基于試驗臺制動能量回收效率的研究

寧水根，夏志平，2，于晨斯，黃經元

（1.九江職業技術學院，江西 九江 332007；2.華中科技大學，湖北 武漢 430074）

隨著大氣環境的日益惡化，電動汽車的研究和開發越來越受重視，但是目前還未得到市場的廣泛認可，不僅是因為造價高、充電不便等，更重要的是續駛里程沒有得到較大的改善[1]。因此，延長續駛里程一直是汽車工程師致力研究的重要方向。除了在動力電池領域突破電池容量限制，整車制動能量回收技術的提高也越來越受重視，但是制動能量回收技術的深入研究需要相應的試驗平臺來支撐[2]。國內外學者對制動能量回收效率進行了相應的理論與實踐研究，胡明明等[2]建立了制動能量回收模型，仿真優化影響回收效率的因素；仇斌等[3]基于理論優化得出制動能量回收效率在14.7%～47.6%，實際有效回收率偏低。為了通過試驗探索制動能量回收的真實有效率，本研究建設了具有多種功能的試驗臺，進一步研究制動能量回收行為，探索制動能量回收率及其存在的其他影響因素，不再停留在理論與仿真研究層面。

1 制動能量回收試驗臺的設計原理

電動汽車的制動理論研究較為廣泛，但是基于試驗臺對制動能量回收的研究顯得不足。電動汽車是通過電機的反拖實現制動能量的回收，并將回收的能量回饋到儲能元件中，此過程被稱為制動能量回饋或者回收[1]。對影響制動能量回收規律的研究需要進行多方考量，試驗臺的設計應實現多因子試驗條件的輸入設置[4]。因此，在設計試驗臺時，采用模塊化設計有利于多因子試驗條件的擴展。

試驗臺結構原理如圖1所示，驅動模擬電機啟動，同時接合電磁離合器1，驅動飛輪旋轉，匹配飛輪慣量，飛輪組旋轉完成車輛試驗所需模擬慣量，即完成汽車初始動能模擬；接合電磁離合器2，斷開電磁離合器1，調整被測電機制動力扭矩，旋轉飛輪產生的動能慣量在被制動能量回收電機制動力下完成制動能量回收，回收的電能儲存在超級電容中，此過程被稱為制動能量回收過程[4-5]，試驗臺整體實物如圖2所示。

圖1 試驗臺結構原理示意

圖2 試驗臺實物

試驗臺的驅動模擬電機主要用來給動能慣量模擬模塊提供驅動力，滿足機械調速性好、轉矩輸出穩定等要求。驅動模擬模塊輸出的動力經離合器1傳遞到動能慣量模擬模塊（飛輪組），使其旋轉產生動能慣量，模擬被測車輛初始動能。阻力模擬模塊（磁粉制動器）主要完成模擬外界阻力對試驗臺試驗因素的輸入，用于模擬空氣阻力或者地面摩擦阻力等，也用于試驗臺緊急制動。轉速轉矩傳感器用于測量傳動扭矩，以研究制動能量回收時傳動系統中轉矩扭力的變化，監控能量回收時的制動力矩。動能慣量模擬模塊采用飛輪組結構，該結構可拆分，可以選擇不同的慣量飛輪模塊模擬不同的動能，以滿足試驗要求。試驗臺被測制動能量回收電機安裝工位為活動工位，可根據試驗的需要更換不同類型的被測電機，滿足不同的試驗要求。

2 制動能量回收試驗相關數據處理方法

2.1 動能慣量模擬計算

該試驗臺能模擬不同類型的乘用車行駛動能，模擬范圍較廣。根據慣量飛輪組分級方法，匹配符合試驗車輛的動能需求[6-8]。假設試驗車輛以V的速度行駛，動能為：

試驗臺模擬的動能等同于車輛的動能，將試驗臺模擬初始動能設為E0?？蓞⒖缄悷ń璠8]對飛輪組的慣量計算方法，試驗臺采用大小飛輪組合，大飛輪直徑為890 mm，小飛輪直徑為750 mm，計算得大飛輪慣量為36.6 kg·m2，小飛輪慣量為21.8 kg·m2。

2.2 回收能定量計算

鑒于儲能元件內阻的大小直接影響真實的回收率，考慮采用內阻小的超級電容作為儲能元件，盡量減少內阻的能耗。在試驗過程中，采用測量電流電壓的方法間接測量出超級電容獲得的回收能E，計算方法如下：

式中：U(t)為超級電容充電電壓，I(t)為超級電容充電電流，d(t)為對時間的積分。

2.3 回收率的計算

本研究基于單純驗證試驗臺功能性的前提，在進行制動能量回收驗證時暫不考慮傳動阻力對回收率η的影響，在處理試驗數據時，剔除傳動阻力造成的能量損耗，計算式如下：

式中：η為回收率，E為回收能，E0為模擬初始動能，E1為傳動阻力能耗，J為轉動慣量，ω為飛輪轉動角速度，i為飛輪數量。

3 試驗方法

在制動能量回收試驗之前，需要保證超級電容的端電壓低于額定電壓且在合理范圍內，防止在電制動回收能量時超級電容出現過充的現象。電磁離合器在觸發時需要一定的時間接合與脫開，在試驗時，需要在設定的飛輪試驗轉速的基礎上提高5.0%左右，主要是因為離合器接合與分離需要時間，當飛輪轉速接近試驗轉速時，數據采集系統開始記錄超級電容的電流電壓變化。

4 試驗分析

在試驗過程中，為保證超級電容的使用安全，其電壓需預留一定的余量，防止再生制動能量回收過程中出現過充的現象。制動能量回收時存在機械振動的情況，因此，試驗前需要檢查試驗臺各機械連接處是否可靠，并檢查離合器接合與分離是否存在遲滯、粘連現象。根據試驗流程，在無磁粉制動外力狀態下進行了再生制動能量回收試驗，獲得了超級電容電流電壓、飛輪轉速等試驗數據。由于飛輪轉速在500 r/min以上，臺架振動較大，測得的飛輪轉速數據不穩定，影響了制動能量回收試驗。本試驗截取了飛輪轉速在350 r/min以下的兩輪穩定平均試驗數據，如表1所示。

表1 試驗數據

試驗規律分析如下：（1）飛輪在某較快穩定轉速下，超級電容回收制動能量穩定，回收率在10.0%～12.0%；（2）飛輪在某較慢轉速下，超級電容回收能量較少，回收效率低甚至無回收能。

5 結語

采用模塊化方式建設的試驗臺能根據試驗需求進行相應的試驗，完成相關制動能量回收。在試驗過程中，相關人員發現了機械傳動造成能量損耗的相應規律。制動能量回收試驗臺的能量回收率穩定在10.0%～12.0%，在飛輪較慢轉速條件下（低動能），回收效率較低甚至存在無回收現象。