面向電動(dòng)客車的新型渦流緩速 制熱系統(tǒng)研究*

葉樂志，梁 宸，李德勝，劉增崗

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

前言

為解決石油資源短缺和大氣污染問(wèn)題，我國(guó)已將發(fā)展新能源汽車作為國(guó)家戰(zhàn)略。純電動(dòng)客車具有車速低、線路短和行車時(shí)間固定等特點(diǎn)，國(guó)家已通過(guò)補(bǔ)助補(bǔ)貼等形式進(jìn)行大力推廣。與普通家用電動(dòng)轎車相比，純電動(dòng)客車每日行駛的時(shí)間更長(zhǎng)，消耗的能源更多，成本更高，對(duì)于降低原油需求、降低污染物排放的意義更大。

目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是續(xù)駛里程。普通燃油汽車冬季可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒余熱來(lái)取暖，而電動(dòng)客車冬天采用熱泵型空調(diào)或PTC電加熱器制熱取暖，耗電很大，特別是北方，冬季取暖會(huì)使電動(dòng)客車的續(xù)航里程降低40%以上［1］。雖然電機(jī)再生制動(dòng)可回收汽車制動(dòng)能量的45%左右［2］，但經(jīng)過(guò)充電、發(fā)電和PTC電加熱等過(guò)程，產(chǎn)熱量?jī)H為制動(dòng)能量的30%左右［3］。另外，為加強(qiáng)大型車輛的安全性，國(guó)家已出臺(tái)大型客車和貨車輔助制動(dòng)裝置的相關(guān)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)［4-5］。電動(dòng)客車雖有再生制動(dòng)作為輔助制動(dòng)，但還不能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求：僅使用輔助制動(dòng)以30 km／h勻速在6%坡道行駛6 km［4］，故純電動(dòng)客車仍有必要加裝緩速器。

由于現(xiàn)有系統(tǒng)須對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收后再利用，能量利用效率較低，現(xiàn)為純電動(dòng)客車提出一種新型渦流緩速 制熱系統(tǒng)，利用渦流制動(dòng)一次性將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，大大提高了能量利用率。渦流緩速具有功率密度大和能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，一些研究提出了能量回收型緩速器，其中一種利用電機(jī)進(jìn)行能量回收［6］，其實(shí)質(zhì)為電機(jī)再生制動(dòng)，另一種為渦流緩速裝置和電機(jī)共同作用提供制動(dòng)力［7］，但兩種裝置均未真正利用渦流制動(dòng)產(chǎn)生的熱量。

新型集成制動(dòng)系統(tǒng)包括液壓摩擦（機(jī)）、電機(jī)再生（電）和渦流緩速（磁）3種制動(dòng)方式。目前針對(duì)機(jī)電和機(jī) 磁的集成制動(dòng)的復(fù)合控制和穩(wěn)定性研究較多，但針對(duì)3種制動(dòng)的集成制動(dòng)系統(tǒng)研究較少。Hu等對(duì)大型混合動(dòng)力汽車的摩擦制動(dòng) 緩速制動(dòng) 再生制動(dòng)的復(fù)合控制做了探討，但對(duì)3種方式的復(fù)合制動(dòng)行車穩(wěn)定性、能量高效利用和控制策略涉及較少［8］。

本文中提出了總體方案設(shè)計(jì)，根據(jù)總體方案建立機(jī) 電 磁集成制動(dòng)模型，提出集成制動(dòng)動(dòng)態(tài)耦合控制策略，并對(duì)渦流緩速器進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，為制動(dòng)能量高效回收提供一種新思路。

1 電動(dòng)客車渦流緩速 制熱系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

新型純電動(dòng)客車渦流緩速 制熱系統(tǒng)總體方案如圖1所示，系統(tǒng)包括制動(dòng)系統(tǒng)和制熱系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)為電動(dòng)客車提供機(jī) 電 磁3種制動(dòng)方式，制熱系統(tǒng)收集渦流制動(dòng)產(chǎn)生的熱量為車內(nèi)制熱。

圖1 總體方案

使用PTC加熱系統(tǒng)將制動(dòng)能量Eb轉(zhuǎn)化為車內(nèi)熱量Et，在傳動(dòng)、發(fā)電、充電、PTC加熱和暖風(fēng)等環(huán)節(jié)中存在能量損耗，如圖 2所示，Et＝Eb·ηtr·ηmb·ηes·ηPTC·ηair。而制動(dòng) 制熱系統(tǒng)利用渦流緩速產(chǎn)生的熱量制熱，僅經(jīng)過(guò)傳動(dòng)、加熱和暖風(fēng)等環(huán)節(jié)，可減少能量損耗，提高能量利用率，此時(shí)Et＝Eb·ηtr·ηew·ηair。

