面向電動客車的新型渦流緩速 制熱系統研究*

葉樂志，梁 宸，李德勝，劉增崗

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

前言

為解決石油資源短缺和大氣污染問題，我國已將發展新能源汽車作為國家戰略。純電動客車具有車速低、線路短和行車時間固定等特點，國家已通過補助補貼等形式進行大力推廣。與普通家用電動轎車相比，純電動客車每日行駛的時間更長，消耗的能源更多，成本更高，對于降低原油需求、降低污染物排放的意義更大。

目前制約電動汽車發展的關鍵因素是續駛里程。普通燃油汽車冬季可利用發動機的燃燒余熱來取暖，而電動客車冬天采用熱泵型空調或PTC電加熱器制熱取暖，耗電很大，特別是北方，冬季取暖會使電動客車的續航里程降低40%以上［1］。雖然電機再生制動可回收汽車制動能量的45%左右［2］，但經過充電、發電和PTC電加熱等過程，產熱量僅為制動能量的30%左右［3］。另外，為加強大型車輛的安全性，國家已出臺大型客車和貨車輔助制動裝置的相關強制標準［4-5］。電動客車雖有再生制動作為輔助制動，但還不能達到國家標準要求：僅使用輔助制動以30 km／h勻速在6%坡道行駛6 km［4］，故純電動客車仍有必要加裝緩速器。

由于現有系統須對制動能量進行回收后再利用，能量利用效率較低，現為純電動客車提出一種新型渦流緩速 制熱系統，利用渦流制動一次性將制動能量轉化為熱能，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換效率高等優點，一些研究提出了能量回收型緩速器，其中一種利用電機進行能量回收［6］，其實質為電機再生制動，另一種為渦流緩速裝置和電機共同作用提供制動力［7］，但兩種裝置均未真正利用渦流制動產生的熱量。

新型集成制動系統包括液壓摩擦（機）、電機再生（電）和渦流緩速（磁）3種制動方式。目前針對機電和機 磁的集成制動的復合控制和穩定性研究較多，但針對3種制動的集成制動系統研究較少。Hu等對大型混合動力汽車的摩擦制動 緩速制動 再生制動的復合控制做了探討，但對3種方式的復合制動行車穩定性、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計，根據總體方案建立機 電 磁集成制動模型，提出集成制動動態耦合控制策略，并對渦流緩速器進行了臺架試驗，為制動能量高效回收提供一種新思路。

1 電動客車渦流緩速 制熱系統總體方案設計

1.1 總體方案

新型純電動客車渦流緩速 制熱系統總體方案如圖1所示，系統包括制動系統和制熱系統。制動系統為電動客車提供機 電 磁3種制動方式，制熱系統收集渦流制動產生的熱量為車內制熱。

圖1 總體方案

使用PTC加熱系統將制動能量Eb轉化為車內熱量Et，在傳動、發電、充電、PTC加熱和暖風等環節中存在能量損耗，如圖 2所示，Et＝Eb·ηtr·ηmb·ηes·ηPTC·ηair。而制動 制熱系統利用渦流緩速產生的熱量制熱，僅經過傳動、加熱和暖風等環節，可減少能量損耗，提高能量利用率，此時Et＝Eb·ηtr·ηew·ηair。

圖2 兩種制熱方案能量損耗對比

1.2 制動系統

制動系統包括摩擦制動系統、再生制動系統和永磁緩速器制動系統。摩擦制動系統包括液壓控制單元和制動器，為整車提供主制動，作用在前軸和后軸上。再生制動系統包括電機和電池，為電動車主要部件，提供再生制動力，制動時電機發電并存儲在電池中，制動力作用在后軸。永磁緩速器置于電機與減速器之間或置于減速器之后，或采用電機緩速器一體化設計，制動力作用在后軸。永磁緩速器的動子與汽車傳動軸固定，其定子固定于車架，動子與定子之間依據永磁渦流原理產生制動力矩。制動所產生的熱量可通過循環液進入制熱系統。

