城市公交車再生制動(dòng)技術(shù)研究

金彪

摘 要：目前交通工具已經(jīng)逐步向低能耗、低排放、新能源的混合動(dòng)力或者純電動(dòng)汽車方向發(fā)展。在電動(dòng)汽車方面，再生制動(dòng)是可以實(shí)現(xiàn)汽車降低能耗的重要技術(shù)。而在混合動(dòng)力汽車方面，再生制動(dòng)是能夠有效降低混合動(dòng)力汽車燃油消耗，延長(zhǎng)行駛距離的技術(shù)。本文基于城市公交車中的再生制動(dòng)技術(shù)為研究主體，分析其制動(dòng)原理和對(duì)比制動(dòng)策略。同時(shí)針對(duì)并聯(lián)制動(dòng)策略中的不足，主要在單電機(jī)制動(dòng)控制和能量回收方面優(yōu)化改進(jìn)其動(dòng)力分配，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證能有效加強(qiáng)再生制動(dòng)效率，提高公交車行駛穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：城市公交車；再生制動(dòng)；動(dòng)力分配

引言

隨著國(guó)家政策支持下，混合動(dòng)力公交車的產(chǎn)生是作為逐步向新能源汽車轉(zhuǎn)換的過(guò)渡新車型，已經(jīng)開始在許多城市推廣和使用。傳統(tǒng)公交車在剎車時(shí)，車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)能和勢(shì)能均以摩擦發(fā)熱的形式完全浪費(fèi)掉，造成極大的浪費(fèi)。另外因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間反復(fù)制動(dòng)，制動(dòng)裝置也會(huì)產(chǎn)生熱衰退的情況，對(duì)制動(dòng)效能產(chǎn)生消極影響。公交車在城市道路行駛，由于人流大、車流大等原因制動(dòng)將非常頻繁，將會(huì)產(chǎn)生很高的能量消耗，在整車的有效總能中將占據(jù)一定的比例。基于上述的考慮使得本文具有十分現(xiàn)實(shí)的研究意義，未來(lái)對(duì)制動(dòng)再生技術(shù)的優(yōu)化也將成為城市公交車一大發(fā)展趨勢(shì)。

2 城市公交車再生制動(dòng)技術(shù)概述

2.1 再生制動(dòng)技術(shù)原理及回饋方式

再生制動(dòng)指的是在車輛發(fā)生剎車、下坡滑行或者超低速行駛過(guò)程中，借用其與驅(qū)動(dòng)輪之間關(guān)聯(lián)完成能量轉(zhuǎn)換，使得車輛已有的部分能量可以轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ)為其它的能量。當(dāng)車輛再次啟動(dòng)行駛或加速前進(jìn)時(shí)，可將已存儲(chǔ)的能量釋放并在行駛過(guò)程中再次利用。同時(shí)還可以由部分制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)整車的制動(dòng)目的。

目前城市公交車再生制動(dòng)主要有三種方式，分為飛輪式、電儲(chǔ)式、液壓式。三種儲(chǔ)能系統(tǒng)在具體工作時(shí)都會(huì)有其利弊。

（1）飛輪儲(chǔ)存是機(jī)械之間完成的轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換效率較高，同時(shí)組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度較高，但由于它儲(chǔ)存時(shí)間非常短，安全性非常低，使得對(duì)使用環(huán)境有較高的要求，只有真空環(huán)境才可以，在技術(shù)方面考慮實(shí)現(xiàn)困難。目前常規(guī)能源公交車都是以發(fā)動(dòng)機(jī)作為核心、飛輪作為傳遞動(dòng)能的配置，飛輪儲(chǔ)能把能量?jī)?chǔ)存在飛輪箱中，當(dāng)車輛加速或者啟動(dòng)時(shí)幫助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪傳遞力矩，由于都是由飛輪輸出力矩，所以傳遞效率高、損耗小。

