汽車電動輪再生制動試驗(yàn)臺的開發(fā)

徐 奇，賀 萍，韓承偉，顏伏伍，杜常青

(1．武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070;2．汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070;3．深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055)

隨著環(huán)境的日益惡化和能源的日益緊缺，電動汽車的研究和開發(fā)越來越引起人們的重視。輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車省去了繁雜的傳動機(jī)構(gòu)，有利于汽車輕量化和節(jié)能環(huán)保［1］。電動汽車之所以不能像傳統(tǒng)汽車那么普及，不僅是因?yàn)槌潆娐闊⒃靸r昂貴等因素，更重要的原因是其續(xù)航里程有限。因此提高續(xù)航里程是現(xiàn)今電動汽車研究的核心問題。再生制動作為提高續(xù)航里程的關(guān)鍵技術(shù)，各大汽車企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)為此進(jìn)行了廣泛的研究。在電動汽車進(jìn)行再生制動時，輪轂電機(jī)將汽車動能轉(zhuǎn)化為電能，并將能量儲存于電池等儲能設(shè)備中，這個過程實(shí)現(xiàn)了能量的回收。電動輪再生制動試驗(yàn)臺的搭建是進(jìn)行電動汽車能量回收研究的基礎(chǔ)，還可以用來檢驗(yàn)相關(guān)零部件的可靠性［2］。對電動輪再生制動試驗(yàn)臺的相關(guān)部件所能進(jìn)行的試驗(yàn)越多，越能詳細(xì)了解臺架的各項(xiàng)性能，從而為純電動汽車再生制動的研究做出改進(jìn)和優(yōu)化。因此開發(fā)汽車電動輪再生制動試驗(yàn)臺對研究電動汽車具有重要意義。

1 試驗(yàn)臺功能設(shè)計(jì)

1．1 基本功能

電動輪再生制動試驗(yàn)臺的4個基本功能為:①道路模擬，模擬在行駛過程中汽車車輪所受到的地面滾動阻力;②車重模擬，通過給電動輪垂直載荷來模擬汽車自重和汽車載重;③慣性模擬，模擬汽車在加速和減速時的慣性力;④阻力模擬，模擬行駛過程中汽車所受的空氣阻力、坡度阻力等。

1．2 輪轂電機(jī)性能測試功能

作為電動汽車的核心部件之一，輪轂電機(jī)的性能對電動汽車的性能起著決定性作用，因此對輪轂電機(jī)效率特性、機(jī)械特性等性能的測試是非常重要的［3］。電動輪再生試驗(yàn)臺除了能對這些電機(jī)性能進(jìn)行測試以外，還可以測試額定/最大轉(zhuǎn)速、額定/最大電流、額定/最大功率、額定/最大扭矩等基本電機(jī)參數(shù)。

1．3 制動模擬功能

電動輪的特點(diǎn)之一就是可以利用輪轂電機(jī)特性來進(jìn)行再生制動，而再生制動不僅能在一定程度上回收制動能量，提高續(xù)航里程，而且還能減少制動器頻繁制動產(chǎn)生的溫升，進(jìn)而提高制動效能和制動安全性能［4］。該試驗(yàn)臺的制動模擬主要包括電制動的模擬研究。

2 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動輪再生制動試驗(yàn)臺的主要組成部分包括機(jī)械臺架和測控系統(tǒng)，如圖1所示。試驗(yàn)臺可以控制汽車在行駛過程中車輪的實(shí)時轉(zhuǎn)速、垂直載荷和阻力的變化，在以上參數(shù)的動態(tài)變化下，具有測試電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓、電流、驅(qū)動扭矩等參數(shù)的功能，實(shí)現(xiàn)測試再生制動性能的目標(biāo)［5］。

1 電動輪再生制動試驗(yàn)臺組成

2．1 機(jī)械臺架系統(tǒng)

2．1．1 機(jī)械臺架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械臺架系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定在臺架上所能進(jìn)行試驗(yàn)的全面性與試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)試驗(yàn)臺功能設(shè)計(jì)的要求，分析功能實(shí)現(xiàn)的方法，對試驗(yàn)臺的機(jī)械臺架系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 機(jī)械臺架系統(tǒng)示意圖

2．1．2 道路模擬

為了對道路進(jìn)行模擬，試驗(yàn)臺選用直徑為800 mm的滾筒4和垂向加載裝置17來協(xié)同模擬汽車行駛過程中所受到的地面摩擦阻力。在滾筒軸上安裝的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器7能檢測到汽車行駛的扭矩與速度。

2．1．3 車重模擬

車重加載裝置由馬達(dá)、滾珠絲桿、蝸輪蝸桿箱、拉壓力傳感器及主銷等部件組成，通過測控系統(tǒng)調(diào)控馬達(dá)來改變加載裝置對車架施加的作用力，從而實(shí)現(xiàn)不同車重的模擬。

2．1．4 慣性模擬

慣性模擬的核心部件是飛輪13，增速機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)慣性模擬機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，選用皮帶輪9、10的結(jié)構(gòu)使得對增速機(jī)構(gòu)的拆接都比較容易。此外，為了達(dá)到對慣量無極調(diào)節(jié)的目標(biāo)，選用電力測功機(jī)14的發(fā)電模式作為吸能裝置。

