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城市公交车再生制动技术研究

金彪
摘 要：目前交通工具已经逐步向低能耗、低排放、新能源的混合动力或者纯电动汽车方向发展。在电动汽车方面，再生制动是可以实现汽车降低能耗的重要技术。而在混合动力汽车方面，再生制动是能够有效降低混合动力汽车燃油消耗，延长行驶距离的技术。本文基于城市公交车中的再生制动技术为研究主体，分析其制动原理和对比制动策略。同时针对并联制动策略中的不足，主要在单电机制动控制和能量回收方面优化改进其动力分配，经过验证能有效加强再生制动效率，提高公交车行驶稳定性。
关键词：城市公交车；再生制动；动力分配
引言
随着国家政策支持下，混合动力公交车的产生是作为逐步向新能源汽车转换的过渡新车型，已经开始在许多城市推广和使用。传统公交车在刹车时，车辆运动过程中所产生的动能和势能均以摩擦发热的形式完全浪费掉，造成极大的浪费。另外因为长时间反复制动，制动装置也会产生热衰退的情况，对制动效能产生消极影响。公交车在城市道路行驶，由于人流大、车流大等原因制动将非常频繁，将会产生很高的能量消耗，在整车的有效总能中将占据一定的比例。基于上述的考虑使得本文具有十分现实的研究意义，未来对制动再生技术的优化也将成为城市公交车一大发展趋势。
2 城市公交车再生制动技术概述
2.1 再生制动技术原理及回馈方式
再生制动指的是在车辆发生刹车、下坡滑行或者超低速行驶过程中，借用其与驱动轮之间关联完成能量转换，使得车辆已有的部分能量可以转化并存储为其它的能量。当车辆再次启动行驶或加速前进时，可将已存储的能量释放并在行驶过程中再次利用。同时还可以由部分制动力矩实现整车的制动目的。
目前城市公交車再生制动主要有三种方式，分为飞轮式、电储式、液压式。三种储能系统在具体工作时都会有其利弊。
（1）飞轮储存是机械之间完成的转换，能量转换效率较高，同时组织结构简单，功率密度较高，但由于它储存时间非常短，安全性非常低，使得对使用环境有较高的要求，只有真空环境才可以，在技术方面考虑实现困难。目前常规能源公交车都是以发动机作为核心、飞轮作为传递动能的配置，飞轮储能把能量储存在飞轮箱中，当车辆加速或者启动时帮助发动机驱动飞轮传递力矩，由于都是由飞轮输出力矩，所以传递效率高、损耗小。
（2）液压储存的方式特点是可储存时间长，结构较为紧凑，技术方面实现较为简单，但它的零部件利用时必须实现绝对密封，使用成本较高。它主要是把汽车制动产生的能量以液压的方式进行存储，当汽车加速或者启动时，再把液压能转换为动能或者用于其他形式的液压能。
（3）电储方式在结构上非常简单，设置方式灵活易把控，运行稳定可靠，能量回收效率相对高一些，但它的能量转换非常复杂，损耗太大，功率密度相对较低，生产维护成本相应比较高。在信息技术飞速发展的趋势下，驱动电机技术和储能技术等相关技术性课题目前已全部研究实现，今后会在新能源公交车应用中逐步展现出优势。
2.2 再生制动的影响因素及其关键技术
新型城市公交车再生制动系统非常的复杂，其相关的再生制动能量回收就会有许多相关制约因素。
（1）驱动类型。对于新能源汽车来说，现实应用中并不是所有机械运动或者能量都能够实现储存再利用，前提是在驱动轴关联驱动轮，才可以选择以某种形式存储能量。当车辆发生制动迁移时，其受制于车辆稳定性的约束，一般情况后驱汽车制动将较低于前驱汽车的回收能量，同时四驱汽车制动也会相比较二轮驱动强很多。
（2）制动安全稳定性要求。如若车辆所需的制动力非常大的话，而且远大于它所能够提供的制动力，这时制动控制装置将必须立即开启机械摩擦的控制系统，让其强制性的制动并确保行驶的安全性。
