何 仁，唐彥鋆

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

隨著汽車保有量的逐年增長，人們對于汽車性能的要求也越來越高。良好的制動(dòng)性能是汽車安全行駛的重要保障。目前汽車的主制動(dòng)系統(tǒng)仍然采用盤式和鼓式2種利用機(jī)械摩擦方式的制動(dòng)器［1］。對于經(jīng)常在山區(qū)道路行駛的汽車，連續(xù)下坡時(shí)需要制動(dòng)器頻繁工作，加大了汽車制動(dòng)器的熱負(fù)荷［2］；對于在城市道路上行駛的汽車，由于混合交通的復(fù)雜性需要經(jīng)常踩制動(dòng)踏板，制動(dòng)片的頻繁摩擦不僅會對環(huán)境產(chǎn)生聲污染，而且制動(dòng)片的磨損也會產(chǎn)生有害粉塵顆粒［3］。此外，隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和道路交通條件的改善，重型車輛的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出高速化、大噸位的特點(diǎn)，車輛的制動(dòng)負(fù)荷明顯提高，單一的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)已難以滿足重型車輛的制動(dòng)要求［4］。

輔助制動(dòng)裝置是一種配合主制動(dòng)器或在一定工況下代替主制動(dòng)器對車輛進(jìn)行減速制動(dòng)的裝置，可以實(shí)現(xiàn)車速的降低或讓車輛在下長坡時(shí)維持恒速行駛。輔助制動(dòng)裝置的使用不僅提高了車輛行駛的安全性，同時(shí)減少了制動(dòng)片的磨損，降低了維修成本，延長了主制動(dòng)器的使用壽命。與傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)相比較，輔助制動(dòng)裝置能持續(xù)吸收制動(dòng)功率且工作穩(wěn)定，這一點(diǎn)尤其適用于汽車連續(xù)下坡時(shí)使用［5］。

產(chǎn)生制動(dòng)力矩并對車輛實(shí)現(xiàn)緩速功能的裝置稱為緩速器。緩速器按其工作原理不同主要分為以下5種形式：發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器、排氣制動(dòng)緩速器、電渦流緩速器、液力緩速器和永磁式緩速器［6］。表1列出了各種緩速器的性能。

表1 不同緩速器的性能

續(xù)表（表1）

1 開發(fā)自勵(lì)式緩速器的必要性

在上述幾種緩速器中，電渦流緩速器因具有低速大轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于商用汽車上［7］。電渦流緩速器利用電磁感應(yīng)原理，將汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電渦流的熱能散發(fā)出去，使車輛減速。當(dāng)接通電渦流緩速器的開關(guān)，蓄電池便給纏繞在鐵心上的勵(lì)磁線圈通電，產(chǎn)生的磁力線經(jīng)定子磁極、氣隙、轉(zhuǎn)子盤構(gòu)成回路（如圖1）。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子盤在磁場中切割磁力線產(chǎn)生電渦流，一方面，轉(zhuǎn)子盤中的電渦流在磁場中會使轉(zhuǎn)子盤受到與其運(yùn)動(dòng)方向相反的力矩；另一方面，電渦流在具有電阻的轉(zhuǎn)子盤內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生熱效應(yīng)，這樣就將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去。

由上述工作原理可知：電渦流緩速器工作時(shí)，內(nèi)部的磁場強(qiáng)度對制動(dòng)力矩的數(shù)值有著決定性影響，而磁場由蓄電池通向勵(lì)磁線圈的電流激發(fā)。為了滿足制動(dòng)力矩的要求，電渦流緩速器工作時(shí)往往需要大量的電流。因此，電渦流緩速器的使用在提高了車輛制動(dòng)穩(wěn)定性、安全性和乘坐舒適性的同時(shí)，也給車輛的供電系統(tǒng)帶來了相應(yīng)的負(fù)擔(dān)。

胡東海等［8］對電渦流緩速器的耗能特性進(jìn)行了研究，對能耗進(jìn)行了參數(shù)化建模并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。圖2展示了不同制動(dòng)強(qiáng)度下，電渦流緩速器消耗電能的理論與實(shí)際值。實(shí)驗(yàn)表明：電渦流緩速器在制動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，存在耗能較高的問題。基于此，除了對電渦流緩速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)［9］，他們還研究了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制方法對車用電渦流緩速器耗能特性的影響［10］。實(shí)驗(yàn)證明，雖然對制動(dòng)力矩采用無級控制后其耗電量比分級控制有所減少，但耗電量依舊較大。此外，隨著人們對汽車的要求逐漸提高，越來越多的用電設(shè)備被安裝到汽車上，而這些車載用電設(shè)備在方便乘員生活的同時(shí)，也加大了汽車的用電負(fù)荷。例如：一臺行車記錄儀的耗電是300～800 mA／h；制冷空調(diào)百公里耗電量為11.5 kW·h。劉保國等［11］詳細(xì)列舉了汽車所有常見用電器所需的電功率，并計(jì)算了整車用電器的用電量。結(jié)果表明：目前汽車蓄電池或發(fā)電機(jī)需要提供相當(dāng)大的電能才能滿足車載用電設(shè)備的工作。

因此，在車載用電設(shè)備數(shù)量增多的情況下，再安裝耗能的電渦流緩速器，對于商用汽車供電系統(tǒng)來說，無疑是再增難題。與此同時(shí)，電渦流緩速器工作時(shí)的大量電流也給車載用電器的工作帶來了沖擊和影響。

現(xiàn)有的汽車供電系統(tǒng)主要是發(fā)電機(jī)與蓄電池的并聯(lián)，當(dāng)汽車需要的電能增多時(shí)會增加發(fā)電機(jī)的工作負(fù)擔(dān)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，50 kW 柴油發(fā)電機(jī)組耗油量約為13.1 L／h；75 kW 柴油發(fā)電機(jī)組耗油量為19.7 L／h；100kW 柴油發(fā)電機(jī)組耗油量為26.25 L／h；150 kW 柴油發(fā)電機(jī)組耗油量為39.4 L／h。隨著發(fā)電量的提高，汽車的燃油消耗和排放量也逐漸增大。

此外，針對汽車緩速器的法律法規(guī)也日趨完善。我國在GB7258—2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中也明確規(guī)定：車長大于9 m的客車（對專用校車為車長大于8 m）、總質(zhì)量大于等于12 000 kg的貨車和專項(xiàng)作業(yè)車、所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車，應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置［12］。2015年7月已正式實(shí)施GB12676—2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》［13］，該標(biāo)準(zhǔn)明確提出了緩速器實(shí)驗(yàn)方法和制動(dòng)要求。2017年1月1日，國家又頒布了GB／T32692—2016《商用車輛緩速制動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法》［14］作為GB／T12676的配套標(biāo)準(zhǔn)。

由于電渦流緩速器工作時(shí)需要供應(yīng)的大量電流不僅影響了其他車載用電器的工作，而且加重了發(fā)電機(jī)的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致汽車燃油消耗量和排放增多，不利于交通運(yùn)輸行業(yè)的節(jié)能減排，加之國家對于安裝輔助制動(dòng)裝置的法律法規(guī)越來越完善，因此，在這樣的背景下，開發(fā)具有能量回收功能的電渦流緩速器十分重要。

自勵(lì)式緩速器（self-excited retarder，SER）是一種具有能量回收功能的汽車輔助制動(dòng)裝置，它無需通過外電源向繞組通電，而利用車輛動(dòng)能通過自身發(fā)電，即將一部分車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，獨(dú)立地供給緩速器，減輕了車載蓄電池的負(fù)擔(dān)，且不會對其他車載用電器的工作造成干擾。自勵(lì)式緩速器符合交通運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排的要求，市場應(yīng)用前景廣闊。

2 自勵(lì)式緩速器的工作原理

自勵(lì)式緩速器的工作原理與普通電渦流緩速器工作原理類似，即在汽車制動(dòng)時(shí)，緩速器將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為渦流的熱能散發(fā)出去，從而達(dá)到車輛減速制動(dòng)的效果。不同的是，自勵(lì)式緩速器工作所需要的電流無需外部提供。以下結(jié)合典型結(jié)構(gòu)對其工作原理進(jìn)一步闡述。

