再生制動評價測試系統的開發

黃 璇，張樹培，王國林，何常源

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

再生制動是指裝有再生制動系統的電動汽車或混合動力汽車制動時，車輛的一部分動能經再生制動系統轉換成其他形式的能量儲存于儲能裝置中，同時產生一定的負荷阻力使車輛減速制動[1]。在制動頻繁的城市工況下，制動過程消耗的能量占整車牽引過程中產生的有效能量的30%～60%[2-3]。與傳統汽車相比，配備再生制動系統的電動汽車或混合動力汽車能夠有效地回收原本被摩擦消耗的能量，可以降低油耗，且改善車輛的燃油經濟性[4]。國外對再生制動的研究開展的較早，研究領域主要集中在以下幾個方面：再生制動過程中整車制動綜合建模與仿真；制動能量分配和再生制動、摩擦制動與ABS的綜合協調控制；再生制動過程中儲能系統、電機/發電機和CVT的性能及控制方法。國內在再生制動這一研究領域取得了一定結果，但是還沒有進入比較成熟的階段，在許多方面還有待深入研究。目前國內外關于如何科學地評測再生制動系統一直還沒有統一的標準和方法，針對再生制動的評價體系尚未建立。但是在控制策略的研究中，提出的幾種再生制動的評測方法如下：整車測試、臺架試驗和仿真模擬。然而無論是哪種評測方法均存在局限性：整車測試過程中大多采用已有的循環工況，如NEDC等，而這些工況均針對整車經濟性和排放制定的，不能反映汽車運行過程的制動特征，無法有效地反映再生制動效果；臺架試驗僅針對再生制動機構，忽略了汽車內部其他系統以及實際道路行駛時的風阻路阻等對能量回收率的影響；仿真模擬需對每一個測試車輛單獨建模，工作量大，對建模的精確度要求高，數據的有效性難以保證。因此需要建立一套針對再生制動系統的全面的評測系統，包括評價指標和檢測方法。

筆者針對再生制動制定了一套全面的評價指標，并設計了一套完善的檢測系統，包括硬件部分與軟件部分，在檢測系統搭建的過程中，考慮了檢測設備的選型及布置、系統的需求與信號的抗干擾及濾波等各方面因素。通過一款北汽純電動汽車進行了不同運行環境下的再生制動實車檢測試驗，驗證了所開發的評價測試系統的可靠性與穩定性。

1 再生制動評價指標的確定

再生制動系統結構形式多樣，且具體的結構(主要是機械傳動裝置復雜多樣)有所不同，但是各種再生制動系統的原理都是將車輛制動時的動能轉化為電能，并給蓄電池充電[5]。通過對再生制動系統結構形式的分析與研究，可將再生制動系統制動能量傳遞路線分成3部分，即：①驅動車輪-半軸-機械傳動裝置；②電機/發電機-電機/發電機控制器-逆變器；③驅動電池。由于機械傳動裝置結構的多樣性，制動能量在機械結構的傳遞形式復雜多樣，而無論對于何種能量傳遞路徑的再生制動系統，均通過上述3部分進行能量傳遞。

目前對于再生制動的評價指標，常用的有以下幾種：制動能量回饋率、能量回收率、回收率、制動能量回收貢獻率[6]。再生制動是一個復雜的動態過程，且在此過程中制動能量需要經過多個系統轉換后才能被回收儲存，影響制動能量回收效率的因素和環節較多，因此采用上述指標來評價制動能量回收效率并不能全面且有針對性的對再生制動系統進行評價。例如：制動能量回饋率、能量回收率、回收率都只是片面的考慮了電動機發出的電能占總制動能量或消耗能量的比例，沒有涉及再生制動系統具體結構，且缺乏對再生制動過程中能量流的描述。制動能量回收貢獻率考慮了再生制動與驅動過程的各方面效率，但只是對電動汽車或混合動力汽車經濟性的評價，不是針對再生制動系統的評價。

因此為全面的且有針對性的評價再生制動系統，按照統一的再生制動路線及能量流關系將建立的評價指標分為3部分。

1.1 驅動車輪-半軸

能量流關系：再生制動時，通過制動力分配控制策略后，制動能量的部分能量由驅動車輪傳遞到半軸，以機械能的形式存在，這部分能量可以被回生利用，且能夠反映再生制動控制策略的性能。定義可回生率(制動過程中半軸回生能量占整車動能變化量的百分比)進行評價。即：

(1)

式中：Et為半軸回生能量，J；Ez為整車動能變化量，J；T為半軸扭矩，N·m；n為半軸轉速，r/min；m為整車質量，kg；v0為制動初速度，m/s；v1為制動末速度，m/s.