圖2 兩種制熱方案能量損耗對(duì)比

1.2 制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)包括摩擦制動(dòng)系統(tǒng)、再生制動(dòng)系統(tǒng)和永磁緩速器制動(dòng)系統(tǒng)。摩擦制動(dòng)系統(tǒng)包括液壓控制單元和制動(dòng)器，為整車提供主制動(dòng)，作用在前軸和后軸上。再生制動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)和電池，為電動(dòng)車主要部件，提供再生制動(dòng)力，制動(dòng)時(shí)電機(jī)發(fā)電并存儲(chǔ)在電池中，制動(dòng)力作用在后軸。永磁緩速器置于電機(jī)與減速器之間或置于減速器之后，或采用電機(jī)緩速器一體化設(shè)計(jì)，制動(dòng)力作用在后軸。永磁緩速器的動(dòng)子與汽車傳動(dòng)軸固定，其定子固定于車架，動(dòng)子與定子之間依據(jù)永磁渦流原理產(chǎn)生制動(dòng)力矩。制動(dòng)所產(chǎn)生的熱量可通過(guò)循環(huán)液進(jìn)入制熱系統(tǒng)。

1.3 制熱系統(tǒng)

制熱系統(tǒng)包括加熱器、水泵、風(fēng)扇和溫度傳感器。加熱器和水泵通過(guò)水管與內(nèi)嵌在緩速器定子內(nèi)的水道連接，水道中流出的帶有大量熱量的循環(huán)液流入加熱器，通過(guò)風(fēng)扇的作用使加熱器中的熱量加速進(jìn)入車內(nèi)。制動(dòng)力分配控制器通過(guò)安裝在加熱器上的溫度傳感器檢測(cè)車內(nèi)溫度，以此對(duì)風(fēng)扇的工作狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 純電動(dòng)客車機(jī) 電 磁集成制動(dòng)模型

為分析評(píng)價(jià)渦流緩速 制熱系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中渦流制動(dòng)和制熱性能，須建立純電動(dòng)客車機(jī) 電 磁集成制動(dòng)模型，它包括車輛動(dòng)力學(xué)模型、渦流制動(dòng)模型和渦流制熱模型。

2.1 動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)主制動(dòng)、再生制動(dòng)、緩速器聯(lián)合作用建立數(shù)學(xué)模型。前后軸載荷的表達(dá)式為

其中 T＝T1＋T2＋Tr＋Te

式中：m為汽車總質(zhì)量；b為質(zhì)心到前軸距離；φ1和φ2為前后車輪附著系數(shù)；r1和r2為前后車輪滾動(dòng)半徑；u為車速；t為時(shí)間；hg為質(zhì)心高度；hw為空氣阻力作用高度；L為軸距；T為總制動(dòng)力矩；T1，T2，Tr和Te分別為前軸摩擦、后軸摩擦、再生和緩速制動(dòng)力矩；α為下坡角度，當(dāng)α＝0時(shí)，表示汽車在水平路面上制動(dòng)，α＞0表示汽車在坡道上持續(xù)制動(dòng)。

由式（1）可見，汽車制動(dòng)過(guò)程中前后軸載荷Fz1和Fz2的變化與總制動(dòng)力矩T和空氣阻力Fw有關(guān)，其中影響最大的是總制動(dòng)力矩T。

制動(dòng)減速度的表達(dá)式為

由式（2）可見，汽車制動(dòng)減速度d u／d t主要與總制動(dòng)力矩T和前后輪的附著系數(shù)φ1與φ2有關(guān)，總制動(dòng)力矩確定后，對(duì)制動(dòng)減速度影響最大的是前后輪附著系數(shù)及其差值。

2.2 渦流制動(dòng)模型

永磁緩速器在工作時(shí)，永磁體使旋轉(zhuǎn)的渦流盤內(nèi)表面感應(yīng)產(chǎn)生渦流，如圖3所示。

圖3 渦流計(jì)算模型

由感應(yīng)渦流密度J可得永磁緩速器的損耗功率為

式中：V為渦流盤體積；ρ為渦流盤電阻率。

永磁緩速器制動(dòng)功率等于渦流損耗功率，則永磁緩速器制動(dòng)力矩為

式中n為永磁緩速器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

永磁緩速器采用永磁渦流緩速原理把汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并散發(fā)，系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)的散熱功率等于渦流損耗功率。根據(jù)緩速器應(yīng)散發(fā)的熱量，由熱平衡方程計(jì)算出溫升Δt：

式中：ρw為冷卻水密度，取 ρw＝1000 kg／m3；Cp，w為冷卻水的定壓比熱容，可近似取 Cp，w＝4.187 kJ／（kg·℃）；Vw為冷卻水循環(huán)流量。