目前國內(nèi)外研究人員提出了各種結(jié)構(gòu)形式的自勵(lì)式緩速器，但總體而言，自勵(lì)式緩速器主要由定子、轉(zhuǎn)子和控制器組成。在各種結(jié)構(gòu)形式中，具有典型意義的主要有：日本澤騰電機(jī)株式會社制造的自勵(lì)式緩速器和雙凸極液冷自勵(lì)式緩速器。

作為最早開始研究緩速器的企業(yè)之一，日本澤騰電機(jī)株式會社制造的自勵(lì)式緩速器內(nèi)置了世界首創(chuàng)的勵(lì)磁機(jī)（磁力發(fā)電機(jī)），其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示：左邊為自勵(lì)式緩速的定子部分，內(nèi)部有緩速裝置的勵(lì)磁線圈和發(fā)電裝置的繞組；右邊為轉(zhuǎn)子部分，分為內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子。內(nèi)轉(zhuǎn)子嵌有永磁體，外轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)筒構(gòu)成。定子安裝于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子之間，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子通過法蘭實(shí)現(xiàn)與汽車傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

該結(jié)構(gòu)首次將發(fā)電機(jī)內(nèi)置于緩速器，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電裝置與緩速器的集成，便于自勵(lì)式緩速器與整車進(jìn)行裝備，對實(shí)現(xiàn)體積質(zhì)量輕量化設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

它的工作原理是：內(nèi)轉(zhuǎn)子在法蘭的作用下跟隨傳動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在內(nèi)轉(zhuǎn)子上的永磁體形成旋轉(zhuǎn)磁場。此時(shí)，定子內(nèi)部的發(fā)電裝置繞組開始切割磁感線，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)自勵(lì)式緩速器開始工作時(shí)，發(fā)電裝置繞組與緩速裝置的勵(lì)磁線圈接通，發(fā)電裝置繞組內(nèi)的電流經(jīng)過整流后通到勵(lì)磁線圈中，勵(lì)磁線圈形成磁極對外轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，外轉(zhuǎn)子即轉(zhuǎn)筒切割磁感線并在其內(nèi)表面產(chǎn)生電渦流。最終，汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電渦流的熱能，通過風(fēng)冷的方式散發(fā)到空氣中，實(shí)現(xiàn)車輛的減速。

不同于上述結(jié)構(gòu)和冷卻方式，美國專利“Liquidcooled Self-excited Eddy Current Retarder With A Structure of Two Salient Poles”（公開號US09178404B2）公開了一種由北京工業(yè)大學(xué)提出的具有2個(gè)凸極轉(zhuǎn)子的液冷自勵(lì)式緩速器，即雙凸極液冷自勵(lì)式緩速器。如圖4所示，其結(jié)構(gòu)由緩速器轉(zhuǎn)子、緩速器定子、緩速器線圈、緩速器發(fā)電機(jī)和控制模塊組成。緩速器轉(zhuǎn)子連接到傳動(dòng)軸上，定子內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子的外圓同軸。緩速器線圈是獨(dú)立的并且設(shè)置在緩速器轉(zhuǎn)子的2個(gè)凸極之間。

基于自勵(lì)式緩速器散熱性能的提升，該設(shè)計(jì)參考橫向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并通過在定子內(nèi)加工水道，使電渦流的熱能由水道內(nèi)的冷卻水吸收，緩解了溫升問題，提升了自勵(lì)式緩速器的散熱性能，對于減少制動(dòng)力矩的熱衰退有重要的參考意義。

它的工作原理是：轉(zhuǎn)子隨傳動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)子上的永磁體形成旋轉(zhuǎn)的磁場。定子上的發(fā)電機(jī)電樞繞組切割磁感線形成電流。當(dāng)緩速器的開關(guān)打開時(shí)，發(fā)電繞組中的電流經(jīng)過整流模塊流入緩速器線圈中產(chǎn)生橫向磁通的磁場，磁感線經(jīng)過定子—?dú)庀丁D(zhuǎn)子—?dú)庀缎纬苫芈?。由電磁感?yīng)定律可知，在定子內(nèi)表面將產(chǎn)生電渦流，電渦流在具有一定電阻的定子內(nèi)表面流動(dòng)并發(fā)熱，由此將汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電渦流的熱能，由水道內(nèi)的冷卻水吸收。

3 自勵(lì)式緩速器的研究進(jìn)展

3.1 國外研究

歐洲等地區(qū)雖然很早就開始了對緩速器的研究，液力緩速器、電渦流緩速器的相關(guān)技術(shù)已基本成熟，但關(guān)于自勵(lì)式緩速器的研究并不多。目前國外最新研究自勵(lì)式緩速器的地區(qū)有日本、韓國、美國和歐洲。

日本研究緩速器的歷史長達(dá)20余年，自勵(lì)式緩速器最先在日本得到發(fā)展。隨著日本政府2003年強(qiáng)制要求大型車必須安裝緩速器，一些企業(yè)如住友金屬工業(yè)株式會社、澤騰電機(jī)株式會社、曙制動(dòng)器工業(yè)公司、東京部品工業(yè)公司、?？速惖瞎荆ㄔ蠼鹬谱魉┖腿找捌嚬径奸_展對各種類型緩速器的研究，如永磁式緩速器、電渦流緩速器、液力緩速器、發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器等。日本澤騰電機(jī)株式會社制造出世界上第一臺自勵(lì)式緩速器，有2款制動(dòng)力矩不同的產(chǎn)品可供用戶選擇，分別為490 N·m和980 N·m，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。作為世界上第一臺自勵(lì)式緩速器，其具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1）內(nèi)置激勵(lì)器，無需電池供電。

2）由于能從激勵(lì)器輸出檢測到車速，因此不需要車速傳感器。

3）制動(dòng)力矩的大小可通過計(jì)算機(jī)控制，即通過ECU來控制全波整流電路通向勵(lì)磁線圈電流的大小。

針對自勵(lì)式緩速器的發(fā)電部分，Bae J N［15］介紹了一種可作為自勵(lì)式緩速器發(fā)電裝置的發(fā)電機(jī)，并提出了一種有效的控制方法和實(shí)現(xiàn)電路。通過切換該電路，改變緩速器等效電路的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)力矩的控制。盡管自勵(lì)式緩速器的發(fā)電裝置屬于一種高壓大電流電機(jī)，但使用現(xiàn)有價(jià)格低廉的電子器件，如低壓大電流額定值的MOSFET、二極管和極性電容器，就可以對其實(shí)現(xiàn)控制。發(fā)電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明該電路和控制方法是有效的。Bae J N等［16］介紹了一種與傳統(tǒng)電磁制動(dòng)器結(jié)構(gòu)相同，與自勵(lì)式發(fā)電機(jī)原理相同的再生式電磁制動(dòng)器，并設(shè)計(jì)了一個(gè)微型模型，在給定的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)選擇了合適的自勵(lì)等效電路參數(shù)。此外，還介紹了一種由轉(zhuǎn)速、電容和定子電阻組成的三維結(jié)構(gòu)圖，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)階段自的可能性，最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。針對自勵(lì)式緩速器中的發(fā)電裝置，Bae J N等介紹了其構(gòu)成及模擬控制電路，基于此提出了一種重型汽車的輔助制動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作了模型并進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)［17］。該系統(tǒng)的制動(dòng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的渦流制動(dòng)相同，但工作原理是利用自勵(lì)式發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作。

Cho SY［18］對自勵(lì)式緩速器的性能進(jìn)行了分析，采用電容器代替電壓源連接自勵(lì)式緩速器的定子繞組，由L-C諧振產(chǎn)生制動(dòng)力。研究表明：SER具有廣泛的驅(qū)動(dòng)范圍和非線性電感的特點(diǎn)。因此，根據(jù)電感值選擇電容十分重要。此外，文章討論了基于各轉(zhuǎn)速下電感變化來確定電容和諧振頻率變化的過程，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定了緩速器制動(dòng)力的大小。

