电子机械制动系统中制动能量回收的分析

    引言

　　车辆在制动过程中尤其是在城市道路行驶中大约有一半以上的能量以制动产生热能的形式损耗，因此对具有制动能量回收装置的车辆进行研究很有意义。如果能将这部分能量尽可能地回收，将大大减少车辆的能源消耗，减少有害物质的排放，保护环境。随着人们对环保和车辆控制要求的提高，线控技术（crnwlby-wire)在车辆上的应用越来越多。其中电子机械制动（elecsornechanicalbrakesystenEMB)作为一种完全不依赖于传统液压气动过程的制动方式，越来越多地成为制动能量回收研究的重点。在电动车辆中制动能量先通过蓄电池储存，然后在起动过程中释放。这个过程中能量传输的路线长、损耗大、利用率低，加之目前实际应用中的蓄电池不能迅速将制动过程中发电机的电能储存，因此效果并不理想。超级电容虽然储存速度快但难以大规模存储13。本文中阐述的回收方式不存在能量的大规模存储，回收过程迅速，蓄电池不再是主要的能量回收单元，使得能量的回收功率和利用效率得到很大提高。

　　1传统能量回收方式

　　目前车辆制动能量回收装置主要有飞轮储能装置、液压储能装置和蓄电池储能装置3种|7-'飞轮储能是一种机械储能方式，系统在运行过程中飞轮也高速运转存储旋转动能，在适当的时候释放保证系统整体运转的平稳性。车辆制动时制动系统带动飞轮加速运转将车辆本身的动能转换为飞轮的旋转动能，在重新加速或起动时飞轮减速释放能量，但这种方式技术难度大、节油效果并不明显。液压储能器是动能和液压能转换的装置，在制动过程中车辆动能使液压泵运行，在储能器中建立高压，而后车辆起动或加速时高压油驱动液压马达工作，将储能器中的液压能转换为车辆运行的动能，该方式也存在系统结构复杂的问题。蓄电池储能目前较多地用于电动或混合动力汽车中，通过具有可逆作用的发电机电动机实现动能和电能的转换，制动时发电机将产生的电能储存在蓄电池中，车辆起动或加速时蓄电池中的电能通过电动机释放，驱动车辆运行。

　　随着人们环保意识的增强，清洁环保的电能被越来越多的人接受，蓄电池储能应用更加广泛，但蓄电池充放电功率小、效率低阻碍了其推广应用。

　　2EVffi与能量回收结合的分析

　　现有的几种能量回收装置都存在一些限制其发展的因素，这几种能量回收方式的共同特点是：能量回收与制动过程相互独立。EMB系统是纯电子制动系统，其工作动力完全来自电能。独立的EMB系统会根据驾驶员的制动意图和车辆的制动状况计算出所需要的制动力矩，实时调节制动钳夹紧力，EMB电机驱动执行机构对制动盘施加合适的载荷实现车辆制动[

　　2.1结构描述

　　考虑到制动能量回收主要是电能形式，将EMB系统与能量回收相结合。其主要结构原理如图1所示，将车辆制动过程中的动能通过发电机转换为电能后不再主要送往蓄电池储存而是直接输送至EMB中制动执行电机。发电机直接与车轮连接，制动过程中车轮带动发电机发电，电能输送到EMB执行电机，直接驱动制动执行机构工作。为保证EMB执行电机有充足的能量供应，将其与蓄电池相连，必要时蓄电池作为能量补充。由于发电机输出状态直接反映车轮的运动状态，因此可根据回收电流或电压的变化判断车辆运行状态，简化了系统控制过程中许多算法。能量流动路径缩短，过程损失大幅度减小，提高了能源利用率。

　　在制动过程中制动能量并不一定要储存在蓄电池中，发电机输出电能主要根据驾驶员的制动意图供给EMB机构执行制动，若发电机发出的电能超出了EMB系统需要，可将多余部分转移到蓄电池中。制动过程中发电机输出电能直接作用于EMB系统不存在充放电功率的问题。整个工作过程可视为一个闭环过程，除ECU外没有外界干扰。

