客车制动能量回收试验装置的研究

李勇，马腾腾，陈峰磊，杨云东

客车制动能量回收试验装置的研究

李勇1，2，马腾腾1，陈峰磊1，杨云东1

（1.厦门理工学院，福建厦门361024；2.福建省福工动力技术股份公司，福州350003）

本文设计的半实物制动能量回收试验台，以客车真实驱动后桥为基础，以飞轮组模拟整车惯量，驱动系统模拟实车。采用模块化结构设计，各级之间采用CAN总线连接，设计了基于最大能量回收的再生制动控制策略及复合制动力的分配策略，可实现多种制动工况的模拟。

再生制动；制动能量回收；试验台设计；复合制动

再生制动是汽车提高能源利用率和实现节能减排的重要措施之一。客车作为重要的交通工具之一，对实现节能减排起着重要的作用。新能源客车由于具有储能装置的优势，使得再生制动技术已广泛应用在新能源车辆上。更为准确和方便地进行客车制动能量回收效率测试是目前客车制动能量回收技术关键难点之一。本文设计了针对客车制动能量回收测试的半实物试验台。

1　能量回收试验台功能性设计

汽车制动能量回收的原理就是，把原本以摩擦发热的形式散失的一部分能量，利用电制动系统回收到储能装置中再转换为车辆的动能。驾驶员踩下制动踏板，制动控制器判断驾驶员的制动意图，根据当前储能装置的SOC值以及道路的滑移率等信息执行相应预制的控制策略；当电机制动系统参与制动时，电机以发电模式工作，部分能量回收到储能装置中以再利用［1-2］。

汽车制动能量回收理论主要是研究制动能量的回收方法/回收效率、驱动电动机与功率转换器的控制技术、储能装置能量管理策略、制动控制策略、机电复合制动的协调等。实现上述研究，需要试验台具备驱动、控制、储能、惯量模拟和阻力模拟等功能，同时试验台的设计要满足适用性和可控性。本文所设计的制动能量回收试验台遵循以下设计原则［3］：

1）适用性强，能够完成装有制动回收系统基本车型和不同载荷状态下的模拟试验。

2）能够实现汽车各种行驶工况和制动工况的模拟。

3）能够模拟行驶阻力，包括滚动阻力、加速阻力、坡道阻力等。

4）操作方便，能够实时施控试验、监控试验数据状态，并及时回收能量到储能装置中。

5）具有一定的扩展性，可根据试验要求拓展试验台功能。

基于以上几点，本文制动能量回收试验台的设计采用模块化的思想。试验台主要分为5个模块：系统控制模块、集中驱动/发电模块、储能模块、物理阻力模拟模块和整车惯量模拟模块，如图1所示。各模块之间独立性强，可根据试验需求对各个模块分别进行改进。

2　能量回收试验台系统设计

由于客车驱动系统结构较简单，为更加准确地测量客车制动能量回收效率，本文以车辆真实后桥为架构，将飞轮组安装在半轴末端，在此基础上布置试验台的各个功能模块，最大程度还原客车真实回收模式［4］。

搭建制动能量回收试验台架结构系统图见图2。

该系统能量管理系统集成到总控制器中，先由驱动电机传递动力带动飞轮组至目标转速，总控制器根据控制需求控制气刹模块给飞轮组以机械阻力来模拟制动过程中的物理阻力，同时飞轮组通过传动系统可反向带动电机进行发电完成制动能量的回收。电机与后桥之间预留的安装空间可根据试验需求增加两档变速器。

飞轮组用来模拟制动时整车的动能应该与整车的惯量相当，试验台制动时间应与实际制动时间接近。飞轮组的设计采用分层逐级式设计，可模拟不同载重各种工况下的整车惯量。飞轮组具体参数和制动相关参数可由以下公式估算：

式中：E为整车动能（惯性轮动能）；m为整车质量；v为车速；J为惯性轮惯量；ω为惯性轮角速度；T为惯性轮制动转矩；α为惯性轮角加速度；△t为惯性轮额定转矩下制动时间，单位均取国际标准单位。