（3）电动机类型。再生制动相对于电动机来说，在力矩特点和调速范围方面都会有更严格的要求，工作运行可靠持续，能够适于各种复杂环境。和感应电机相比，永磁无刷电机体积小、效率高、运行噪音较小，在电动汽车行业具有明显的应用优势。
（4）电池状态SOC值。在充电电流太大或者有容量超负荷的情况下，储能系统就无法进行能量的回收利用。超级电容器对比电化学电池有着非常明显的优点，原因是它的功率远超过电化学电池，允许瞬间产生的大功率进行充放电工作。
3 城市公交车再生制动策略改进
3.1 典型制动力分配策略分析对比
车辆机械制动，是指汽车通过制动踏板对制动器施加的压力，利用轮胎与地面之间摩擦力产生的热能消耗掉汽车行驶动能，已达到减小车速的目的。传统公交车制动系统多采用这种机械制动方式。
3.1.1 最佳感觉策略
最佳感觉策略一直坚持依据理想分配曲线完成前后轴制动力的有效分配。如果制动力正好按照理想曲线进行分配时，汽车对应的制动效果和稳定性最佳，让车辆驾乘人员得到最佳的感受。
3.1.2 最优能量回收串联制动
串联式制动系统将会大大改变汽车整车结构，并增加了汽车改造的成本。但是串联式制动系统却有个很大的优点，它可以对再生制动力和机械制动力分别进行控制。
3.1.3 并联策略
并联策略与传统摩擦控制系统相比，大致相同，区别仅仅体现在驱动轴中加入了电机制动力。并联式制动系统是在前、后轮的制动器上按一定比例分配制动力，就是控制电机制动力与目标制动力成一定比例。
3.1.4 几种典型的策略比较
最佳感觉策略考虑到了地面附着系数的影响，能使回收能量达到最大化；其最大劣势在于其需要对前后轴做即时控制，且把控困难，目前的阶段仍无法大量应用于实践工作中。
最优能量回收策略的优势在于其有较强的能量回收潜力，劣势在于其制动效果较差，地面附着条件无法充分利用。另外在控制上也非常困难，技术实现困难。
并联策略机械制动与电机制动两者在结构及其运行时的是互相不干扰的。当电机制动无法运行时，机械自动仍可正常运行，进而确保了车辆出行安全。其的优势在于其制动稳定可靠，方便实现和控制，所以这个策略得到了广泛的研究。它的劣势在于亟需提升其能量回收能量。
根据上述分析得知，考虑实际公交车运行成本，本文对并联策略进行改进。
3.2 分配策略的改进
针对回收效率低缺陷，本文做以下两个方面改进：
（1）单轴的最优能量回收策略。在原有的并联策略中，进行制动时前后的机械制动必须持续的利用一固定系数进行分配。针对这个问题，在制动强度大于0.1时，系统策略不变，根据分配的系数计算并得出前后轴所需的制动力，对其前后轮进行制动力分配，并由电动机进行反向制动控制。如果制动的强度大于0.75时，关闭电机的制动，只单一的进行机械制动
（2）在所需制动力较小的情况下由电动机单向控制制动。在城市道路环境中，大部分的制动力属于低强度。如果在低制动强度时，因为准许制定力进行约束，再生制动系统则会选择并联策略，所以这就不能够高效的利用电机制动力。如果电机制动力无法满足其要求，则利用机械制动补充。在制动系统接收到制动指令时，第一需要对车速和SOC进行检查，只有其符合电机制动的需求时才会发出指令，否则将立即停止电机制动。
4 结论
本文以再生制动技术为理论基础，探讨并联再生制动策略改进。新能源城市公交车将引领本世纪可持续发展的主要方向，担负起未来城市公交车针对节能减排的需求。再生制动技术是城市新能源公交车必要的技术应用，它能进一步提高能源利用效率，降低城市公交车运营成本。
参考文献：
[1] 张金柱.混合动力汽车结构、原理与维修[M].北京：化学工业出版社，2008.
[2] 陈清泉.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2012.
科学与财富2018年10期
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