Jung等［19］采用電壓控制的方法來控制自勵(lì)式緩速器中產(chǎn)生的電能。為了將制動(dòng)能量再生為電能，緩速器發(fā)電裝置中配有諧振L-C電路。此外，作者分析了諧振電路電壓隨場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)脈沖的變化情況。針對這種電壓的控制，作者提出了一種采用PI控制器的算法?？刂齐妷和ㄟ^三相AC／DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，然后通過DC／DC轉(zhuǎn)換器為汽車蓄電池充電，最終借助Matlab／Simulink對自勵(lì)式緩速器及其控制器進(jìn)行了驗(yàn)證。

Yazdanpanah R等［20］研究了一種混合式電磁制動(dòng)器，制動(dòng)器中的磁通源可以由永磁體或電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生。針對這2種制動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，提出了相應(yīng)制動(dòng)部分、輔助部分即發(fā)電機(jī)組和接口電路的設(shè)計(jì)原則。此外作者討論了設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)以及與建議配置相關(guān)的性能指標(biāo)，并采用有限元方法對設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，最終制作了樣機(jī)并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)和仿真研究的結(jié)果。

美國專利“Self-Excited Eddy Current Liquid-Cooled Retarder”（公開號US20130015026A1）公開了一種自勵(lì)式渦流液體冷卻緩速器，包括緩速器轉(zhuǎn)子、緩速器定子、控制模塊和發(fā)電機(jī)組。緩速器轉(zhuǎn)子包括緩速器線圈、電磁鐵芯和芯籠。該發(fā)明在定子中設(shè)計(jì)水道對緩速器進(jìn)行冷卻，大大減少了自勵(lì)式緩速器熱衰退的問題。美國專利“Liquid-cooled Self-excited Eddy Current Retarder With A Structure of Two Salient Poles”（公 開 號US09178404B2）公開了一種具有2個(gè)凸極的液冷自勵(lì)式電渦流緩速器，采用了雙凸極轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式。美國學(xué)者Bernard A.Raad公開了一款具有典型結(jié)構(gòu)的汽車自勵(lì)式緩速器系統(tǒng)（公開號US6578681B1）。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2個(gè)改進(jìn)：第1個(gè)改進(jìn)是使用一個(gè)自勵(lì)式電磁器和液壓緩速器組合的系統(tǒng)；第2個(gè)改進(jìn)是緩速器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，包括使用永磁發(fā)電機(jī)齒輪比，該齒輪比允許在通過齒輪比與傳動(dòng)系耦合的副軸上布置永磁發(fā)電機(jī)。國際專利“Self-generating Retarder”（公開號WO／2013／086772）公開了一種自發(fā)電緩速器，包括定子總成、相對于定子總成旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子以及位于定子總成中的發(fā)電裝置。發(fā)明公開的自發(fā)電緩速器適用于各種移動(dòng)工具，克服了緩速器在大型或超大型運(yùn)輸中使用時(shí)由于電流不足而導(dǎo)致緩速器制動(dòng)力矩不足的缺點(diǎn)。美國專利“Self-charging Type Electromagnetic Retarder”（公開號US20160254738A1）公開了一種自充電式電磁緩速器，包括具有定子軛的定子、形成多相連接的多個(gè)磁線圈、鋼轉(zhuǎn)子、控制裝置、可在高旋轉(zhuǎn)區(qū)域工作的電磁緩速器和用于存儲多余電能的電容器。在高轉(zhuǎn)速區(qū)，從發(fā)電裝置獲得的多余電能存儲在電容器中；在低轉(zhuǎn)速區(qū)，線圈中的磁場由存儲在電容器部分的電能激發(fā)。

歐洲專利“Autonomous Retarder System For A Vehicle and Vehicle Including Same”（公 開 號EP3181393A1）公開了一種車輛自動(dòng)緩速器系統(tǒng)，包括具有中心轉(zhuǎn)子和2個(gè)定子的緩速器以及與緩速器耦合的發(fā)電機(jī)，用于向緩速器提供電能。緩速裝置中帶有一個(gè)溫度傳感器，用于測量緩速器的工作溫度并將結(jié)果傳送至調(diào)節(jié)器，在溫度超過閾值時(shí)降低來自發(fā)電機(jī)的電流。此外，歐洲地區(qū)研究自勵(lì)式緩速器的主要是法國泰樂瑪有限公司（Telma），預(yù)計(jì)于2020年在市場上推出自勵(lì)式緩速器樣機(jī)。

由上看出，國外的研究主要針對自勵(lì)式緩速器的發(fā)電裝置，包括發(fā)電機(jī)電路設(shè)計(jì)、電路控制、電與永磁體的復(fù)合勵(lì)磁以及自勵(lì)式緩速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。在發(fā)電技術(shù)方面，韓國學(xué)者采用常見的電力電子器件來控制自勵(lì)式緩速器的發(fā)電電路，雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但MOSFET、二極管等存在擊穿電壓低、通流電流小、工作范圍窄等缺點(diǎn)，不利于自勵(lì)式緩速器工作的穩(wěn)定性。對于混合勵(lì)磁方式的研究中，雖然Reza Yazdanpanah提出了相應(yīng)制動(dòng)部分、發(fā)電機(jī)組和接口電路的設(shè)計(jì)原則，但缺少對混合勵(lì)磁控制方式的研究。

3.2 國內(nèi)研究

相比于國外，國內(nèi)對緩速器的整體研究開始較晚，目前商用汽車上使用的緩速器主要有電渦流緩速器、液力緩速器和發(fā)動(dòng)機(jī)緩速器。自勵(lì)式緩速器主要還處在研究階段，專家學(xué)者們還在設(shè)計(jì)與論證自勵(lì)式緩速器的各種結(jié)構(gòu)方案。其中，對其展開深入研究的主要有北京工業(yè)大學(xué)李德勝教授課題組和江蘇大學(xué)何仁教授課題組等。

江蘇大學(xué)何仁教授在轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器的基礎(chǔ)上內(nèi)嵌了發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)了緩速器的自勵(lì)功能。如圖5，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為2大部分：機(jī)械裝置與電控裝置。其中，機(jī)械裝置又分為轉(zhuǎn)子與定子。轉(zhuǎn)筒與永磁體磁極構(gòu)成了轉(zhuǎn)子部分，線圈和發(fā)電裝置的電樞構(gòu)成了定子部分。定子外側(cè)的緩速磁極一般有8個(gè)、10個(gè)或12個(gè)鐵心，鐵心由高導(dǎo)材料制成，在定子外側(cè)呈圓周分布。鐵心上套有作為磁極的勵(lì)磁繞組。圓周上2個(gè)勵(lì)磁繞組相對布置，串聯(lián)或并聯(lián)成一組磁極，且N、S極相間。圖6為自勵(lì)式緩速器的轉(zhuǎn)子與定子模型圖。

該結(jié)構(gòu)繼承了轉(zhuǎn)筒式布置結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，體積質(zhì)量小，實(shí)現(xiàn)了自勵(lì)式緩速器的輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)與上述美國專利對自勵(lì)式緩速器采用液冷方式不同，該結(jié)構(gòu)采用風(fēng)冷設(shè)計(jì)，通過對轉(zhuǎn)子筒外形進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在其外側(cè)布置散熱齒，并在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，合理選擇散熱齒的參數(shù)，提升了轉(zhuǎn)子筒周圍的空氣流量，改善了緩速器溫升問題。

