（按65%計(jì)）；傳動(dòng)比6；風(fēng)阻面積2.6 m2；車輪半徑0.5 m；可模擬的最高車速40 km/h。為更好地測試車輛回饋系統(tǒng)在不同制動(dòng)工況下的制動(dòng)能量回收效率，試驗(yàn)以制動(dòng)踏板為控制目標(biāo)依次進(jìn)行輕度、中度、重度三次制動(dòng)回收試驗(yàn)［8-11］。制動(dòng)試驗(yàn)初速度都設(shè)定為40 km/h，末速度都為0 km/h（期間車輪無抱死行為）。不同制動(dòng)強(qiáng)度下的速度變化見圖5；不同制動(dòng)強(qiáng)度下的電容沖電功率變化見圖6。

客車試驗(yàn)臺(tái)制動(dòng)回收試驗(yàn)的回收效率如表2所示。

表2　不同制動(dòng)強(qiáng)度道路試驗(yàn)制動(dòng)能量回收效率

為了驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定性，對重度制動(dòng)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　重度制動(dòng)下試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定性表現(xiàn)

4　結(jié)束語

以汽車實(shí)物后橋?yàn)榛A(chǔ)設(shè)計(jì)了針對客車制動(dòng)能量回收效率測試的半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)表明，該試驗(yàn)臺(tái)具備汽車行駛工況、行駛阻力模擬、復(fù)合制動(dòng)模擬、能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等功能。另外，重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定效果良好，誤差范圍在±3%之內(nèi)，達(dá)到了試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行要求。此試驗(yàn)臺(tái)可為后續(xù)開發(fā)、優(yōu)化客車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)提供參考，在進(jìn)行實(shí)車工況匹配試驗(yàn)后，可對試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)一步改進(jìn)。

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修改稿日期：2015-05-20

Research on Bus Braking Energy Recovery Test Bench

Li Yong1，2，Ma Tengteng1，Chen Fenglei1，YangYundong1
（1.Xiamen UniversityofTechnology，Xiamen 361024，China；2.Fujian FugongPowerTechnologyCo.，Ltd，F(xiàn)uzhou 350003，China）

The authors design a hardware-in-the-loop（HIL）braking energy recovery test bench which takes the bus real drivingaxle as the basis，uses the flywheels tosimulate the vehicle inertia，and uses the drive systemtosimulate the real vehicle.The test bench is designed with modular structure，the CAN bus is used to connect each grade of the controls，and the regenerative braking control strategy and composite braking force distribution strategy are designed based on the maximum energy recovery，so the test bench can realize a variety of the simulation of many brakingconditions.

regenerative braking；brakingenergyrecovery；test bench design；composite braking

U463.5

B

1006-3331（2015）06-0053-04

李勇（1976-），男，博士；學(xué)院講師；公司技術(shù)顧問；研究方向：車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及車輛電子控制。