1.2 半軸-機械傳動裝置-電機/發電機-電機/發電機控制器-逆變器

能量流關系：是將半軸上的機械能通過傳動系統及發電系統轉化為電能，取決于再生系統的轉換效率。定義轉化率(制動過程中驅動電池充電能量占半軸回生能量的百分比)進行評價。即：

(2)

式中：Er為驅動電池充電能量，J；U為驅動電池充電電壓，V；I為驅動電池充電電流，A。

1.3 逆變器-驅動電池

能量流關系：將發出的電能給予驅動電池充電，最終以化學能的形式儲存到電池中，即電池的充電效率，與再生制動系統關聯不大。而且由于電動汽車或混合動力汽車行駛時驅動電池的SOC(電池電量)是一個動態的變化過程，在客觀上對于這部分能量很難準確的檢測。電池的充電效率通常取某類儲能裝置在一定SOC值和溫度下的充放電平均能量效率，對于國內大多數鋰離子動力電池而言，在常用的SOC值范圍(0.2～0.8)內平均能量效率在85%～94% ，因此沒有必要對電池的充電效率進行額外的評價。

1.4 驅動車輪-逆變器

能量流關系：再生制動時，通過制動力分配控制策略，制動能量由驅動車輪傳遞到半軸，經過傳動系統及發電系統轉化為電能。此路線基本關聯了再生制動系統所有子系統，反映再生制動系統整體的制動能量回收效率。定義回生率(制動過程中驅動電池充電能量占整車動能變化量的百分比)進行評價。即：

(3)

2 檢測系統的研發

2.1 檢測系統的構成

所研發的檢測系統由硬件和軟件兩部分構成。硬件部分包含計算機、數據采集設備及傳感器等，用于測量所需要的各項數據、數據傳輸和處理。軟件系統則是由LabVIEW與C語言聯合編制的數據采集系統，主要功能有數據濾波、數據顯示、評價指標計算等，用于收集和分析所檢測數據。

2.2 檢測參數的確定

為了獲取各評價指標，根據式(1)～式(3)，構建的檢測系統需要分別檢測制動半軸扭矩及車輪轉速(驅動車輪左右兩側)與驅動電池的充電電流及電壓，車速由車輪轉速換算，即可得到各個評價指標，同時為了獲取不同工況下的再生制動評價指標，還需要檢測制動踏板力與整車加速度。

2.3 檢測系統硬件部分

根據確定的檢測參數，需選取相應的傳感器。為此，對現有的電動汽車和混合動力汽車的主要參數進行了廣泛地調研，根據所測參數的形式及測量范圍，選取的傳感器如表1。

表1 選取的傳感器Table 1 Selection of sensor

選取的檢測設備如圖1。

圖1 選取的傳感器Fig.1 Selection of sensor

其中針對半軸扭矩的測量方式采用的是應變式半軸鉆孔測量系統。在等速萬向節靠近輪轂一側徑向開孔，同時在軸端中心軸處開孔，兩孔貫通(等速萬向節與半軸軸頭端間為一空心空間，且僅有半軸軸頭端與車輪輪轂接觸)，將應變片信號線引出，并通過MSC滑環將信號傳遞給應變儀及數據采集系統。與其他方法相比，此測量方式更精確，誤差小且抗干擾性強。

根據所要測量的物理量和各個型式的傳感器，研發的數據采集設備包括一塊內置數據采集卡、應變儀及裝有16個數據傳輸通道接口的固定式數據采集箱。其中應變儀為兩通道，是為了完成對半軸扭矩信號的后期處理任務；數據采集卡包括16路模擬輸入通道、8路DI、8路DO、2路AO和1路32位計數器，分辨率為12位，采樣頻率可達150 kS/s，其性能可完全滿足要求。

根據能精確測量(主要是避免外界干擾)而又容易實現安裝的原則，確定傳感器的布置位置：電壓傳感器接于驅動電池正負極；電流傳感器裝夾于驅動電池輸入端；踏板力傳感器固定緊貼于踏板；陀螺儀固定在車輛質心附近；MSC滑環與轉速傳感器布置在驅動輪輪轂外側。