郭文光等［4］提出一種能動(dòng)型電磁液冷緩速器，其本質(zhì)仍屬于自勵(lì)式緩速器的范疇。其結(jié)構(gòu)為液冷式電渦流緩速器搭配單相外轉(zhuǎn)子磁阻電機(jī)。作者對渦流制動(dòng)和電機(jī)的再生復(fù)合制動(dòng)建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化了磁阻電機(jī)的開通角、關(guān)斷角，并結(jié)合數(shù)值方法，對新型結(jié)構(gòu)的發(fā)電性能、緩速性能進(jìn)行分析。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和創(chuàng)新之處在于：將自勵(lì)式緩速器發(fā)電裝置常用的永磁電機(jī)換成了開關(guān)磁阻電機(jī)，大大減少了轉(zhuǎn)子上線圈的數(shù)量，充分將車輛制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用；結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有冷卻水道，通過采取水冷的冷卻方式，大大減少了溫升帶來的制動(dòng)力矩?zé)崴ネ藛栴}。缺點(diǎn)在于：由于開關(guān)磁阻電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子都有齒槽，氣隙磁場畸變較嚴(yán)重，相比永磁同步電機(jī)，只有定子開有槽，因此磁阻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪音較大；開關(guān)磁阻電機(jī)為了進(jìn)行再生制動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生與消耗的電流較大，需要配合超級電容進(jìn)行工作。此外，由于定子內(nèi)部設(shè)有冷卻水道，增加了加工的難度與成本。

江蘇超力電器有限公司所研發(fā)的緩速器（ZL200520075634.X）是一種轉(zhuǎn)筒式自勵(lì)式緩速器，如圖8～9。

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置的不同，可分為雙層自勵(lì)式和雙列自勵(lì)式電渦流緩速器。雙層的結(jié)構(gòu)為發(fā)電機(jī)與定、轉(zhuǎn)子徑向布置，緩速器轉(zhuǎn)子與定子布置在外層。雙列式即緩速器和發(fā)電機(jī)軸向并列。

除了對自勵(lì)式緩速器采用筒式（鼓式）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，研究人員提出了盤式結(jié)構(gòu)自勵(lì)式緩速器的技術(shù)方案。從國內(nèi)個(gè)人申請的專利來看，蘇新頁所申請的名為“自發(fā)電渦流緩速器”的專利（ZL200520018917.0）是一種盤式結(jié)構(gòu)的自勵(lì)式緩速器。具體結(jié)構(gòu)如圖10所示，緩速器由永磁發(fā)電機(jī)、渦流輪盤以及電磁鐵構(gòu)成。通過盤式的結(jié)構(gòu)布置，實(shí)現(xiàn)了對原有空間的充分利用，并在提升制動(dòng)力矩效果的同時(shí)，減少了緩速器的熱衰退現(xiàn)象。

此外，由于自勵(lì)式緩速器相比于原來的電渦流緩速器，只需加上發(fā)電裝置即可，因此，可根據(jù)發(fā)電裝置的布置方式對自勵(lì)式緩速器進(jìn)行分類，具體可分為分開式與集成式2種。分開式：獨(dú)立發(fā)電機(jī)的主軸和汽車傳動(dòng)軸之間利用皮帶或齒輪聯(lián)接。集成式：在電渦流緩速器勵(lì)磁繞組的基礎(chǔ)上增加幾組附屬發(fā)電線圈和永磁體。以上介紹的自勵(lì)式緩速器，從發(fā)電裝置的布置方式角度來說均屬于集成式，下面介紹一種分開式自勵(lì)式緩速器。

深圳特爾佳科技股份有限公司申請了一項(xiàng)“緩速器的獨(dú)立供電設(shè)備”的專利（ZL200520068141.3），是一種典型的分開式自勵(lì)式緩速器，即通過在緩速器旁布置發(fā)電機(jī)，并將獨(dú)立發(fā)電機(jī)的主軸和汽車傳動(dòng)軸之間利用皮帶聯(lián)接，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電供給緩速器，其具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

由于直接在電渦流緩速器旁接了一個(gè)發(fā)電機(jī)，該自勵(lì)式緩速器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維修等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在質(zhì)量體積大、不利于裝車、集成度不高等缺點(diǎn)。

以上介紹了國內(nèi)研究人員對自勵(lì)式緩速器結(jié)構(gòu)方面作出的設(shè)計(jì)與論證，在其他論文和專利中存在某些結(jié)構(gòu)都與上述其中一種類似，故在此不作贅述。除了結(jié)構(gòu)論證外，國內(nèi)專家學(xué)者們在自勵(lì)式緩速器其他方面也做了大量研究，包括勵(lì)磁方式、數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)與仿真、場量分析、控制方式及策略、臺架試驗(yàn)等。

寇寶泉等［21］對一種混合激勵(lì)線性渦流制動(dòng)器進(jìn)行了熱分析?；旌蟿?lì)磁直線渦流制動(dòng)器的氣隙磁通由勵(lì)磁繞組和永磁體提供，由于結(jié)合了2種方式勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)，渦流制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力較大且易于控制。但另一方面，勵(lì)磁繞組和導(dǎo)體板的發(fā)熱值較高，有必要對渦流制動(dòng)器的熱特性進(jìn)行分析，以避免制動(dòng)性能下降甚至損壞裝置。此外，作者介紹了渦流制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及建立了渦流制動(dòng)器的分析模型，并考慮渦流制動(dòng)器周圍的實(shí)際氣流，建立了渦流制動(dòng)器的熱網(wǎng)模型。最后，通過穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱網(wǎng)模型的有效性。

為了克服由于發(fā)熱導(dǎo)致制動(dòng)力矩衰減問題，張凱等［22］提出了一種新型液冷自勵(lì)式緩速器，并運(yùn)用有限元法對緩速器進(jìn)行電磁場與性能分析。同樣，為了解決熱衰退問題并基于節(jié)能的目的，zhang等［23］設(shè)計(jì)了一種自勵(lì)式電磁液冷緩速器，該設(shè)計(jì)包括具有內(nèi)部冷卻通道的定子、具有多個(gè)磁頭的轉(zhuǎn)子和不帶電刷的集成發(fā)電機(jī)。作者介紹了結(jié)構(gòu)組成及原理，建立了發(fā)電與制動(dòng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行有限元仿真，最終通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)電功能以及熱衰退現(xiàn)象是否明顯。

Wang等［24］介紹了一種用于自勵(lì)緩速器的雙爪極結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)。爪極在轉(zhuǎn)子兩側(cè)錯(cuò)開，構(gòu)成N極和S極磁極的軸向磁路，并利用JMAG軟件對空載和空載時(shí)的氣隙磁場進(jìn)行了模擬。此外作者研究了電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響，通過對發(fā)電機(jī)漏磁的分析和相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得出了空載電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與磁場漏磁系數(shù)的關(guān)系曲線。最后作者給出了該電機(jī)的空載特性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，證明其能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

Xia等［25］根據(jù)電渦流緩速器的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和能量回收特點(diǎn)，闡述了自勵(lì)式電渦流緩速器的設(shè)計(jì)方案，并通過Matlab／Simulink建立了緩速器的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。此外基于圓盤式電渦流緩速器與永磁發(fā)電機(jī)的功能組合，作者設(shè)計(jì)制造了自勵(lì)式緩速器樣機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的自勵(lì)式電渦流緩速器具有良好的能量特性和穩(wěn)定性。

楊效軍等［26］根據(jù)傳熱學(xué)和有限元理論分析了自勵(lì)式緩速器的瞬態(tài)溫度場，通過轉(zhuǎn)子溫度場模型推導(dǎo)了內(nèi)熱源強(qiáng)度、深度計(jì)算公式；分析了基于不同初始轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子溫度場徑向分布和隨時(shí)間變化的規(guī)律。實(shí)際試驗(yàn)證明：隨著工作溫度的上升，提出模型的理論值較好地吻合了實(shí)驗(yàn)值，對自勵(lì)式緩速器的結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)有重要借鑒意義。Yang等［27］以矢量磁勢為變量，對瞬態(tài)電磁場的數(shù)值分析作了6個(gè)合理的假設(shè)。在此基礎(chǔ)上，對瞬變電磁場的定解和有限元進(jìn)行了詳細(xì)地描述，同時(shí)考慮了發(fā)電機(jī)組的外部電路和端部效應(yīng)，提高了計(jì)算精度。另外，作者將有限元方程和外電路方程結(jié)合起來形成場-電路耦合方程，然后用Crank-Nicolson方法建立了其時(shí)空離散模型。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該發(fā)電機(jī)組的理論性能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，且發(fā)電機(jī)組能滿足制動(dòng)機(jī)組對勵(lì)磁電流的要求。此外，基于溫度對于制動(dòng)力矩的影響，楊效軍等提出一種對制動(dòng)力矩的閉環(huán)模糊控制［28］。模糊控制的輸入為轉(zhuǎn)子溫差及其變化率，輸出為可控硅控制角變化量。根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明模糊控制能有效減少由于溫度變化而對制動(dòng)力矩產(chǎn)生的影響。

