CN109683047A

CN109683047A - 电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN109683047A
Application number: CN201910088773.2A
Authority: CN
Inventors: 周凯; 艾民; 耿新; 吴晓刚; 刘金凤; 金宁治
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-04-26

Abstract

电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置及测试方法。传统汽车制动是将车辆动能转为制动钳与制动盘的摩擦及轮胎与地面摩擦，最终以热能的形式消耗掉，降低了机械制动器的寿命。本发明组成包括：触摸屏（1），触摸屏通过以太网与可编程逻辑控制器（2）连接，PLC通过导线分别与4个转矩传感器（16）、4个磁粉离合器（15）连接，转矩传感器通过联轴器依次连接链条A（4）、储能飞轮（3）、链条B（5）的一端，链条B另一端通过连接轴与动力电机（7）连接，动力电机与动力电机控制器（6）连接，动力电机控制器通过CAN总线与分别与通信转换器（17）、电池组（10）、主电机控制器（11）连接。本发明用于电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置。

Description

电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置及测试方法

技术领域：

本发明涉及一种电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置及测试方法。

背景技术：

制动能量回馈技术是针对电动汽车的一种有效节能方式，传统汽车的制动，是将车辆的动能转变为制动钳与制动盘的摩擦以及轮胎与地面间的摩擦，最终以热能的形式消耗掉，降低了机械制动器的寿命。而制动能量回馈是电动汽车的一种特定制动方式，在制动或减速过程中将汽车的部分动能经过能量回馈系统转变为电能并存储起来，在汽车起步加速时再把储存的能量释放出来，形成驱动汽车行驶的动力，这种方式一方面将车辆的动能转化成电能回收再利用，节约了能源，而不像机械摩擦制动那样将车辆的动能变为热能浪费掉，另一方面减轻了机械摩擦制动的磨损，增加了机械制动器的寿命。

随着电动汽车的发展，制动能量回馈系统己逐渐成为这类汽车的常规配置，由于汽车行驶工况复杂，制动能量回馈系统需具备应对复杂工况的能力，因而对该系统的性能测试显得尤为重要，采取路试的方法虽然能获取最真实的数据，但需对原车系统进行必要的改装，测试准备时间长、测试费用较高，车辆进行高速测试还存在较大的风险，而且轮胎与路面间的附着系数不可更改，难以实现不同路况的测试，制动距离不易测量，本申请通过模拟测试装置对汽车制动能量回馈系统进行验证与改进，可缩短系统研发周期，降低研发成本。

发明内容：

本发明的目的是提供一种电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置及测试方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，其组成包括：触摸屏，其特征是：所述的触摸屏通过以太网与可编程逻辑控制器连接，所述的可编程逻辑控制器通过导线分别与4个转矩传感器、4个磁粉离合器连接，所述的转矩传感器通过联轴器依次连接链条A、储能飞轮、链条B的一端，所述的链条B另一端通过连接轴与动力电机连接，所述的动力电机与动力电机控制器连接，所述的动力电机控制器通过CAN总线与分别与通信转换器、电池组、主电机控制器连接，所述的通信转换器通过RS232串口与所述的触摸屏连接。

所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，所述的电池组通过导线与所述的主电机控制器连接，所述的主电机控制器与主电机连接，所述的主电机侧面安装有变速箱，所述的变速箱通过传动轴与制动盘连接，所述的制动盘通过联轴器与所述的磁粉离合器连接。

所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，所述的制动盘通过制动油管与电子稳定程序系统连接并通过导线将轮速信号传输给电子稳定程序系统，所述的电子稳定程序系统通过制动油管与制动总成连接，所述的制动总成包括制动踏板、制动主缸、真空助力器、储油罐。

一种电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置及测试方法，该方法包括如下步骤：（1）机械结构组成：模拟测试系统由4个结构相同的储能飞轮的传动装置通过链条A、链条B、传动轴组合而成，由两台动力电机提供动力，动力电机控制器的电能来自公共电网，所有机械部件由联轴器连接在一起；

（2）数据采集与控制系统：数据采集与控制系统采用触摸屏，触摸屏支持以太网通信和RS232通信方式，触摸屏与可编程逻辑控制器PLC之间通过以太网通信，PLC可调节磁粉离合器励磁电流、可检测转矩传感器输出的转矩与转速信号，触摸屏与主电机控制器、动力电机控制器、电池组之间采取CAN通信方式，通过RS232/CAN通信转换器将RS232通信转变为CAN通信，实现两台动力电机的启停、转速的设定及转速的同步，主电机启停、参数的设定与状态监测，电池组能量的计算与过充保护；