2.4 軟件系統的開發

軟件平臺的開發選用的是NI公司的LabVIEW軟件進行編譯[7]。根據系統功能的需求，LabVIEW軟件平臺由以下幾部分組成：控制平臺、數據采集、數據濾波、數據處理、數據存儲。控制平臺完成數據采集系統的實時控制，控制界面可顯示各所測參數的變化及各評價指標的計算結果；數據采集實現信號與數據采集卡的數據連接與傳輸；數據濾波對采集數據進行濾波處理，避免數據采集中存在跳動及隨機信號的干擾；數據處理對采集數據進行處理，計算各評價指標；數據存儲完成對各參數及評價指標的數據存儲任務。LabVIEW軟件平臺控制界面如圖2。

圖2 LabVIEW軟件平臺控制界面Fig.2 Control interface of LabVIEW software platform

2.5 檢測平臺的搭建

2.5.1 系統的標定

由于半軸扭矩需要根據具體的車型進行標定，因此首先制定半軸扭矩的標定方法[8]如下：為了防止標定的過程中半軸出現滑動，將需要標定的半軸一端夾持在穩固的基座上，另一端懸一個剛性杠桿，確定剛性杠桿的初始位置并將其進行標記與定位，在杠桿上的某一位置掛已知質量為m的砝碼，并測量所掛砝碼位置至半軸軸線的距離L，通過采集系統測量此時半軸的應變量ε，即可得到半軸扭矩的標定系數為：

(4)

式中：m為砝碼質量，kg；g為重力加速度，9.8 N/kg；L為砝碼位置至半軸軸線的距離，m；ε為半軸應變量。

確定由各傳感器傳輸的信號統一輸出為電壓模擬信號，其他傳感器的標定系數已由各廠家經過標定后提供，如表2。

表2 傳感器的標定系數Table 2 Calibration coefficient of the sensor

2.5.2 采樣頻率的確定

考慮到各傳感器頻率及所采集的數據量必須能夠反映所測參數的需求，因此確定采集系統的采樣頻率為100 Hz。

2.5.3 采集系統接口的布置形式

目前已用的采樣通道數為8路模擬輸入，未用的8路通道是備用接口，采集系統各接口的布置形式如圖3。

圖3 采集系統各接口的布置形式Fig.3 Layout of acquisition system interface

3 再生制動檢測試驗

為了檢驗所研發的評價測試系統的可靠性與系統的穩定性，采用北汽純電動汽車E150分別進行常態制動工況、持續運行工況及極限工況下3類實車檢測試驗，通過試驗數據的處理與分析來對檢測系統的工作狀態進行評價。

3.1 半軸扭矩的標定

采用的檢測車型是北汽純電動汽車E150，根據半軸扭矩標定方法，首先進行半軸扭矩的標定。為了能夠準確的測定半軸的標定系數，采用多次測量求平均的方法，分別將質量為5，10 kg的砝碼懸掛于杠桿的不同位置進行多次標定，最終求出測量的平均標定系數。標定過程如圖4。

圖4 半軸扭矩標定過程Fig.4 Calibration process of half shaft torque

根據半軸標定結果，最終確定的半軸平均標定系數為4.42 N·m/με(左右兩側半軸為同一型號)。

3.2 檢測設備的安裝

采用的檢測車型是北汽純電動汽車E150，整車質量為1 400 kg，車身長度3.998 m，車身高度1.503 m，軸距2.5 m等。通過對北汽純電動汽車E150結構及空間的分析，根據所確定的檢測設備布置位置，將檢測設備分別安裝于車輛指定的位置并進行接線。各傳感器與數據采集設備布置形式如圖5。

圖5 傳感器與數據采集設備布置形式Fig.5 Arrangement of sensors and data acquisition equipment

3.3 常態制動工況試驗

此類試驗在中國汽車技術研究中心進行，在滿足GB/T 12534有關規定的試驗條件下，由北汽純電動汽車E150以不同制動初速度及不同制動減速度進行常規下的制動試驗，通過分析所測參數的變化趨勢與再生制動評價指標來進行常態制動工況下檢測系統工作狀態的評價。

3.3.1 試驗數據處理

圖6是電池初始SOC為50%時，制動踏板力為10 N左右，制動初速度為45 km/h，制動減速度為1.0 m/s2左右的輕度制動各參數變化圖。

圖6 輕度制動各參數變化Fig.6 Change of mild braking parameters

從圖6中可看出，制動過程持續11 s左右，電池電壓在350 V上下小幅度波動，左右兩側的半軸扭矩基本對稱，當車速減速到15 km/h左右時，電流驟然下降到0，此時再生制動系統關閉，不再進行能量回生，因此該款電動汽車設計的控制策略能量回生條件為制動初速度大于15 km/h，與此車的出廠設置一致。再生制動各評價指標計算結果如表3。