沈海軍等［29］提出了一種自勵(lì)式緩速器的結(jié)構(gòu)方案，并以制動(dòng)力矩為目標(biāo)，制作了緩速器樣機(jī)，最后在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了制動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)子溫度和1 500 r／min的試驗(yàn)，揭示了自勵(lì)式緩速器的相關(guān)特性。劉文光等［30］針對電渦流緩速器的功耗問題，設(shè)計(jì)了一種新型的自勵(lì)式電渦流緩速器。為了提高其制動(dòng)力矩，提出了幾種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的方案，并采用控制變量法進(jìn)行了仿真分析，得到了自勵(lì)式緩速器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)；為了驗(yàn)證其可行性，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對制動(dòng)力矩的影響。年曉紅［31］提出將無刷直流電機(jī)運(yùn)用到的再生制動(dòng)系統(tǒng)中，并對制動(dòng)力矩的大小采用PID控制和模糊控制，提高了系統(tǒng)的效率和魯棒性。劉睿豪等［32］新提出了一種針對自勵(lì)式緩速器發(fā)電部分的設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)臺架對發(fā)電機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，該發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能滿足汽車的使用要求。涂琨等［33］在論述電磁制動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，分析了電磁制動(dòng)與制動(dòng)能量回收集成的必要性并分析現(xiàn)有集成方案，提出未來的重點(diǎn)研究方向。李明赫等［34］提出了一種雙凸極自勵(lì)式緩速器的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將雙凸極液冷緩速器與永磁發(fā)電機(jī)相結(jié)合。通過有限元分析、設(shè)計(jì)制作樣機(jī)、臺架試驗(yàn)，對所設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)電部分與緩速部分的驗(yàn)證。鄭然［35］主要對自勵(lì)式緩速器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，基于單片機(jī)對各控制模塊進(jìn)行開發(fā)并研發(fā)出基于J1939協(xié)議的緩速器控制系統(tǒng)，最后提出了針對控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法。

由上可知，國內(nèi)針對自勵(lì)式緩速器的研究涵蓋了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與論證、發(fā)電裝置、緩速裝置以及控制系統(tǒng)等方面。對于自勵(lì)式緩速器發(fā)電裝置主要集中在結(jié)構(gòu)和勵(lì)磁方式的研究，自勵(lì)式緩速器在車速較低時(shí)發(fā)電量較小的問題并未得到很好解決；在控制方面，研究主要集中在對制動(dòng)力矩大小的控制，缺少對于發(fā)電模式與緩速模式切換的研究；盡管楊效軍等對自勵(lì)式緩速器工作溫度進(jìn)行了研究，建立了轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)溫度場模型，對結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)有重要意義，但未考慮自勵(lì)式緩速器的能量管理以及與主制動(dòng)系的熱量分配策略等。因此，未來各方面的研究都有待進(jìn)一步深化拓展。

4 自勵(lì)式緩速器關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前面對自勵(lì)式緩速器結(jié)構(gòu)與工作原理的分析，決定自勵(lì)式緩速器性能的主要因素有：自勵(lì)式緩速器的發(fā)電裝置技術(shù)、制動(dòng)力矩的計(jì)算與控制、緩速器的熱管理與冷卻方式，以及自勵(lì)式緩速器與主制動(dòng)器的匹配等。其中發(fā)電裝置技術(shù)又包括發(fā)電機(jī)理和發(fā)電量控制2方面；自勵(lì)式緩速器與主制動(dòng)器的匹配技術(shù)包括系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)和系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制2方面。只有對以上決定自勵(lì)式緩速器性能的主要因素進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的成熟，將來才有可能實(shí)現(xiàn)自勵(lì)式緩速器的商業(yè)化。

4.1 發(fā)電裝置技術(shù)

自勵(lì)式緩速器本質(zhì)上是將原本由蓄電池向電渦流緩速器供電轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓛?nèi)置發(fā)電機(jī)向電渦流緩速器供電。因此，發(fā)電裝置的技術(shù)水平對于自勵(lì)式緩速器的性能有著決定性影響。目前發(fā)電裝置的關(guān)鍵技術(shù)主要有發(fā)電機(jī)理、發(fā)電量控制等方面。

4.1.1 發(fā)電機(jī)理

大多數(shù)的文獻(xiàn)中都采用永磁發(fā)電機(jī)作為發(fā)電裝置，因?yàn)橛来虐l(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，且具有良好的直驅(qū)性能、高密度的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、功率以及高繞組利用率等特點(diǎn)。發(fā)電機(jī)理在于將永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子隨傳動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此形成了旋轉(zhuǎn)的磁場。定子內(nèi)部的發(fā)電繞組與旋轉(zhuǎn)的磁場存在相對運(yùn)動(dòng)，此時(shí)發(fā)電繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流。

張凱等［36］采用了另一種電勵(lì)磁的方式即直流發(fā)電機(jī)對緩速器線圈供電。具體地，當(dāng)緩速器開始工作時(shí)，發(fā)電裝置的勵(lì)磁繞組在控制器的作用下通電，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢提供給緩速器線圈。

采用永磁體勵(lì)磁的優(yōu)勢在于：

1）由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上無電流，減少了勵(lì)磁損耗，電機(jī)的效率、功率因數(shù)得到了提高。

2）發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，便于與緩速器集成。

3）與電勵(lì)磁相比，采用永磁體勵(lì)磁減少了對于車載電路的負(fù)擔(dān)且永磁體具有能量密度高等特點(diǎn)。

缺點(diǎn)如下：

1）永磁體受高溫影響會產(chǎn)生不可逆的退磁現(xiàn)象。緩速器的工作原理是將汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，因此在高溫的工作環(huán)境下，永磁體很可能失磁，造成電機(jī)的性能下降。

2）磁場控制。永磁體可以一直維持磁場，然而也給控制帶來了一定的難度。

4.1.2 發(fā)電量控制

根據(jù)自勵(lì)式緩速器的工作原理，制動(dòng)力矩的大小直接決定于發(fā)電裝置通向緩速裝置線圈的電流，因此，發(fā)電裝置的發(fā)電量是評價(jià)自勵(lì)式緩速器性能的條件之一。

Bae J N等［15］主要針對發(fā)電部分的外電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。楊效軍等［27］通過有限元法，建立麥克斯韋方程組，對瞬態(tài)電磁場和發(fā)電性能進(jìn)行計(jì)算。在建立瞬態(tài)磁場的過程中，選用磁矢位的方法進(jìn)行分析，并作合理的假設(shè)和簡化。在軟件仿真和實(shí)際試驗(yàn)后，得出發(fā)電機(jī)的輸出電壓能夠達(dá)到緩速器制動(dòng)力矩（500 N·m）的標(biāo)準(zhǔn)。年曉紅［31］將直流無刷電機(jī)運(yùn)用到自勵(lì)式緩速器的發(fā)電設(shè)計(jì)中，提高了發(fā)電裝置的性能。劉睿豪等［32］提出了一種新的自勵(lì)式緩速器結(jié)構(gòu)，借助有限元法對發(fā)電機(jī)進(jìn)行磁場仿真，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明電流能夠達(dá)到55 A，且能滿足制動(dòng)需求。張龍喜［37］提出設(shè)計(jì)了凸極發(fā)電機(jī)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件在緩速器空載與負(fù)載2個(gè)工況下對磁場進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)所提供的發(fā)電量能夠滿足緩速器所需要的功率。石助利［38］首先根據(jù)功率等級與電壓等級確定發(fā)電機(jī)參數(shù)，其次在將電能存儲時(shí)提出將超級電容器作為自勵(lì)式緩速器的儲能原件，相比原來使用蓄電池，超級電容器具有存儲容量大、充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 制動(dòng)力矩的計(jì)算與控制

