能量回收式電渦流緩速器制動策略研究

叢林鵬

（1.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070）

引言

電渦流緩速器普遍應用在中高檔客車和卡車等商用車輛上，具有簡單的機械結構、較高的制動功率密度和良好的制動控制響應等優點，但也在緩速制動過程中存在制動力矩熱衰退的現象[1]。

車輛再生制動能量回收技術既可以提供制動，而且可以回收制動動能，但再生制動制動力矩較小，低速時的制動性能較差，能量回收效率不高[2]。

能量回收式電渦流緩速器就是將電渦流緩速器與再生制動能量回收技術聯合使用，由于再生制動的能量的制動力矩較小以及電渦流緩速器發熱等問題，電渦流緩速器與再生制動的制動力矩分配易出現問題，易出現緩速制動系統制動力矩不足或緩速制動系統可使用時間過短等問題[3]。

針對以上問題，本文結合電渦流緩速器和再生制動能量回收技術的優點，研究一種能量回收式電渦流緩速器的制動力矩補償策略方法，一方面能量回收裝置可以對汽車制動時的動能進行了能量回收，以達到提高能源利用效率和減少污染物排放的目的，另一方面再生制動系統給電渦流緩速器發生制動熱衰退導致的制動力矩損失進行補償，延緩電渦流緩速器溫升，提升緩速裝置制動時的使用時間，保障汽車制動時的行駛安全性。

1 制動補償策略限制要求

制動補償首先根據駕駛員踩踏制動踏板位移，明確駕駛員的制動需求，然后根據目標制動力矩的限制要求確定能量回收式電渦流緩速器施加在傳動軸上的目標制動力矩，再根據再生制動系統可用制動力矩選擇車輛能量回收式電渦流緩速器的制動補償模式。

1.1 整車需求制動力矩

識別駕駛員需求制動力矩是指根據識別駕駛員操作制動踏板的開度得到駕駛員對整車制動強度的需求并得到駕駛員需求制動力矩。駕駛員制動意圖識別如圖1所示[4]。

圖1 整車需求制動力矩

通過獲取駕駛員操作制動踏板的行程S，計算駕駛員對整車制動強度z的需求：

其中，kb為制動踏板行程和制動強度系數。

根據對制動強度與制動力矩的對應關系，求得駕駛員需求制動力矩Treb為：

其中，G表示車輛總重力；r表示輪胎半徑。

1.2 目標制動力矩

根據GB12676《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》法規中提出緩速制動系統試驗過程中，在行車制動系統、應急制動系統和駐車制動系統不參與使用的前提下，應保證車輛在滿載狀態可以在7%的坡道上，以30km/h的平均車速下坡行駛6km，所采用的變速器擋位應保證發動機轉速不超過制造商規定的最大轉速。假如能量回收式電渦流緩速器相位合理，不會導致行車制動系統作用，則可以使用能量回收式電渦流緩速器。因此對于整車駕駛安全，目標制動力矩的大小有下限要求。

根據汽車動力學原理，考慮汽車行駛過程中所受的道路阻力和空氣阻力等，可計算能量回收式電渦流緩速器的制動力矩Te最小值為：

其中，α表示坡度方向與水平方向的夾角；μ表示車輪滾動阻力系數；Cd表示車輛空氣阻力系數；A表示車輛迎風面積；ηT為車輛傳動效率；i0表示主減速器傳動比。

1.3 補償可用制動力矩

永磁同步電機能夠提供的制動力矩受諸多因素的影響，根據永磁同步電機的工作原理可知，在車輛制動過程中再生制動力矩的主要特性如下：

永磁同步電機輸出軸轉速較低，其產生的反電動勢不足以產生足夠的電壓對需電池進行充電，因此無再生制動力矩；

當永磁同步電機處于恒功率輸出時，在制動過程中再生制動力矩不是恒定值，隨轉速變化，這些因素導致永磁同步電機提供的制動力矩會發生變化。

綜合考慮以上因素，為了減少永磁同步電機輸出轉矩不確定性影響，使車速變化平穩。在此引入永磁同步電機制動力矩速度影響因子kw其表達式分別為[5]：

永磁同步電機可用的制動力矩為：

2 制動補償策略

2.1 制動補償策略原理

采用制動熱衰退補償控制策略的主要目的是首先保證整車制動安全性能，保證車輛在制動過程中電渦流制動系統的溫度控制在安全范圍以內，其次考慮在制動過程中進行制動能量回收。具體到實際運行過程中，需要綜合考慮駕駛員的制動需求，還受再生制動系統所能提供的最大制動力矩和電渦流制動系統制動熱衰退程度等因素的限制，在車輛進行緩速制動時，以電渦流制動系統緩速制動為主，再生制動系統為輔助制動在適當的情況下對電渦流制動系統產生的制動力矩進行補償，將車輛需求制動力矩合理的分配給電渦流制動系統和再生制動系統。根據以上的分析，在車輛制動過程中，制動熱衰退補償控制策略的中心思想包括[6]：