2.3 渦流制熱模型

車輛整車參數(shù)和對(duì)制熱效果預(yù)期將影響緩速器參數(shù)的選擇，通過(guò)建立渦流制熱模型，分析緩速器對(duì)制動(dòng) 制熱系統(tǒng)影響因素。

在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》［4］關(guān)于緩速器制動(dòng)性能試驗(yàn)中規(guī)定：對(duì)于M3類和N3類車輛，滿載車輛輸入的能量必須相當(dāng)于在相同時(shí)間內(nèi)，以30 km／h的平均速度在6%的坡道上，下坡行駛6 km所具有的能量。根據(jù)當(dāng)量能量原則緩速器制動(dòng)性能的基本要求表達(dá)式為

式中0.01為車輛滾動(dòng)阻力系數(shù)。當(dāng)永磁緩速器制動(dòng)功率等于車輛需要被吸收功率時(shí)才能勻速下坡，根據(jù)式（6）可算出永磁緩速器τ＝12 min內(nèi)的平均制動(dòng)功率：

式中：T為永磁緩速器制動(dòng)力矩；ω為傳動(dòng)軸角速度。

以QC／T759—2006《汽車試驗(yàn)用城市運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)》［9］中國(guó)城市客車普通道路行駛工況為例，分析永磁緩速器制熱性能要求。圖4為工況速度和加速度時(shí)間歷程。

一個(gè)工況循環(huán)下所能提供的用于制熱的制動(dòng)能量Qp為

圖4 工況速度加速度時(shí)間歷程

式中：Pe為需求制動(dòng)功率；Pm為再生制動(dòng)功率；a為減速度；τ為制動(dòng)階段時(shí)間。

冬季電動(dòng)客車車內(nèi)的制熱負(fù)荷Ph與環(huán)境和車體結(jié)構(gòu)有關(guān)，在中國(guó)城市客車普通道路行駛工況下制熱負(fù)荷可達(dá)5.3～8.6 kW。因此在一個(gè)循環(huán)工況下的制熱能量需求Qh為

根據(jù)Qh和Qe為緩速器選擇合適的制動(dòng)功率。

3 純電動(dòng)客車集成制動(dòng)動(dòng)態(tài)耦合控制策略

電動(dòng)客車集成制動(dòng)系統(tǒng)中包括緩速器制動(dòng)系統(tǒng)，控制目標(biāo)包括制動(dòng)效能、能量回收效率和制熱效能，分別用制動(dòng)強(qiáng)度z、電池SOC和車內(nèi)溫度t表征。為保證良好的制動(dòng) 制熱效果，應(yīng)制定合理的集成制動(dòng)控制策略。

制動(dòng)力分配控制器根據(jù)z，SOC和t進(jìn)行綜合決策，選擇集成制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)模式。根據(jù)電動(dòng)客車需求將制動(dòng)模式分為4種：緊急制動(dòng)模式、再生制動(dòng)退出模式、制熱優(yōu)先模式和電能回收優(yōu)先模式。控制策略的基本制動(dòng)控制邏輯如圖5所示。

圖5 基本制動(dòng)控制邏輯

駕駛員通過(guò)踏板發(fā)出制動(dòng)指令，根據(jù)踏板行程計(jì)算出所需制動(dòng)強(qiáng)度z和制動(dòng)力TB。當(dāng)z≥0.4，進(jìn)入緊急制動(dòng)模式，僅使用摩擦制動(dòng)系統(tǒng)。

當(dāng)z＜0.4，計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大再生制動(dòng)力矩Tr和最大緩速器制動(dòng)力矩 Te；當(dāng)SOC≥0.9，認(rèn)為電池容量飽和，再生制動(dòng)不介入，進(jìn)入再生制動(dòng)退出模式。優(yōu)先利用渦流制動(dòng)，剩余需求制動(dòng)力用液壓制動(dòng)補(bǔ)充。

根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度設(shè)定溫度控制目標(biāo)，文中設(shè)為15℃。當(dāng) SOC＜0.9，判斷送風(fēng)溫度 t，當(dāng) t≤t0，進(jìn)入制熱優(yōu)先模式，優(yōu)先使用渦流制動(dòng)，剩余需求制動(dòng)優(yōu)先使用再生制動(dòng)補(bǔ)充，再使用液壓制動(dòng)補(bǔ)充。

當(dāng)t＞t0，進(jìn)入電能回收優(yōu)先模式，優(yōu)先使用再生制動(dòng)，剩余需求制動(dòng)優(yōu)先使用渦流制動(dòng)補(bǔ)充，再使用液壓制動(dòng)補(bǔ)充。