對于輔助制動(dòng)裝置來說，制動(dòng)力矩的大小是衡量其性能優(yōu)劣的重要因素。由于自勵(lì)式緩速器本質(zhì)上是由發(fā)電機(jī)向電渦流緩速器供電，因此其制動(dòng)力矩的計(jì)算可根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，參考電渦流緩速器的計(jì)算方式。

在計(jì)算制動(dòng)力矩時(shí)，通常先建立幾何模型，然后結(jié)合實(shí)際對問題進(jìn)行簡化。在計(jì)算制動(dòng)力矩時(shí)，我們常常做的簡化條件有：忽略繞組的漏磁，假定產(chǎn)生的磁通只存在于磁極內(nèi)；忽略磁路的飽和及磁滯損耗對于導(dǎo)磁材料參數(shù)的影響等。基于上述假設(shè)，建立合適的坐標(biāo)系，根據(jù)電磁學(xué)理論知識對建立的模型進(jìn)行分析。在自勵(lì)式緩速器制動(dòng)力矩計(jì)算時(shí)，常常采用感生電動(dòng)勢的計(jì)算方法，計(jì)算出制動(dòng)的功率，由功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系得到緩速器的制動(dòng)力矩，如楊效軍等［39］根據(jù)轉(zhuǎn)筒式電渦流緩速器推出的制動(dòng)力矩計(jì)算公式如（1）所示。在推導(dǎo)出制動(dòng)力矩的計(jì)算公式后，就可根據(jù)公式推測參數(shù)對于制動(dòng)力矩的影響。

在推導(dǎo)出制動(dòng)力矩后，往往需要根據(jù)車輛的行駛狀況和目標(biāo)需求對制動(dòng)力矩的大小進(jìn)行控制。由于制動(dòng)力矩的形成是磁場相互作用的結(jié)果，因此磁場強(qiáng)度的大小一定意義上決定了制動(dòng)力矩的大小。磁場是由電場激發(fā)，控制發(fā)電裝置輸入緩速裝置勵(lì)磁線圈中的電流就能達(dá)到控制制動(dòng)力矩的目標(biāo)。

在控制電流方面，主要分為手動(dòng)控制與智能控制。手動(dòng)控制與普通電渦流緩速器相似，即駕駛員可根據(jù)需要撥動(dòng)手柄至不同擋位（實(shí)則代表接通不同的繼電器線圈），來調(diào)節(jié)發(fā)電裝置輸入到勵(lì)磁線圈中的電流。在智能控制方面，通過將車輛的運(yùn)行參數(shù)及緩速器的工作狀態(tài)輸入到自勵(lì)式緩速器的控制器中，實(shí)現(xiàn)對輸出即電流的控制。楊效軍等［26］提出了一種自勵(lì)式緩速器制動(dòng)力矩的閉環(huán)模糊控制。在自勵(lì)式緩速器工作過程中，轉(zhuǎn)子的溫度會逐漸升高導(dǎo)致制動(dòng)力矩的下降。為了解決由于溫升帶來的緩速器熱衰退問題，作者提出了一種閉環(huán)二輸入單輸出的模糊控制規(guī)則，即輸入為轉(zhuǎn)子溫差和溫差變化率，輸出為可控硅控制角。通過控制角的變化來調(diào)節(jié)電流的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩。此外，石助利［38］對自勵(lì)式緩速器的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用SG3525單片機(jī)進(jìn)行控制，結(jié)合ABS信號、車速信號以及擋位信號對緩速器線圈中的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

張龍喜［37］則提出了通過微處理器控制發(fā)電部分輸入緩速器勵(lì)磁線圈中的電流。具體來說，控制系統(tǒng)包括手柄、微處理器、整流模塊、傳感器等。由傳感器采集發(fā)電機(jī)繞組中的信號和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過微處理器實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)繞組中電動(dòng)勢的改變，使得制動(dòng)力矩可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。

4.3 熱管理與冷卻方式

自勵(lì)式緩速器的工作原理是將汽車的動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去，且大多數(shù)的自勵(lì)式緩速器采用永磁體勵(lì)磁的方式，由于永磁體在高溫時(shí)會產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，所以需要研究自勵(lì)式緩速器的熱管理與冷卻方式。

類比電池包等散熱原理，大多數(shù)的冷卻方式分為2種：一是將熱源通過導(dǎo)熱介質(zhì)引出；二是結(jié)構(gòu)內(nèi)布置冷卻風(fēng)扇或水道，將冷源例如冷卻液等通入結(jié)構(gòu)內(nèi)對熱源進(jìn)行冷卻。自勵(lì)式緩速器的冷卻方式目前有2種：在外轉(zhuǎn)子表面加工散熱齒，通過風(fēng)冷的方式對于自勵(lì)式緩速器進(jìn)行冷卻；在定子內(nèi)加工冷卻水道，將冷卻水通入定子內(nèi)部進(jìn)行冷卻。

北京工業(yè)大學(xué)李德勝教授課題組采用緩速器液冷的方式。在定子內(nèi)設(shè)有冷卻水道（如圖12），緩速器在工作時(shí)定子產(chǎn)生大量的熱，冷卻水由水管3進(jìn)入定子水道4，將產(chǎn)生的熱量通過水循環(huán)帶走。液冷的方式盡管可以控制緩速器的工作溫度不至過高，減少制動(dòng)力矩的熱衰退，但卻存在以下問題：由于冷卻水管等結(jié)構(gòu)布置，導(dǎo)致緩速器整體體積偏大且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；在定子內(nèi)加工出水道，加工難度大、制作成本高；實(shí)際裝車時(shí)，需要額外從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)引入冷卻水。

除了液冷外，江蘇大學(xué)何仁教授課題組對自勵(lì)式緩速器采用風(fēng)冷的方式，并對緩速器的溫度場進(jìn)行了分析。劉文光等［40］利用緩速器樣機(jī)結(jié)合虛擬邊界法、電磁學(xué)和熱力學(xué)理論，建立起三維溫度場方程，得到了緩速器溫升方程以及制動(dòng)力矩與溫度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。楊效軍等［26］對自勵(lì)式緩速器轉(zhuǎn)子瞬態(tài)溫度場進(jìn)行分析，推導(dǎo)了相關(guān)公式并獲得轉(zhuǎn)子溫度與時(shí)間的變化規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)證明，瞬態(tài)溫度的理論值與實(shí)際值誤差較小。

溫升除了對制動(dòng)力矩造成影響外，對自勵(lì)式緩速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)也有一定的影響。楊志遠(yuǎn)［41］對轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元分析，主要進(jìn)行熱力計(jì)算，將熱應(yīng)力與速度載荷應(yīng)力相結(jié)合，即從熱-力耦合的角度來考慮轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度問題。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，影響應(yīng)力的主要是速度載荷，溫度對于應(yīng)力的影響并不大，因此轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

4.4 自勵(lì)式緩速器與主制動(dòng)器的匹配

自勵(lì)式緩速器作為輔助制動(dòng)裝置，與傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)構(gòu)成了汽車聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)不同工況下最優(yōu)的制動(dòng)效能，以及提高制動(dòng)時(shí)的舒適性與安全性，輔助制動(dòng)裝置的性能必須與主制動(dòng)器相匹配。匹配技術(shù)主要包括2方面：系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