（2）液壓儲(chǔ)存的方式特點(diǎn)是可儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)較為緊湊，技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但它的零部件利用時(shí)必須實(shí)現(xiàn)絕對(duì)密封，使用成本較高。它主要是把汽車制動(dòng)產(chǎn)生的能量以液壓的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)汽車加速或者啟動(dòng)時(shí)，再把液壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能或者用于其他形式的液壓能。

（3）電儲(chǔ)方式在結(jié)構(gòu)上非常簡(jiǎn)單，設(shè)置方式靈活易把控，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能量回收效率相對(duì)高一些，但它的能量轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜，損耗太大，功率密度相對(duì)較低，生產(chǎn)維護(hù)成本相應(yīng)比較高。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的趨勢(shì)下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)性課題目前已全部研究實(shí)現(xiàn)，今后會(huì)在新能源公交車應(yīng)用中逐步展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

2.2 再生制動(dòng)的影響因素及其關(guān)鍵技術(shù)

新型城市公交車再生制動(dòng)系統(tǒng)非常的復(fù)雜，其相關(guān)的再生制動(dòng)能量回收就會(huì)有許多相關(guān)制約因素。

（1）驅(qū)動(dòng)類型。對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō)，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中并不是所有機(jī)械運(yùn)動(dòng)或者能量都能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)存再利用，前提是在驅(qū)動(dòng)軸關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)輪，才可以選擇以某種形式存儲(chǔ)能量。當(dāng)車輛發(fā)生制動(dòng)遷移時(shí)，其受制于車輛穩(wěn)定性的約束，一般情況后驅(qū)汽車制動(dòng)將較低于前驅(qū)汽車的回收能量，同時(shí)四驅(qū)汽車制動(dòng)也會(huì)相比較二輪驅(qū)動(dòng)強(qiáng)很多。

（2）制動(dòng)安全穩(wěn)定性要求。如若車輛所需的制動(dòng)力非常大的話，而且遠(yuǎn)大于它所能夠提供的制動(dòng)力，這時(shí)制動(dòng)控制裝置將必須立即開啟機(jī)械摩擦的控制系統(tǒng)，讓其強(qiáng)制性的制動(dòng)并確保行駛的安全性。

（3）電動(dòng)機(jī)類型。再生制動(dòng)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在力矩特點(diǎn)和調(diào)速范圍方面都會(huì)有更嚴(yán)格的要求，工作運(yùn)行可靠持續(xù)，能夠適于各種復(fù)雜環(huán)境。和感應(yīng)電機(jī)相比，永磁無(wú)刷電機(jī)體積小、效率高、運(yùn)行噪音較小，在電動(dòng)汽車行業(yè)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

（4）電池狀態(tài)SOC值。在充電電流太大或者有容量超負(fù)荷的情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)就無(wú)法進(jìn)行能量的回收利用。超級(jí)電容器對(duì)比電化學(xué)電池有著非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，原因是它的功率遠(yuǎn)超過(guò)電化學(xué)電池，允許瞬間產(chǎn)生的大功率進(jìn)行充放電工作。

3 城市公交車再生制動(dòng)策略改進(jìn)

3.1 典型制動(dòng)力分配策略分析對(duì)比

車輛機(jī)械制動(dòng)，是指汽車通過(guò)制動(dòng)踏板對(duì)制動(dòng)器施加的壓力，利用輪胎與地面之間摩擦力產(chǎn)生的熱能消耗掉汽車行駛動(dòng)能，已達(dá)到減小車速的目的。傳統(tǒng)公交車制動(dòng)系統(tǒng)多采用這種機(jī)械制動(dòng)方式。

3.1.1 最佳感覺策略

最佳感覺策略一直堅(jiān)持依據(jù)理想分配曲線完成前后軸制動(dòng)力的有效分配。如果制動(dòng)力正好按照理想曲線進(jìn)行分配時(shí)，汽車對(duì)應(yīng)的制動(dòng)效果和穩(wěn)定性最佳，讓車輛駕乘人員得到最佳的感受。

3.1.2 最優(yōu)能量回收串聯(lián)制動(dòng)

串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)大大改變汽車整車結(jié)構(gòu)，并增加了汽車改造的成本。但是串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)卻有個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，它可以對(duì)再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力分別進(jìn)行控制。