4 渦流緩速 制熱系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

為綜合評(píng)價(jià)不同制熱方式、控制策略、整車參數(shù)和循環(huán)工況等多種因素對(duì)電動(dòng)客車制動(dòng)能量回收效率的影響，本文中對(duì)渦流緩速 制熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)緩速器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

4.1 仿真分析

為評(píng)價(jià)制動(dòng)、制熱效能和能量回收效率，在MATLAB／Simulink環(huán)境下，結(jié)合機(jī) 電 磁集成制動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型、渦流制動(dòng)模型和渦流制熱模型建立渦流緩速 制熱系統(tǒng)仿真模型。仿真模型框圖如圖6所示。

圖6 仿真模型框圖

工況模塊選擇中國(guó)城市客車普通道路行駛工況進(jìn)行仿真。制動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算模塊根據(jù)工況模塊中的目標(biāo)速度Va計(jì)算制動(dòng)強(qiáng)度z，策略模塊根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度z；車內(nèi)溫度t、車速v和SOC按照策略計(jì)算緩速器制動(dòng)力Fe、前后軸機(jī)械制動(dòng)力F1與F2和電機(jī)再生制動(dòng)力Fr；制動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型模塊根據(jù)策略模塊的制動(dòng)力分配計(jì)算實(shí)時(shí)車速v，并傳遞回策略模塊。電機(jī)模塊根據(jù)策略模塊算出的電機(jī)再生制動(dòng)力Fr計(jì)算電機(jī)的發(fā)電功率Pm；電池模塊根據(jù)發(fā)電功率Pm確定電池的SOC，為計(jì)算再生制動(dòng)力和制動(dòng)能量提供參數(shù)。渦流損耗模塊和制熱模塊根據(jù)渦流制動(dòng)力Fe算出客艙溫度t。根據(jù)SOC下降比例評(píng)價(jià)系統(tǒng)能量利用效率，根據(jù)循環(huán)工況中達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間比例評(píng)價(jià)系統(tǒng)的制熱效能。

4.2 緩速器試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)臺(tái)架

本文中提出的制動(dòng) 制熱系統(tǒng)較為復(fù)雜，可通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證前面建立的渦流緩速和制熱模型。臺(tái)架試驗(yàn)的布置如圖7所示，臺(tái)架試驗(yàn)裝置如圖8所示，試驗(yàn)所用緩速器如圖9所示。

圖7 臺(tái)架試驗(yàn)布置圖

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)裝置

圖9 試驗(yàn)用緩速器

圖10 制動(dòng)力矩／功率 轉(zhuǎn)速曲線

4.2.2 制動(dòng)力矩特性試驗(yàn)

為得到永磁緩速器制動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，確定最大制動(dòng)力矩所在的速度范圍，進(jìn)行制動(dòng)力矩特性試驗(yàn)。緩速器處于滿載工作狀態(tài)，啟動(dòng)電機(jī)并將轉(zhuǎn)速調(diào)至100 r／min，記錄穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩值。之后轉(zhuǎn)速逐漸增加，記錄穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩值，直到最高轉(zhuǎn)速達(dá)1 000 r／min為止。計(jì)算出各轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)制動(dòng)功率值，得到制動(dòng)力矩和功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，如圖10所示。緩速器最大制動(dòng)力矩約為850 N·m，最大制動(dòng)功率為90 kW。

4.2.3 緩速器溫度特性試驗(yàn)

緩速器將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)入冷卻水中，為得到制動(dòng)過(guò)程中冷卻水出口溫度曲線，進(jìn)行緩速器溫度特性試驗(yàn)。啟動(dòng)電機(jī)使轉(zhuǎn)速達(dá)到750 r／min時(shí)作恒速拖動(dòng)，記錄制動(dòng)力矩、出口水溫和緩速器腔內(nèi)溫度，得到制動(dòng)力矩／溫度 時(shí)間特性曲線，如圖11所示。永磁緩速器持續(xù)制動(dòng)12 min，冷卻液流量為0.3 L／s。緩速器腔內(nèi)初始溫度為40℃，7 min后穩(wěn)定在110℃左右，上升了70℃，冷卻水出口初始水溫為30℃，7 min后穩(wěn)定在90℃左右，上升了60℃。

圖11 制動(dòng)力矩／溫度 時(shí)間特性

5 結(jié)論

本文中提出了一種電動(dòng)客車制動(dòng)能量高效利用方法，設(shè)計(jì)了渦流緩速 制熱系統(tǒng)總體方案，建立了機(jī) 電 磁集成制動(dòng)模型，提出了一種制動(dòng)控制策略，并對(duì)渦流緩速器制熱系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。渦流緩速 制熱系統(tǒng)為提升電動(dòng)客車的續(xù)駛里程和行駛安全提供了一種新思路。