某制動能量回收試驗臺的研制*

寧水根 張慶永

（1.九江職業技術學院；2.福建工程學院；3.寧德時代新能源科技有限公司）

制動能量回收技術的有效應用是電動汽車節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，因此有必要大力發展與研究制動能量回收技術[1]。電動汽車制動能量回收的有關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行深入性的研究，需要開發制動能量回收試驗臺代替理論仿真研究。文章將根據試驗多樣性的需求深入研究制動能量回收臺架技術，為制動能量回收領域的平臺建設提供一定的參考。

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（電制動回收技術），即再生制動能量回收系統通過電機將制動能轉換成電能，在汽車起步、加速、爬坡時又將回收到的能量釋放出來。電制動回收技術在一定程度上可以延長行駛里程，因此對其進行試驗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示意圖，該系統由傳動制動系統、電動機及儲能器等組成[2]。

圖1 電動汽車制動能量回收系統示意圖

駕駛員踩下制動踏板時，整車控制器（HCU）根據行駛工況狀態，如電動機運轉狀態、電池的荷電狀態等，綜合考量、判斷并制定制動策略，并由電動機及其控制系統來完成初步的電制動過程。當制動系統處在復合制動條件下時，電動機處在發電狀態、產生制動阻力轉矩并將汽車動能轉化成電能儲存在電池中。相反，當汽車需要行駛時，電池將儲存的電能釋放，實現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律值得深入研究[2]。

2 制動能量回收試驗臺的建設

制動能量回收技術的相關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合制動的穩定性等方面。為了進一步探索制動能量回收的相關技術，制動能量回收試驗臺需要有較好的功能擴展性，以便進行靈活的試驗研究。

2.1 制動能量回收試驗臺的設計思路

為了保證該制動能量回收試驗臺具有良好的功能擴展性，采用模塊化設計的思路[3]。本試驗臺包含六大模塊，各模塊功能為：1）驅動力模擬系統模塊：主要采用交流電機或者直流電機模擬不同車輛的動力輸出；2）慣量模擬系統模塊：實現不同等質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模塊：主要完成模擬加載車輛行駛阻力及機械制動力；4）測控模擬系統模塊：在試驗過程中控制試驗臺，并能夠采集試驗時的相關數據；5）能量管理模擬模塊：能夠監控儲能元件及其數據顯示；6）支撐聯接輔助模塊：有效安裝試驗臺各功能化模塊及保護試驗臺工作安全。

制動能量回收試驗臺可根據試驗技術的需要改進模塊功能，以滿足試驗工況條件的需要，這樣可避免設計人員在開發設計時出現盲目性，從而在一定程度上加快開發進度，節約開發成本。

2.2 試驗臺的結構設計

針對制動能量回收試驗探究多樣性的需要，文章設計的試驗臺結構方案，如圖2所示[3]。

圖2 制動能量回收試驗臺機械結構示意圖

試驗臺采用的驅動模擬電機用來模擬汽車在實際路面行駛時的動力輸出，該驅動電機需要滿足3點特性：1）機械調速范圍寬；2）轉矩輸出穩定且恒定；3）等轉速條件下，能夠輸出瞬時轉矩。驅動電機滿足模擬動力輸出的功能，其輸出的動力經離合器1傳遞到飛輪組，帶動飛輪旋轉，產生模擬車輛初始動能。磁粉制動器產生磁粉阻力，經皮帶傳遞制動阻力至傳動軸，產生模擬來源路面的行駛阻力，完成道路阻力模擬功能。轉速轉矩傳感器用于測量傳動轉矩，研究在制動回收時傳動扭力的變化，監控能量回收時的制動力。飛輪組結構為可拆分式，可以對不同質量車輛在不同初始狀態下的動能進行模擬。制動回收電機工位為活動安裝工位，可根據試驗的需要更換被測電機，以實現不同類型電機的試驗需求。試驗臺動力傳遞過程，如圖3所示。