1.3 制熱系統

制熱系統包括加熱器、水泵、風扇和溫度傳感器。加熱器和水泵通過水管與內嵌在緩速器定子內的水道連接，水道中流出的帶有大量熱量的循環液流入加熱器，通過風扇的作用使加熱器中的熱量加速進入車內。制動力分配控制器通過安裝在加熱器上的溫度傳感器檢測車內溫度，以此對風扇的工作狀況進行調節。

2 純電動客車機 電 磁集成制動模型

為分析評價渦流緩速 制熱系統在制動過程中渦流制動和制熱性能，須建立純電動客車機 電 磁集成制動模型，它包括車輛動力學模型、渦流制動模型和渦流制熱模型。

2.1 動力學模型

對主制動、再生制動、緩速器聯合作用建立數學模型。前后軸載荷的表達式為

其中 T＝T1＋T2＋Tr＋Te

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

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

制動減速度的表達式為

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

2.2 渦流制動模型

永磁緩速器在工作時，永磁體使旋轉的渦流盤內表面感應產生渦流，如圖3所示。

圖3 渦流計算模型

由感應渦流密度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。

永磁緩速器制動功率等于渦流損耗功率，則永磁緩速器制動力矩為

式中n為永磁緩速器轉子轉速。

永磁緩速器采用永磁渦流緩速原理把汽車行駛的動能轉化為熱能并散發，系統應散發的散熱功率等于渦流損耗功率。根據緩速器應散發的熱量，由熱平衡方程計算出溫升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為冷卻水循環流量。

2.3 渦流制熱模型

車輛整車參數和對制熱效果預期將影響緩速器參數的選擇，通過建立渦流制熱模型，分析緩速器對制動 制熱系統影響因素。

在GB12676—2014《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》［4］關于緩速器制動性能試驗中規定：對于M3類和N3類車輛，滿載車輛輸入的能量必須相當于在相同時間內，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。根據當量能量原則緩速器制動性能的基本要求表達式為

式中0.01為車輛滾動阻力系數。當永磁緩速器制動功率等于車輛需要被吸收功率時才能勻速下坡，根據式（6）可算出永磁緩速器τ＝12 min內的平均制動功率：

式中：T為永磁緩速器制動力矩；ω為傳動軸角速度。

以QC／T759—2006《汽車試驗用城市運轉循環》［9］中國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間歷程。

一個工況循環下所能提供的用于制熱的制動能量Qp為

圖4 工況速度加速度時間歷程

式中：Pe為需求制動功率；Pm為再生制動功率；a為減速度；τ為制動階段時間。

冬季電動客車車內的制熱負荷Ph與環境和車體結構有關，在中國城市客車普通道路行駛工況下制熱負荷可達5.3～8.6 kW。因此在一個循環工況下的制熱能量需求Qh為

根據Qh和Qe為緩速器選擇合適的制動功率。

3 純電動客車集成制動動態耦合控制策略

電動客車集成制動系統中包括緩速器制動系統，控制目標包括制動效能、能量回收效率和制熱效能，分別用制動強度z、電池SOC和車內溫度t表征。為保證良好的制動 制熱效果，應制定合理的集成制動控制策略。

制動力分配控制器根據z，SOC和t進行綜合決策，選擇集成制動系統的制動模式。根據電動客車需求將制動模式分為4種：緊急制動模式、再生制動退出模式、制熱優先模式和電能回收優先模式。控制策略的基本制動控制邏輯如圖5所示。

圖5 基本制動控制邏輯

駕駛員通過踏板發出制動指令，根據踏板行程計算出所需制動強度z和制動力TB。當z≥0.4，進入緊急制動模式，僅使用摩擦制動系統。

當z＜0.4，計算當前轉速下最大再生制動力矩Tr和最大緩速器制動力矩 Te；當SOC≥0.9，認為電池容量飽和，再生制動不介入，進入再生制動退出模式。優先利用渦流制動，剩余需求制動力用液壓制動補充。