　　2.2效率及功率分析

　　传统车辆能量回收过程如图2所示。蓄电池在能量回收过程中存在功率小的问题，超级电容回收功率大但难以大规模存储制动能量，蓄电池通过改变内部结构可以大规模存储能量，但是充放电功率仍然不能满足实际回收需要，车辆制动尤其是车况复杂的城市车辆制动过程频繁迅速，蓄电池短时间内难以有效回收制动能量。

　　EMB制动系统的能量直接源于制动过程中的发电机，目前发电机效率约为90%ECU所需能源由外界恒定电源提供，本身可视为不消耗能量，系统能量消耗主要是EMB电机和执行机构的机械损耗。因此整个制动过程的效率理论上可达到70%以上，剩余能量可在蓄电池中储存被再次利用，理论上其效率远高于通过蓄电池直接回收能量的效率。EMB执行电机在制动过程中处于完全耗能状态，发电机输出电能经分配后在电动机上可及时实现向机械能的转换而实施制动。这个过程动能实时转换不存在静态的能量存储，蓄电池的回收效率和功率对整个系统不再起决定性的作用。因此整个过程在效率和功率上都高于直接使用蓄电池的回收过程。

　　2回收过程的控制策略

　　将整个系统划分为制动能量转换阶段、能量分配阶段和制动执行阶段，分别对各个阶段进行分析。制动能量转换阶段主要是发电机将机械能转换为电能的过程，在电动汽车上驱动电机可以取代发电机使得结构进一步简化；能量分配阶段是控制模块对能流向进行控制的过程.根据驾驶员制动意图和车辆行驶状况合理分配电能流向，决定蓄电池的工作状态;制动执行阶段是EMB系统作动过程。

　　3.1发电机模型

　　直流发电机的工作原理是把电枢线圈中感应的交变电动势靠换向器的作用，从电刷端引出时变为直流电动势，根据电磁感应定律，电刷两端就产生感应电动势[1()]。以国产某型号直流电机参数作为参考，结合发电机的电压平衡方程和力矩平衡方程，得出某型号发电机输出电压与转速的关系见图3

　　由图4可见，其响应时间不到0.02S根据国标规定，要求驾驶员从踩住制动踏板到建立制动压力时间不得超过0.4，s该过程明显比国标中规定的初始建压时间短。

　　电动车辆驱动电机功率大、运行稳定、效率高，采用该策略实现制动，可以简化结构，得到更大的输出电压，解决长时间供电问题。XDL120型牵引电机可以作为电动发电两用机，其基本参数和机械特性如表1和图5所示。

　　车载电源电压一般为12V由图3中可以看出在转速降低的大部分过程中，电机输出电压高于12V其约占整个发电过程的95%。EMB执行电机一般需要42V电源，从制动开始减速到初速度的41.2%范围内可以为EMB执行电机提供电源，过压部分通过蓄电池接收。车速降低至不能满足制动执行电机要求时蓄电池开始补充放电。

　　发电机传递函数简化为

　　Js+B)(R+L)T(R+L)

　　KtKol

　　式中：J为转动惯量；B为阻尼系数；R为电阻；L为电感；Tr为负载转矩；K为时间常数;为初速度。

　　将上述某型号直流电动机作为发电机驱动运行，在给定恒定输入转速600rd/条件下可得到其时域响应曲线，如图4所示。

　　30

　　3.2电子控制单元的处理

　　电子控制单元（ECU)根据驾驶员制动意图和车辆轮速确定分配给EMB执行电机的电压电流大小，使EMB执行机构能发出恰当的制动力，这可视为一个按比例分配电动势的过程。制动过程中制动力是否满足驾驶员的制动要求，车辆在制动过程中是否迅速、平稳，都取决于制动过程中电能的分配是否合理，理想情况下电能的分配应满足如下原则：车辆在正常运行状态下车速较高，此时开始制动，发电机输出电动势应该完全满足制动力要求，过大的电压加到EMB执行电机上反而会造成制动力过大，此时发电机电压在经过处理器分析计算后被合理地分为两部分，一部分送往EMB执行电机对车辆实现制动，另一部分用来对蓄电池充电，最大限度回收能量，该过程一直持续到输出电动势等于制动所需电压时刻;随着车速降低，发电机输出电动势降低，低于制动所需的电压而不能满足制动力的要求时，蓄!!h4m某发电机1的时域响应EleefreniePubl电池进入供电状态以补偿电压不足，从而满足制动力要求。