表3 評價指標結果Table 3 Result of evaluation index

圖7是電池初始SOC為55%時，制動踏板力為25 N左右，制動初速度為45 km/h，制動減速度為2.1 m/s2左右的中度制動各參數變化圖。

圖7 中度制動各參數變化Fig.7 Change of moderate braking parameters

從圖7中可看出，制動過程持續6 s左右，電池電壓在350 V上下小幅度波動，左右兩側的半軸扭矩基本對稱，當車速減速到15 km/h左右時，再生制動系統關閉，不再進行能量回生。各評價指標計算結果如表4。

表4 評價指標結果Table 4 Result of evaluation index

由表3、表4可看出，與制動初速度45 km/h時制動減速度為1.0 m/s2輕度制動各評價指標結果相比，2.1 m/s2中度制動可回生率與回生率有所下降，而轉化率相近，這是因為中度制動時由控制策略分配的再生制動力減少，而轉化率只取決于傳動系統傳遞效率及發電系統的效率，這部分效率應為恒定值，所以各參數變化趨勢與評價指標為正常。

3.3.2 試驗結果分析

進行大量的常態制動工況試驗后，通過分析試驗數據與評價指標結果可得出：在不同的常態制動工況中各參數變化趨勢及評價指標正常，而系統又經過嚴格的標定，所以在常態制動工況下，所建立的評價測試系統工作狀態正常，且系統的穩定性良好。

3.4 持續運行工況試驗

此類試驗由北汽純電動汽車E150在天津市區按照指定的路線進行長時間的道路試驗，通過分析所測參數與評價指標來進行持續運行工況下檢測系統工作狀態的評價。

3.4.1 數據處理結果

由北汽純電動汽車E150在天津市區進行了長達3 h的道路試驗，在試驗中未出現數據異常及檢測系統故障等問題，計算出道路試驗的再生制動評價指標的結果如表5。

表5 評價指標結果Table 5 Result of evaluation index

由表5可看出，各評價指標結果正常，轉化率恒為80%左右。

3.4.2 試驗結果分析

通過分析試驗數據與評價指標可得出：在長時間的持續運行工況下，未出現檢測異常現象，且試驗參數及評價指標正常，所建立的評價測試系統的可靠性與穩定性良好。

3.5 極限工況試驗

此類試驗在北京通縣試驗場進行，由北汽純電動汽車E150按照國家標準GB 7258《機動車運行安全技術條件》規定的測試方法進行試驗，通過分析所測參數的變化趨勢與再生制動評價指標來進行極限工況下檢測系統工作狀態的評價。

3.5.1 試驗數據處理

圖8是電池初始SOC為65%時，制動踏板力為250 N左右，制動初速度為80 km/h，制動減速度為7.54 m/s2的極限制動各參數變化圖。

圖8 極限制動各參數變化Fig.8 Change of extremity braking parameters

再生制動各評價指標計算結果如表6。

表6 評價指標結果Table 6 Result of evaluation index

由表6可看出，可回生率與回生率有較大幅度減小，這是由于極限制動制動強度較大，考慮到安全性，絕大部分制動力由機械制動力提供，而再生制動力很小，因此檢測系統能夠較準確地檢測各參數及評價指標。

3.5.2 試驗結果分析

進行多次的極限工況試驗后，通過分析試驗數據與評價指標可得出：在極限工況下，各參數及評價指標正常，未出現檢測異常現象，所建立的評價測試系統具有良好的可靠性與穩定性。

4 結 論

1) 筆者開發的再生制動評價測試系統具有通用性和實用性，可對各種電動汽車和混合動力汽車再生制動系統進行評測。制定的再生制動評價指標針對再生制動系統各個部分，可全面且具體的對其進行評價。設計了一套包括硬件與軟件部分的完善的檢測系統，硬件部分考慮了檢測設備的選型及布置、系統的功能需求與信號的抗干擾等各方面因素，軟件部分采用LabVIEW軟件作為開發平臺，應用模塊化的設計，更利于信號的采集、調理及濾波。

2) 通過進行再生制動實車檢測試驗，開發的評價測試系統在常態制動工況、持續運行工況及極限工況3類試驗中，檢測參數與評價指標結果正常，未出現檢測異常現象，驗證了系統的可靠性與穩定性。

3) 該評價測試系統作為評價電動汽車和混合動力汽車再生制動的一個有效平臺，為今后再生制動的研究奠定了基礎。

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