2．1．5 阻力模擬

電力測功機(jī)的采用實(shí)現(xiàn)了對阻力的模擬。汽車在行駛過程中，除了受到滾動阻力外，還會受到空氣阻力、坡度阻力等阻力作用，對這些阻力的模擬可以通過測控系統(tǒng)調(diào)控電加載量來實(shí)現(xiàn)。

2．1．6 制動模擬

電動輪再生制動試驗(yàn)臺主要用來研究電制動過程中制動能量的回收。當(dāng)汽車進(jìn)行再生制動時，輪轂電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子切割磁場產(chǎn)生的阻力阻礙了電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)對車輪的電制動。通過電力測功機(jī)對阻力的模擬，能夠模擬出緊急制動、下長坡制動等各種制動工況。

2．2 測控系統(tǒng)

試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)在NI虛擬儀器設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測試和控制，通過LABVIEW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件功能，其界面圖如圖3所示。主程序?qū)Ω鞣N接口的信號進(jìn)行采集處理后顯示，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要輸出各種控制信號，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

圖3 測控系統(tǒng)軟件工作界面圖

2．3 主要零部件選型

2．3．1 輪轂電機(jī)

臺架選用型號為YKSX 72V－5 kW的直流無刷輪轂電機(jī)。運(yùn)用電動輪回收制動試驗(yàn)臺，測試了該輪轂電機(jī)的工作特性，如圖4所示，測試所得數(shù)據(jù)曲線表明性能較好的電機(jī)工作特性與理論趨勢基本吻合，可以較為準(zhǔn)確地判定被測輪轂電機(jī)的性能狀況。

圖4 輪轂電機(jī)工作特性曲線

2．3．2 超級電容

蓄電池不能同時提供足夠高的比能量和比功率，很難滿足純電動汽車在加速性能、爬坡能力、制動能量回收等方面的要求，迫切需要一種高性能的能量源，在加速爬坡時提供較大的峰值功率，并在制動時快速高效地回收制動能量。近年發(fā)展起來的超級電容具有比功率高、循環(huán)壽命長、瞬間放電電流大、充電時間短的特點(diǎn)。將蓄電池和超級電容混合使用，可滿足純電動汽車對比功率和比能量的雙重要求，最大限度地延長續(xù)航里程，并使動力性和制動能量回收能力都有較大的提高。

試驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)的HCC超級電容器HCAPM－109F/80V，該產(chǎn)品基于雙電層電容器原理，內(nèi)部采用活性炭作為正負(fù)極，兩極間用電解液和隔膜隔開，并用鋁外殼與橡膠塞進(jìn)行密封。整個超級電容模組由32只單體HCAPC－3500 F/2．7 V串聯(lián)組合而成。超級電容模組主要參數(shù)如表1所示。

表1 超級電容模組主要參數(shù)

2．3．3 DC/DC 變換器

選用全數(shù)字雙向DC/DC變換器，具體參數(shù)如表2所示。該全數(shù)字雙向DC/DC變換器采用高效軟開關(guān)技術(shù)，使得電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%以上，特別適合用在兩個直流電系統(tǒng)之間作頻繁雙向能量交換的場合。該雙向DC－DC變換器可以設(shè)置多種工作模式，并可在各種工作模式之間快速頻繁地切換。其工作模式有恒流輸入、恒流輸出、恒壓輸出、MPPT輸入、總線壓控電流源，每種工作模式又可以分別作用于高壓端或者低壓端，因此有10種不同的組合。

表2 DC/DC變換器電特性參數(shù)

3 再生制動理論分析

3．1 再生制動系統(tǒng)原理

輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車再生制動時，車輪將汽車行駛時所具有的部分機(jī)械能傳遞給輪轂電機(jī)，此時輪轂電機(jī)工作在發(fā)電模式，將發(fā)出的電能為超級電容充電，實(shí)現(xiàn)再生制動;同時，輪轂電機(jī)在發(fā)電過程中產(chǎn)生阻礙電機(jī)轉(zhuǎn)動的阻力矩傳遞給車輪，從而實(shí)現(xiàn)車輛的制動［6］。輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車再生制動原理如圖5所示。

圖5 再生制動原理圖

輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其在盡量完整保留汽車原有傳統(tǒng)制動機(jī)構(gòu)的前提下，增加了回收制動?；厥罩苿酉到y(tǒng)是由輪轂電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、整流器、DC/DC變換器、動力電池、超級電容等組成的。其中超級電容和動力電池是電動汽車的主要儲能裝置，DC/DC變換器可以調(diào)節(jié)回路電流來改變制動減速度。制動過程中通過ECU的調(diào)控作用，使得回收制動與傳統(tǒng)制動協(xié)調(diào)工作，在確保安全的前提下，盡可能地用輪轂電機(jī)制動來回收制動能量［7］。