圖3 制動能量回收試驗臺動力傳遞過程

2.3 測控系統的設計思路

制動能量回收試驗臺采集系統中對儲能元件的電壓電流數據的要求是較高的，其精確度直接影響著對再生制動回收規律的分析。

數據采集系統整體應該達到如下要求：1）系統具有數據采集模塊與控制模塊，能夠實現制動能量回收試驗臺的智能化試驗過程；2）系統支持制動能量回收試驗臺各參數采集的傳感器，而且還具有一定的擴展功能，以便該試驗臺能夠實現其他未考慮到的試驗；3）能夠實現信號的采集、濾波、顯示和儲存的功能；4）控制模塊實現精準控制，無滯后性；5）系統方便更改，便于后續的維護或者增加其他功能，操作簡單明了，界面簡潔。

測控系統主要采集飛輪轉速、傳動系統轉矩、制動控制信號和電流電壓等信號，并能夠對被測電機及儲能裝置進行控制。為了較好地控制試驗臺以及有利于擴展試驗，測控系統采用CAN總線的方式進行聯絡與控制[4]，如圖4所示。

圖4 制動能量回收試驗臺電氣結構示意圖

2.4 試驗臺工作原理

啟動驅動模擬電機，同時電磁離合器1接合，帶動飛輪旋轉，在此之前需正確匹配相應的飛輪慣量，飛輪組旋轉完成車輛試驗所需的慣量模擬[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，傳動力驅動被測電機，完成制動回收過程，此時若需要加載行駛阻力對試驗的影響，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驅動飛輪，實現動力傳遞的逆過程。制動能量回收試驗臺整體實物，如圖5所示。

圖5 制動能量回收試驗臺實物圖

2.5 試驗臺傳動系內耗的估算分析

試驗臺在制動能量回收過程中會存在克服傳動系統阻力（含機械阻力與磁粉制動器阻力）所帶來的能量損耗。機械阻力包含由齒輪傳動副、相應的配合副相對運動引起的摩擦阻力；磁粉制動器阻力包含其工作時產生的阻力以及未工作時皮帶帶來的阻力。在試驗臺進行制動能量回收相關試驗時應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臺傳動系內阻能耗與飛輪轉速、飛輪轉動圈數之間存在的關系[6]。將飛輪轉動至不同轉速，然后斷開飛輪驅動力，飛輪由自由轉動至停止，記錄飛輪轉動的圈數及飛輪自由轉動時的轉速。分別進行了8次相應試驗，并記錄其數據，通過MATLAB對數據進行擬合，獲得相應的數據關系，如圖6和圖7所示。從圖6和圖7中可以看出，傳動系內耗與飛輪轉速及其轉動圈數呈線性關系，根據其存在的規律關系可估算出在不同飛輪轉速條件下傳動系存在的內耗，可有效定量傳動系內耗對制動回收相關技術的影響。

圖6 試驗臺傳動系內耗與圈數的關系

圖7 試驗臺飛輪轉速與轉動圈數的關系

3 試驗臺擴展性與多功能性

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

1）電機制動穩定性在環仿真。制動回收電機在電制動過程中產生電制動力矩，制動力矩與制動回收強度之間的規律關系在不同車輛上的體現是不同的。因此，再生制動回收系統電制動力與回收強度分配策略的關系可通過試驗臺進行ETAS硬件在環仿真優化[2,8]，而道路試驗很難探索其存在的規律關系。

2）能量系統的在環仿真。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度，也應考慮其能量儲存效率的問題。本試驗臺可根據不同循環模擬工況和制動回收強度探索能量與系統效率之間的規律關系。

4 結論

基于對制動回收相關技術的研究，采用模塊化設計思想研制制動能量回收試驗臺，能夠實現不同車輛制動回收技術的研究、加載不同的試驗條件并根據試驗需要進行擴展。試驗臺測控系統靈活、開放性較強，可實現ETAS硬件在環仿真并根據試驗需要進行改進。