　　控制系统原理如图6所示，图中《为电能分配系数。在常规制动过程中，发电机与蓄电池的工作状态如图7所示，其中U0为发电机输出电动势，U为制动所需电压，为车辆制动时的初速度，v为车辆制动过程速度，水平实线为制动过程中EMB丸行电机所需电压U，A区为蓄电池充电区域，B区为蓄电池供电区域。由图7可见，蓄电池的工作状态取决于U1和U0的变化（虚线为不同制动时所需电压U)蓄电池充电与供电状态转换时的速度v()是^与u>相等时的速度，此时在控制系统作用下，蓄电池充电过程结束，供电过程开始。

　　3.3EMB模型

　　EMB摸型包括执行电机和制动执行机构两部分。执行电机输出的转矩通过减速增力机构推动制动块作用于制动盘上，制动力的大小取决于执行电机输出转矩的大小。执行电机的数学模型可表示为["-121

　　(UsLI+Ko^+RI

　　IXf&I⑵

　　式中：u为电机输入电压；L为线圈电感系数；I为电枢电流；K为电磁常数；corn为转子转速；R为电枢阻值；Tn为电机转矩；k为电机机械常数。

　　34完整制动过程分析

　　稳定的时刻在0.08左右，输出转矩上升到稳定值的90%时间不超过0.05?

　　制动执行机构可视为一个减速增转矩装置。EMB制动执行部分可看作一个二f的传递函数为

　　K

　　(3)

　　rns+cs]~k

　　制动块与制动盘之间靠摩擦力产生制动力矩，传递函数为

　　K

　　(4)

　　0.2牛1

　　式中：n为EMB丸行器的惯性系数；为EMB执行器的阻尼系数；k为EMB执行器的刚性常数；K为作用于前后轴上的动载荷。

　　整个EMB系统在14kN制动指令下的阶跃响应如图9所示[141,稳定时间在0.2左右，响应时间比较短，而且不存在明显的超调现象。同时与执行电机的响应时间相比可以看出，EMB制动时间响应主要是在执行机构上。

　　将从发电机至制动执行器之间所有部件连接后进行模拟分析，得到整个模型的工作状况，这其中忽

　　构，控制部分视为电压按恒定比例分配过程。因此整个系统的模型只能模拟在发电机驱动下的工作状态，不能引入蓄电池供电状态，制动执行机构视为一减速增转矩过程的二阶振荡环节。执行机构借鉴文献[14]中的描述。参考国标《GB12676-1999汽车制动系统结构、性能和试验方法》的规定:装有全部或部分以驾驶员体力之外的其他能源装置为动力的行车制动系统的车辆必须满足:在0.28内急踩制动时，从开始促动控制装置到最不利的车轴上的制动力达到规定的相应制动性能时所经历的时间不得超过0.6S在制动力恒定的常规制动过程中，根据以上分析对系统进行性能仿真，结果如图10所示：在制动开始后的0.5内，系统输出制动力已经接近稳定值，符合国标要求。

　　4结论

　　(1)发电机直接供能给EB系统，能够解决现在能量回收效率低、功率小和难以大规模回收的问题。通过对各部分模型的分析表明，制动效果满足国标要求。

　　(2)解决目前制约EMB推广的电源问题。发电机输出电压可通过设置其自身参数适当改变，解决目前车载电源不能满足EMB推广的问题。在电动车辆中采取该制动策略能更好地将制动能量转换为电能，进一步提高效率。

　　本文中所描述的系统结构复杂，目前仅仅是理论分析，分析过程忽略了一些次要条件;控制方式只针对关键部分的数学模型，有些经验值取自现有的液压制动方式。今后应完善具体数据的处理，通过确切的数学分析和试验进一步验证其可行性。随着人们环保意识的增强，绿色清洁、节能高效的新能源利用技术存在很大的发展空间。