电机的选用要满足以下要求：双模式工作，转速范围足够大，调速方便；一定转速下，输出转矩足够，功率足够；支持恒功率恒转矩调速；最大电压、最大电流与系统相匹配。

选用超级电容作为储能装置，超级电容具有高功率密度和充放电速率等优点。利用超级电容可以迅速地吸收和释放制动再生能量。台架试验中不必长时间运行于驱动模式，因此，试验台设计采用多个超级电容组作为储能装置［5］。

总控制器负责系统整体的协调控制和能量管理。输入信号包括加速踏板信号、电容组SOC信号、电压电流信号、制动压力信号等。输出信号包括变频器控制信号、各个电磁阀开关信号、操纵面板显示数据等。控制系统由总控制器统一控制，其中电机系统控制采用分层控制的方式，二级控制由变频器完成，避免了系统接线繁杂。试验操作采用可视化触控面板，操纵台还配备刹车踏板和油门踏板，操作上更符合实际制动回收过程。

经过动力匹配和性能选择后的硬件试验台参数如表1所示。

表1　试验台主要部件参数

试验台前部由槽钢固定，后部底座由加厚钢板焊制，台架传动轴、后桥、气制动机构均与实车相同，电机通过传动轴与后桥相连。整车控制器、变频器、超级电容组与操纵控制台分别布置在试验台四周。搭建完成的试验台实物图如图3所示。

为最大限度地回收制动能量，设计了基于最大制动能量回收的控制策略［6-7］，如图4所示。最大制动能量回收控制策略的制定主要围绕以下几个原则：

1）保证汽车的制动稳定性和制动安全性。

2）保证储能装置的高效性。在进行制动能量回收时，要保证SOC值处在合理的范围之内，有利于延长储能装置的使用寿命。

3）优先进行电制动、控制逻辑简单且较容易实现。

3　制动能量回收试验

基于最大制动能量回收控制策略，本文搭建了实物试验台进行所开发客车的制动能量回收效率试验，模拟整车的基本参数为整车满载质量16 t（按65%计）；传动比6；风阻面积2.6 m2；车轮半径0.5 m；可模拟的最高车速40 km/h。为更好地测试车辆回馈系统在不同制动工况下的制动能量回收效率，试验以制动踏板为控制目标依次进行轻度、中度、重度三次制动回收试验［8-11］。制动试验初速度都设定为40 km/h，末速度都为0 km/h（期间车轮无抱死行为）。不同制动强度下的速度变化见图5；不同制动强度下的电容冲电功率变化见图6。

客车试验台制动回收试验的回收效率如表2所示。

表2　不同制动强度道路试验制动能量回收效率

为了验证试验台的稳定性，对重度制动进行3次重复试验，试验结果如表3所示。

表3　重度制动下试验台稳定性表现

4　结束语

以汽车实物后桥为基础设计了针对客车制动能量回收效率测试的半实物仿真试验台。试验表明，该试验台具备汽车行驶工况、行驶阻力模拟、复合制动模拟、能量存储与转换等功能。另外，重复试验结果表明，该试验台稳定效果良好，误差范围在±3%之内，达到了试验台的运行要求。此试验台可为后续开发、优化客车制动能量回收系统提供参考，在进行实车工况匹配试验后，可对试验台进一步改进。

［1］余志生.汽车理论［M］.4版.北京：机械工业出版社，2008.

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修改稿日期：2015-05-20

Research on Bus Braking Energy Recovery Test Bench

Li Yong1，2，Ma Tengteng1，Chen Fenglei1，YangYundong1
（1.Xiamen UniversityofTechnology，Xiamen 361024，China；2.Fujian FugongPowerTechnologyCo.，Ltd，Fuzhou 350003，China）

The authors design a hardware-in-the-loop（HIL）braking energy recovery test bench which takes the bus real drivingaxle as the basis，uses the flywheels tosimulate the vehicle inertia，and uses the drive systemtosimulate the real vehicle.The test bench is designed with modular structure，the CAN bus is used to connect each grade of the controls，and the regenerative braking control strategy and composite braking force distribution strategy are designed based on the maximum energy recovery，so the test bench can realize a variety of the simulation of many brakingconditions.

regenerative braking；brakingenergyrecovery；test bench design；composite braking

U463.5

B

1006-3331（2015）06-0053-04

李勇（1976-），男，博士；学院讲师；公司技术顾问；研究方向：车辆动力传动系统及车辆电子控制。