4.4.1 系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

安裝輔助制動(dòng)裝置后，車輛的制動(dòng)力由輔助制動(dòng)裝置與主制動(dòng)器共同提供。由于緩速器將制動(dòng)力矩作用于傳動(dòng)軸，后輪的制動(dòng)力將變大，導(dǎo)致前后輪制動(dòng)力之比發(fā)生變化，對車輛的穩(wěn)定性造成影響。針對這個(gè)問題，楊效軍［42］研究了自勵(lì)式緩速器對于制動(dòng)時(shí)方向穩(wěn)定性的影響，分析了安裝自勵(lì)式緩速器汽車前、后制動(dòng)力分配曲線、β線、利用附著系數(shù)和附著效率的變化。結(jié)果表明，若緩速器制動(dòng)力矩較大，會增加后輪先抱死導(dǎo)致發(fā)生側(cè)滑的幾率。作者根據(jù)制動(dòng)法規(guī)，建立了主制動(dòng)器制動(dòng)力與輔助制動(dòng)裝置制動(dòng)力之間的比值與輔助制動(dòng)裝置制動(dòng)力的匹配關(guān)系，提出了最佳分配方法。根據(jù)分配方法，當(dāng)輔助制動(dòng)裝置與主制動(dòng)聯(lián)合作用時(shí)，合理的制動(dòng)力分配曲線在緩速器擋位變化時(shí)仍能滿足法規(guī)的要求。沈海軍對裝有緩速器的車輛提出了以4參數(shù)為變量、ECE法規(guī)為約束函數(shù)，以汽車空載和滿載時(shí)前后軸實(shí)際附著系數(shù)利用曲線與理想曲線間差值的平方和最小為目標(biāo)函數(shù)的汽車前后制動(dòng)力分配系數(shù)優(yōu)化方法。當(dāng)車輛實(shí)行聯(lián)合制動(dòng)時(shí)，受緩速器制動(dòng)力的影響，使原車的前后制動(dòng)力分配曲線發(fā)生變化。從優(yōu)化匹配結(jié)果可以看出，安裝緩速器后，要使車輛制動(dòng)性能符合ECE制動(dòng)法規(guī)，必須增大原車前后制動(dòng)力分配系數(shù)β，而且要注意緩速器的最大制動(dòng)力矩與整車參數(shù)的匹配。

除了制動(dòng)性能方面的匹配設(shè)計(jì)外，還需考慮自勵(lì)式緩速器在散熱性能和電氣特性方面與主制動(dòng)器的匹配。

4.4.2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制主要考慮的是輔助制動(dòng)與主制動(dòng)器的工作狀態(tài)以及制動(dòng)力分配問題。

涂琨等［33］對汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)與防抱死系統(tǒng)的兼容問題進(jìn)行了研究。他將汽車制動(dòng)工況分為緊急制動(dòng)與非緊急制動(dòng)，在緊急制動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)防抱死控制。為了提高復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的緊急制動(dòng)特性，劉學(xué)軍等［43］設(shè)計(jì)了一套復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)并設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，使系統(tǒng)具有更高的響應(yīng)速度和制動(dòng)穩(wěn)定性。何仁等［44］提出以汽車滑移率為輸入、以電磁制動(dòng)器通電電流為輸出的模糊控制器，縮短車輛的制動(dòng)距離。何仁等［45］研究了輔助制動(dòng)裝置制動(dòng)與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)切換時(shí)控制策略，目的在于充分利用輔助裝置進(jìn)行制動(dòng)并確保模式切換時(shí)的制動(dòng)舒適性。張露等［46］以內(nèi)嵌側(cè)向力約束的二自由度車輛模型為參考模型，基于直接制動(dòng)輸入分配和模糊補(bǔ)償控制提出了一種集成再生制動(dòng)的電動(dòng)汽車穩(wěn)定性控制策略。該策略具有很好的魯棒性和橫擺穩(wěn)定性，減小了橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的跟蹤誤差，即增加了行車安全性，又具有一定的制動(dòng)能回收率。于海峰［47］對分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)與ABS協(xié)同控制進(jìn)行了研究，提出了一種基于制動(dòng)強(qiáng)度、車速和電池SOC的制動(dòng)力分配策略，該總體控制方案在ABS控制過程中以再生制動(dòng)調(diào)節(jié)為主、機(jī)械制動(dòng)調(diào)節(jié)為輔，并在再生制動(dòng)的調(diào)節(jié)策略中加入了模糊自適應(yīng)整定的PID控制器，以提高車輪滑移率的控制品質(zhì)。

5 自勵(lì)式緩速器未來發(fā)展

雖然研究人員對自勵(lì)式緩速器展開了諸多研究，但目前為止，自勵(lì)式緩速器還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在市場上仍未見成熟的產(chǎn)品，究其原因主要有2個(gè)：技術(shù)問題與成本問題。其中限制自勵(lì)式緩速器商業(yè)化的技術(shù)問題主要有2個(gè)：自勵(lì)式緩速器制動(dòng)力矩較小和緩速器的溫升較高。

1）自勵(lì)式緩速器的制動(dòng)力矩較小，不能對車輛產(chǎn)生足夠的制動(dòng)效果。自勵(lì)式緩速器的制動(dòng)力矩主要由發(fā)電裝置通向緩速裝置勵(lì)磁線圈電流的大小決定。在控制自勵(lì)式緩速器體積的情況下，提升制動(dòng)力矩是研究人員將來需要解決的問題。

2）自勵(lì)式緩速器溫升嚴(yán)重。在過高的工作溫度下，倘若采用的是永磁發(fā)電裝置，永磁體在高溫下會產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，同時(shí)對于緩速器其他零部件的耐高溫性及系統(tǒng)在高溫下的穩(wěn)定性也提出了高要求。

3）成本問題。裝有緩速器的汽車相比未安裝緩速器的汽車，在售價(jià)方面將增加1萬至2萬元，雖然國內(nèi)法規(guī)對汽車安裝輔助制動(dòng)裝置提出了要求，但若采用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輔助制動(dòng)的輔助制動(dòng)方式，只需對發(fā)動(dòng)機(jī)的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單改造，此時(shí)成本只需1 000～2 000元。因此廠家和用戶更愿意采取成本較低的輔助制動(dòng)方式。在未來的研究中，需盡可能控制自勵(lì)式緩速器的成本，才能使其逐漸受到市場的歡迎。

基于關(guān)鍵技術(shù)的掌握，面向未來發(fā)展及性能提升，未來自勵(lì)式緩速器需要開展以下幾個(gè)方面研究：

1）發(fā)電量提升與發(fā)電品質(zhì)優(yōu)化。汽車低速制動(dòng)時(shí)，由于本身車速較低，車輪轉(zhuǎn)速較低，自勵(lì)式緩速器的發(fā)電量受到一定限制，從而產(chǎn)生的制動(dòng)力矩偏小。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)員可從結(jié)構(gòu)入手，對自勵(lì)式緩速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使車輛在低速時(shí)也能達(dá)到相應(yīng)的發(fā)電要求；或從控制器入手，對控制器算法進(jìn)行優(yōu)化，例如可在低速時(shí)實(shí)行電流補(bǔ)償原則，即由緩速器發(fā)電裝置單獨(dú)向勵(lì)磁線圈供電改為蓄電池和發(fā)電裝置協(xié)同供電。此外，發(fā)電裝置發(fā)出的電為三相交流電，即使經(jīng)過整流后也存在品質(zhì)不高等問題。在自勵(lì)式緩速器發(fā)電裝置設(shè)計(jì)過程中，針對此問題需對發(fā)電裝置包括控制電路進(jìn)行改進(jìn)，以優(yōu)化輸出電流為目標(biāo)，對整流電路的電力電子器件進(jìn)行參數(shù)選擇，以提高自勵(lì)式緩速器工作的可靠性。