為了保證車輛的行駛安全性，只有當車輛行駛車速ua＞uamin、車輛制動減速度需求a＞amin時，才能開啟再生制動系統。

當再生制動系統能夠滿足對駕駛員對制動轉矩的需求時，則全部采用再生制動系統進行制動。

當再生制動系統提供的制動力矩不足以滿足駕駛員的制動需求時，電渦流制動系統介入，由電渦流制動系統擔任主要緩速制動的作用，再生制動系統所提供的制動力矩予以補償。

2.2 制動力矩補償策略

詳細步驟描述如下：

圖2 制動補償策略

輸入車輛行駛車速ua、車輛制動減速度a、制動踏板行程Sb以及其他車輛控制常數等，判斷是否采用再生制動系統。

計算再生制動系統可用制動力矩Tma，判斷車輛總需求制動力矩Treb和再生制動系統可用制動力矩Tma的大小關系。如果Treb≥Tma，則說明再生制動系統提供的制動力矩可以滿足車輛制動需求，此時，再生動系統實際制動力矩Tm=Tma，電渦流制動系統實際制動力矩Te=0，實際總制動力矩Tb=Tm；如果Treb＜Tma，則說明再生制動系統提供的制動力矩無法滿足車輛制動需求，此時，需要電渦流制動系統起到主要緩速制動作用，再生制動系統對其進行制動力矩補償。

確定電渦流制動系統參與制動后，計算當電渦流制動系統初始制動力矩等于車輛總需求制動力矩Treb時，持續制動600s，電渦流制動系統因制動熱衰退所損失的制動力矩Tel。

判斷再生制動系統可用力矩Tma和電渦流制動系統因制動熱衰退所損失的制動力矩Tel的大小關系。判斷如果Tma＜Tel，說明再生制動系統提供的制動力矩足以補償電渦流制動系統因熱衰退現象損失的制動力矩，此時，再生制動系統實際制動力矩Tm等于電渦流制動系統衰退制動力矩Tel；判斷如果Tma＜Tel，說明再生制動系統提供的制動力矩不能完全補償電渦流制動系統因熱衰退現象損失的制動力矩，此時再生制動系統實際制動力矩Tm等于再生制動系統可用再生制動力矩Tma。

計算電渦流制動系統實際制動力矩為等于駕駛員需求制動力矩減再生制動系統實際制動力矩，即Te=Treb-Tm。車輛實際總制動力矩等于再生制動系統實際制動力矩和電渦流制動系統實際制動力矩的和，即Tb=Te+Tm。

3 建模與仿真

3.1 模型搭建

本節針對某一滿載質量18T的兩軸商用車的緩速制動工況為虛擬仿真分析對象，其緩速裝置為1500N·m級別的能量回收式電渦流緩速器，輪胎尺寸為 R22.5，主減速器傳動比i0=4.845。以GB16276法規為驗證標準，設置車輛在滿載情況下，使車輛在7%的坡道上保持以30km/h的車速勻速行駛5km為仿真目標。根據車速與傳動軸轉速的對應關系計算傳動軸轉速為1000rpm。

3.2 仿真結果與結論

對比研究電渦流緩速器單獨制動和制動補償后的轉子盤溫度和制動力矩的變化規律。

圖3 電渦流緩速器轉子盤溫度變化

如圖3所示，當電渦流緩速器單獨制動時，制動時間大約在107s至172s時間，各個制動擋位工況下的轉子盤溫度上升至200℃，在車輛持續使用電渦流制動系統制動600s的時間內，不同擋位工況下的轉子盤溫度控制在 650℃以內，但當車輛需要繼續持續制動時，轉子盤溫度會繼續升高；如圖4所示，制動補償后在制動時間大約122s至208s時間，轉子盤溫度上升至200℃，相比于電渦流制動系統單獨制動，延緩的電渦流轉子盤溫度的提升，在車輛持續使用電渦流制動系統制動600s的時間內，不同擋位工況下的轉子盤溫度控制在500℃以內。

圖4 制動補償后轉子盤溫度變化

圖5 電渦流緩速器制動力矩隨轉子盤溫度變化

圖6 制動補償后制動力矩隨轉子盤溫度變化

如圖5所示，電渦流制動緩速器單獨制動時，制動力矩隨轉子盤溫度的升高而顯著下降，電渦流制動系統存在熱衰退現象導致制動力矩衰減，勵磁電流強度與制動力矩的大小成正比，在轉子盤溫度達到 600℃時，制動力矩衰減達到初始制動力矩的67.1%、、63.4%、60.1%、57.6%；如圖6所示，制動補償后 600℃時的總制動力矩分別為初始總制動力矩的94.73%、92.30%、86.36%、82.75%。

4 結論

本文的研究對象是能量回收式電渦流緩速器的制動策略，經仿真分析，該制動補償機制可以延緩電渦流緩速器的溫升，使得實際產生的總制動力矩始終能滿足駕駛員的制動需求，使得車輛減速度變化率降低，保證車輛穩定緩速制動，進而保證車輛制動時的行駛安全性。