根據實際環境溫度設定溫度控制目標，文中設為15℃。當 SOC＜0.9，判斷送風溫度 t，當 t≤t0，進入制熱優先模式，優先使用渦流制動，剩余需求制動優先使用再生制動補充，再使用液壓制動補充。

當t＞t0，進入電能回收優先模式，優先使用再生制動，剩余需求制動優先使用渦流制動補充，再使用液壓制動補充。

4 渦流緩速 制熱系統仿真與試驗

為綜合評價不同制熱方式、控制策略、整車參數和循環工況等多種因素對電動客車制動能量回收效率的影響，本文中對渦流緩速 制熱系統進行仿真分析，并對緩速器進行臺架試驗。

4.1 仿真分析

為評價制動、制熱效能和能量回收效率，在MATLAB／Simulink環境下，結合機 電 磁集成制動動力學模型、渦流制動模型和渦流制熱模型建立渦流緩速 制熱系統仿真模型。仿真模型框圖如圖6所示。

圖6 仿真模型框圖

工況模塊選擇中國城市客車普通道路行駛工況進行仿真。制動強度計算模塊根據工況模塊中的目標速度Va計算制動強度z，策略模塊根據制動強度z；車內溫度t、車速v和SOC按照策略計算緩速器制動力Fe、前后軸機械制動力F1與F2和電機再生制動力Fr；制動動力學模型模塊根據策略模塊的制動力分配計算實時車速v，并傳遞回策略模塊。電機模塊根據策略模塊算出的電機再生制動力Fr計算電機的發電功率Pm；電池模塊根據發電功率Pm確定電池的SOC，為計算再生制動力和制動能量提供參數。渦流損耗模塊和制熱模塊根據渦流制動力Fe算出客艙溫度t。根據SOC下降比例評價系統能量利用效率，根據循環工況中達到目標溫度的時間比例評價系統的制熱效能。

4.2 緩速器試驗

4.2.1 試驗臺架

本文中提出的制動 制熱系統較為復雜，可通過臺架試驗驗證前面建立的渦流緩速和制熱模型。臺架試驗的布置如圖7所示，臺架試驗裝置如圖8所示，試驗所用緩速器如圖9所示。

圖7 臺架試驗布置圖

圖8 臺架試驗裝置

圖9 試驗用緩速器

圖10 制動力矩／功率 轉速曲線

4.2.2 制動力矩特性試驗

為得到永磁緩速器制動力矩與轉速關系曲線，確定最大制動力矩所在的速度范圍，進行制動力矩特性試驗。緩速器處于滿載工作狀態，啟動電機并將轉速調至100 r／min，記錄穩定轉矩值。之后轉速逐漸增加，記錄穩定轉矩值，直到最高轉速達1 000 r／min為止。計算出各轉速對應制動功率值，得到制動力矩和功率與轉速的關系曲線，如圖10所示。緩速器最大制動力矩約為850 N·m，最大制動功率為90 kW。

4.2.3 緩速器溫度特性試驗

緩速器將制動能量轉化為熱能進入冷卻水中，為得到制動過程中冷卻水出口溫度曲線，進行緩速器溫度特性試驗。啟動電機使轉速達到750 r／min時作恒速拖動，記錄制動力矩、出口水溫和緩速器腔內溫度，得到制動力矩／溫度 時間特性曲線，如圖11所示。永磁緩速器持續制動12 min，冷卻液流量為0.3 L／s。緩速器腔內初始溫度為40℃，7 min后穩定在110℃左右，上升了70℃，冷卻水出口初始水溫為30℃，7 min后穩定在90℃左右，上升了60℃。

圖11 制動力矩／溫度 時間特性

5 結論

本文中提出了一種電動客車制動能量高效利用方法，設計了渦流緩速 制熱系統總體方案，建立了機 電 磁集成制動模型，提出了一種制動控制策略，并對渦流緩速器制熱系統進行了臺架試驗。渦流緩速 制熱系統為提升電動客車的續駛里程和行駛安全提供了一種新思路。