3.1.3 并聯(lián)策略

并聯(lián)策略與傳統(tǒng)摩擦控制系統(tǒng)相比，大致相同，區(qū)別僅僅體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)軸中加入了電機(jī)制動(dòng)力。并聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)是在前、后輪的制動(dòng)器上按一定比例分配制動(dòng)力，就是控制電機(jī)制動(dòng)力與目標(biāo)制動(dòng)力成一定比例。

3.1.4 幾種典型的策略比較

最佳感覺策略考慮到了地面附著系數(shù)的影響，能使回收能量達(dá)到最大化；其最大劣勢(shì)在于其需要對(duì)前后軸做即時(shí)控制，且把控困難，目前的階段仍無(wú)法大量應(yīng)用于實(shí)踐工作中。

最優(yōu)能量回收策略的優(yōu)勢(shì)在于其有較強(qiáng)的能量回收潛力，劣勢(shì)在于其制動(dòng)效果較差，地面附著條件無(wú)法充分利用。另外在控制上也非常困難，技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難。

并聯(lián)策略機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)兩者在結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行時(shí)的是互相不干擾的。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)無(wú)法運(yùn)行時(shí)，機(jī)械自動(dòng)仍可正常運(yùn)行，進(jìn)而確保了車輛出行安全。其的優(yōu)勢(shì)在于其制動(dòng)穩(wěn)定可靠，方便實(shí)現(xiàn)和控制，所以這個(gè)策略得到了廣泛的研究。它的劣勢(shì)在于亟需提升其能量回收能量。

根據(jù)上述分析得知，考慮實(shí)際公交車運(yùn)行成本，本文對(duì)并聯(lián)策略進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 分配策略的改進(jìn)

針對(duì)回收效率低缺陷，本文做以下兩個(gè)方面改進(jìn)：

（1）單軸的最優(yōu)能量回收策略。在原有的并聯(lián)策略中，進(jìn)行制動(dòng)時(shí)前后的機(jī)械制動(dòng)必須持續(xù)的利用一固定系數(shù)進(jìn)行分配。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在制動(dòng)強(qiáng)度大于0.1時(shí)，系統(tǒng)策略不變，根據(jù)分配的系數(shù)計(jì)算并得出前后軸所需的制動(dòng)力，對(duì)其前后輪進(jìn)行制動(dòng)力分配，并由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行反向制動(dòng)控制。如果制動(dòng)的強(qiáng)度大于0.75時(shí)，關(guān)閉電機(jī)的制動(dòng)，只單一的進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)。

（2）在所需制動(dòng)力較小的情況下由電動(dòng)機(jī)單向控制制動(dòng)。在城市道路環(huán)境中，大部分的制動(dòng)力屬于低強(qiáng)度。如果在低制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，因?yàn)闇?zhǔn)許制定力進(jìn)行約束，再生制動(dòng)系統(tǒng)則會(huì)選擇并聯(lián)策略，所以這就不能夠高效的利用電機(jī)制動(dòng)力。如果電機(jī)制動(dòng)力無(wú)法滿足其要求，則利用機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充。在制動(dòng)系統(tǒng)接收到制動(dòng)指令時(shí)，第一需要對(duì)車速和SOC進(jìn)行檢查，只有其符合電機(jī)制動(dòng)的需求時(shí)才會(huì)發(fā)出指令，否則將立即停止電機(jī)制動(dòng)。

4 結(jié)論

本文以再生制動(dòng)技術(shù)為理論基礎(chǔ)，探討并聯(lián)再生制動(dòng)策略改進(jìn)。新能源城市公交車將引領(lǐng)本世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要方向，擔(dān)負(fù)起未來(lái)城市公交車針對(duì)節(jié)能減排的需求。再生制動(dòng)技術(shù)是城市新能源公交車必要的技術(shù)應(yīng)用，它能進(jìn)一步提高能源利用效率，降低城市公交車運(yùn)營(yíng)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張金柱.混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)、原理與維修[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 陳清泉.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.