2）發(fā)電模式與緩速模式切換控制。當(dāng)緩速器開關(guān)接通時(shí)，自勵(lì)式緩速器的發(fā)電裝置開始發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)整流后向緩速裝置供電。在制動(dòng)初期，發(fā)電模式先于緩速模式啟動(dòng)；在松開制動(dòng)踏板后，發(fā)電電路開路而緩速裝置由于磁場的滯后性依舊對傳動(dòng)軸有阻力的作用。因此在未來的研究中，針對制動(dòng)初期和末期2個(gè)階段，需要建立發(fā)電模式與緩速模式的瞬態(tài)模型，考慮時(shí)間對電場與磁場的影響差異，以最佳制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和最佳能量利用率為目標(biāo)，對發(fā)電、緩速模式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

3）能量管理與熱平衡方式。在自勵(lì)式緩速器的工作過程中，存在磁場能、電能、機(jī)械能和熱能4種形式的能量，彼此互相聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化。在自勵(lì)式緩速器的分析過程中，往往只對某一種形式的能量進(jìn)行分析，而忽略了其他能量的耦合作用。例如在實(shí)際過程中，熱能的存在對材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率都會產(chǎn)生一定的影響；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)，對磁場會產(chǎn)生一定的削弱，即“高速去磁”的現(xiàn)象等。此外，自勵(lì)式緩速器在工作過程中將汽車一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，其余的通過電渦流轉(zhuǎn)化為熱能，考慮最佳制動(dòng)效能，需要對兩者的能量進(jìn)行優(yōu)化管理，在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收最大化的同時(shí)，保證車輛的制動(dòng)效果。

在熱平衡方面，輔助制動(dòng)裝置的使用大大減輕了主制動(dòng)器的溫升。對于自勵(lì)式緩速器的熱平衡研究，從自身結(jié)構(gòu)來說需要考慮各部件在溫度場中的性能包括溫度對于物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響等；從與主制動(dòng)器的匹配關(guān)系上說，需要以避免發(fā)生熱衰退現(xiàn)象和實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效能最優(yōu)為目的，合理設(shè)計(jì)兩者的熱量分配。在具體研究中，研究人員可針對自勵(lì)式緩速器與主制動(dòng)器建立溫升方程，以汽車制動(dòng)效能和避免兩者發(fā)生熱衰退為最優(yōu)變量，借助軟件實(shí)現(xiàn)兩者熱量最優(yōu)分配比。

4）自勵(lì)式緩速器與主制動(dòng)系的匹配設(shè)計(jì)。安裝自勵(lì)式緩速器后，汽車便存在多種制動(dòng)模式即：輔助制動(dòng)裝置單獨(dú)作用、主制動(dòng)器單獨(dú)作用、輔助制動(dòng)裝置與主制動(dòng)器兩者協(xié)同作用。針對制動(dòng)模式的選擇應(yīng)當(dāng)由當(dāng)前工作模式所決定，例如當(dāng)車速傳感器檢測出車速較高，且車距傳感器檢測出與前車的距離達(dá)到報(bào)警距離時(shí)，ECU應(yīng)當(dāng)選擇主制動(dòng)器單獨(dú)工作模式，最大程度地發(fā)揮ABS的作用；當(dāng)踏板位置傳感器和車速傳感器感知駕駛員欲保持汽車恒速下坡時(shí)，應(yīng)進(jìn)入輔助制動(dòng)單獨(dú)工作模式。這些功能的實(shí)現(xiàn)基于研究過程中對自勵(lì)式緩速器和主制動(dòng)系的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，還包括自勵(lì)式緩速器與整車傳感器參數(shù)的CAN通訊等。此外，研究人員還應(yīng)考慮主制動(dòng)器工作模式與緩速器工作模式切換時(shí)，是否存在制動(dòng)力矩的突變影響行車安全性和制動(dòng)踏板力突變影響駕駛舒適性等問題。

除了制動(dòng)性能外，研究人員還需考慮自勵(lì)式緩速器在結(jié)構(gòu)方面、電氣方面與主制動(dòng)系的匹配。在結(jié)構(gòu)方面，緩速器一般裝在變速器上、傳動(dòng)軸中或主減速器上。在未來的發(fā)展中可考慮縮減緩速器的尺寸，將自勵(lì)式緩速器與主制動(dòng)系進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)主制動(dòng)與輔助制動(dòng)裝置高度集成化。事實(shí)上已有輪邊緩速器等相關(guān)專利。在電氣方面，設(shè)計(jì)過程中需考慮自勵(lì)式緩速器發(fā)電裝置所發(fā)出的電、汽車蓄電池、緩速器工作要求和主制動(dòng)系工作要求四者之間的關(guān)系問題，協(xié)調(diào)原汽車供電電路與緩速器發(fā)電電路之間的工作狀態(tài)。

5）自勵(lì)式緩速器在新能源汽車上的應(yīng)用。目前的輔助制動(dòng)裝置多用于商用汽車上，少見緩速器布置在新能源汽車上。然而，新能源汽車如電動(dòng)公交客車等，常在城市工況下行駛，面臨車速不高但需頻繁制動(dòng)的工況，緩速器的使用恰好能解決這種工況下，能量利用率低、摩擦片磨損嚴(yán)重的問題。此外，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的其中原因之一是續(xù)航里程問題。在電動(dòng)汽車電瓶容量有限的情況下，若采用具有能量回收的輔助制動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量的充分利用，最大限度地延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。因此，自勵(lì)式緩速器在新能源汽車上的應(yīng)用具有光明的前景。

在具體應(yīng)用方面，由于新能源汽車本身裝有電機(jī)，在設(shè)計(jì)過程中需要考慮自勵(lì)式緩速器發(fā)電裝置與原汽車電機(jī)的匹配問題。研究人員可通過建立汽車運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)車輛的最高車速、最大爬坡度等要求，對電機(jī)的種類、參數(shù)進(jìn)行選擇。在根據(jù)滿足汽車動(dòng)力性要求設(shè)計(jì)出電機(jī)后，需對其進(jìn)行發(fā)電模式的分析與仿真，驗(yàn)證在發(fā)電模式下能否產(chǎn)生滿足相應(yīng)制動(dòng)力矩要求的發(fā)電量。

電機(jī)需根據(jù)汽車在不同的工況下進(jìn)行電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)模式的切換，研究人員應(yīng)考慮汽車制動(dòng)的瞬態(tài)過程，對電動(dòng)與發(fā)電模式切換的控制策略進(jìn)行分析，確保開始制動(dòng)時(shí)快速性響應(yīng)和結(jié)束制動(dòng)后動(dòng)力性恢復(fù)。為了盡可能回收更多的制動(dòng)能量，研究人員可基于城市工況下建立能量回收的數(shù)學(xué)模型，以最大制動(dòng)能量回收效率為最優(yōu)變量，對制動(dòng)系統(tǒng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

此外由于新能源汽車結(jié)構(gòu)布置緊湊，而目前自勵(lì)式緩速器體積較大，若考慮將自勵(lì)式緩速器運(yùn)用于新能源汽車，需要解決結(jié)構(gòu)布置問題。解決方法可以采用輪轂電機(jī)，并考慮將電磁制動(dòng)與摩擦制動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)集成。

6 結(jié)束語

自勵(lì)式緩速器（SER）是汽車輔助制動(dòng)裝置的一種新結(jié)構(gòu)，不僅繼承了電渦流緩速器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了電渦流緩速器能耗大的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車制動(dòng)能量的回收。自勵(lì)式緩速器符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排的要求，因此其研究應(yīng)用具有廣闊的前景。

近年來，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)開始重視自勵(lì)式緩速器的研究開發(fā)，在緩速器發(fā)電、緩速和控制等方面取得了一定的研究成果。為了促進(jìn)自勵(lì)式緩速器的商業(yè)化，未來需要進(jìn)一步探索的是：自勵(lì)式緩速器發(fā)電量的提升與發(fā)電品質(zhì)的優(yōu)化；發(fā)電模式與緩速模式切換控制；自勵(lì)式緩速器的能量管理與熱平衡方式；自勵(lì)式緩速器與主制動(dòng)系的匹配設(shè)計(jì)；自勵(lì)式緩速器在新能源汽車上的應(yīng)用等。