圖6 再生制動結(jié)構(gòu)圖

3．2 制動力調(diào)節(jié)機(jī)理

制動時，控制器ECU收到制動踏板信號，根據(jù)駕駛員的制動意圖確定所需的總制動力，再根據(jù)車速、超級電容、電池的狀態(tài)調(diào)控輪轂電機(jī)的再生制動力。同時，ECU判斷輪轂電機(jī)產(chǎn)生的最大再生制動力是否滿足駕駛員需求，若小于駕駛員所需的總制動力，則控制傳統(tǒng)制動機(jī)構(gòu)來補(bǔ)充剩余制動力［8］。

控制過程中，ECU發(fā)出調(diào)控信號將輪轂電機(jī)的電樞繞組與驅(qū)動電路斷開，驅(qū)動電源停止給輪轂電機(jī)供電，輪轂電機(jī)被接到回收電路中，由于磁鐵轉(zhuǎn)子繼續(xù)隨車輪同步轉(zhuǎn)動，電樞繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢U1，此時回收電路閉合產(chǎn)生感應(yīng)電流I1給超級電容充電。同時，有感應(yīng)電流的電樞繞組在磁場中因受到磁力作用而阻礙了其轉(zhuǎn)動，車輪也因該制動阻力矩M而同步減速制動。

DC/DC變換器可以將輸入的直流電壓進(jìn)行升降壓處理，從而改變輸出電流。利用其調(diào)控電流的功能來實(shí)現(xiàn)對輪轂電機(jī)再生制動時制動力大小的調(diào)節(jié)。輸入DC/DC變換器的感應(yīng)電動勢U1和感應(yīng)電流I1，DC/DC變換器輸出的電壓為U2，電流為I2。

對制動力調(diào)節(jié)進(jìn)行理論計(jì)算:

由式(1)～式(6)可得制動減速度與DC/DC變換器輸出電流I2之間的關(guān)系為:

根據(jù)式(7)可知，在任一時刻t，車輪轉(zhuǎn)速w和電容初始電壓UC0固定時，都可通過DC/DC變換器調(diào)控輸出電流I2來控制汽車制動減速度因此，整個調(diào)控流程可簡化為:踩踏板信號→控制器EC→UDC/DC變換器調(diào)控感應(yīng)電流I2→調(diào)節(jié)制動減速度

4 建模仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

假設(shè)DC/DC變換器的電壓變比范圍無窮大，根據(jù)式(7)，使用Matlab/Simulink對再生制動恒流模式進(jìn)行仿真建模，如圖7所示。

圖7 再生制動仿真框圖

選擇電動汽車初始轉(zhuǎn)速為500 r/min，將DC/DC變換器設(shè)為恒流輸出，分別進(jìn)行10 A、20 A、30 A、40 A恒流回收制動實(shí)驗(yàn);同時，利用圖6中的再生制動仿真模型對該實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行仿真。將回收制動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如圖8所示。

由圖8中30 A對應(yīng)的曲線可以看出，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速從500 r/min減速到250 r/min的過程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近，而車輪轉(zhuǎn)速降到250 r/min以下時，兩者開始分離。這是因?yàn)镈C/DC變換器的電壓變比范圍為1．3～4．0，當(dāng)其輸入端和輸出端實(shí)際電壓的比值超出這個范圍時，DC/DC變換器停止工作。車輪轉(zhuǎn)速減到250 r/min時，DC/DC變換器輸入端測得的整流電壓降至23．29 V，而輸出端的超級電容電壓已經(jīng)充到17．9 V，此時兩者的比值剛好超出DC/DC變換器的電壓變比范圍，導(dǎo)致DC/DC變換器不再工作，制動回路斷開，汽車不再進(jìn)行回收制動，而仿真的全過程都在進(jìn)行再生制動，所以，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速降到一定值后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果發(fā)生明顯偏離。同理可以解釋其他幾組不同電流值對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 恒流制動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比

對比不同制動電流對應(yīng)的制動情況可以發(fā)現(xiàn)，回收制動過程中，制動電流越大，對應(yīng)的制動減速度越大，越有利于電動汽車快速減速停車。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致。因此，在回收制動過程中可以通過調(diào)節(jié)制動電流來改變制動減速度的大小，這對實(shí)際制動過程有較大的參考價值。

5 結(jié)論

根據(jù)輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動汽車再生制動所應(yīng)具備的試驗(yàn)與測試要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款汽車電動輪再生制動試驗(yàn)臺。對再生制動的原理及回收制動力的調(diào)節(jié)進(jìn)行了理論分析，根據(jù)理論分析結(jié)果確立了回收制動的實(shí)驗(yàn)方案。使用Matlab/Simulink對恒流回收制動過程進(jìn)行建模仿真，并基于超級電容進(jìn)行了電動汽車恒流再生制動實(shí)驗(yàn)，對比仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知制動電流越大，對應(yīng)的制動減速度越大，越有利于電動汽車快速減速停車?？梢娫搶?shí)驗(yàn)臺能有效進(jìn)行電動汽車再生制動的研究，這對后期進(jìn)一步進(jìn)行輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的研究具有重要意義。

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