（3）模拟测试系统的操作步骤：汽车制动踏板首先处于松开状态，调整磁粉离合器励磁电流，即设定路面种类，控制两台动力电机带动储能飞轮旋转，当储能飞轮转速达到规定值时，由实验人员踩下制动踏板，制动器开始工作，电子稳定程序系统ESP通过控制电磁阀的通断来调整制动压力，同时主电机进入发电状态，主电机控制器根据不同控制策略将部分制动能量转化为电能存储于电池组中，在电池组能量充足的情况下，主电机也可做电动运行，此时4个储能飞轮由主电机带动旋转，两台动力电机可不工作，当飞轮达到一定转速时，踩下制动踏板，主电机将由电动模式切换至发电模式。

有益效果：

1.本发明是一种电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，该结构是利用四个储能飞轮在旋转时所具有的转动动能来等效实际被测车辆在此速度下的平动动能，从而实现对不同级别车辆的有效模拟。

本发明的结构特征可以对制动能量回馈系统进行独立测试，能够有效缩短试验周期，降低设备成本，省去了整车实验测试所带来的诸多问题。

本发明利用磁粉离合器来实现制动路况的有效模拟，轮胎与路面间的附着系数通过磁粉离合器主从动轴间的滑差实现。能够实现全路况模拟，包括单一路面、对开路面和对接路面，在对接路面试验中，摩擦系数可以在制动过程中任意修改。

本发明的模拟测试装置其动力可来自动力电机，电池组能量充足时，其动力也可来自主电机，在该装置上增加其它动力装置，可实现四驱型电动汽车或复合储能型电动汽车能量回馈系统的模拟。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，其组成包括：触摸屏1，其特征是：所述的触摸屏通过以太网与可编程逻辑控制器2连接，所述的可编程逻辑控制器通过导线分别与4个转矩传感器16、4个磁粉离合器15连接，所述的转矩传感器通过联轴器依次连接链条A4、储能飞轮3、链条B5的一端，所述的链条B另一端通过连接轴与动力电机7连接，所述的动力电机与动力电机控制器6连接，所述的动力电机控制器通过CAN总线与分别与通信转换器17、电池组10、主电机控制器11连接，所述的通信转换器通过RS232串口与所述的触摸屏连接。

实施例2：

根据实施例1所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，所述的电池组通过导线与所述的主电机控制器连接，所述的主电机控制器与主电机12连接，所述的主电机侧面安装有变速箱13，所述的变速箱通过传动轴与制动盘14连接，所述的制动盘通过联轴器与所述的磁粉离合器连接。

实施例3：

根据实施例1或2所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，所述的制动盘通过制动油管与电子稳定程序系统8连接并通过导线将轮速信号传输给电子稳定程序系统，所述的电子稳定程序系统通过制动油管与制动总成9连接，所述的制动总成包括制动踏板、制动主缸、真空助力器、储油罐。

实施例4：

一种利用实施例1-3所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置的测试方法，本方法是：

（1）机械结构组成：模拟测试系统由4个结构相同的储能飞轮的传动装置通过链条A、链条B、传动轴组合而成，由两台动力电机提供动力，动力电机控制器的电能来自公共电网，所有机械部件由联轴器连接在一起；

所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，在深入研究制动能量回馈技术的基础上，提出了一种适于多路况组合的电动汽车制动能量回馈模拟测试装置，该装置是基于储能飞轮惯量模拟的独立测试方法，利用四个储能飞轮在旋转时所具有的转动动能来等效实际被测车辆在此速度下的平动动能，利用磁粉离合器实现制动路况的动态模拟，轮胎与路面间的附着系数通过磁粉离合器主从动轴间的滑差实现，对磁粉离合器的控制由触摸屏发送附着系数数据，PLC控制磁粉离合器励磁电流，整个模拟测试装置不但能够实现单一附着系数路面、对开附着系数路面这两种常规路面的模拟，还能够动态模拟对接附着系数路面，能够在制动过程中改变轮胎与路面间的附着系数，进而实现对多路况环境下制动能量回馈系统的全面模拟测试；

具体实施方式为：

整体模拟测试系统由四个结构相同的飞轮传动装置通过同步链条、传动轴组合而成，由两台动力电机提供动力，动力电机控制器的电能来自公共电网；一个飞轮传动装置中飞轮的主要功能是用旋转产生的转动动能来模拟1/4实际车辆的平动动能；转矩传感器用来测量飞轮的转速(即车速)和各个车轮的制动转矩，它可以同时输出转速、转矩两种信号到PLC；在制动盘上还安装有磁电感应式轮速传感器，用来测量轮速，车辆制动时，车速与轮速并不能始终保持一致，因此需单独测量；磁粉离合器是整个系统路况模拟的核心部件，其传递的转矩与励磁电流成正比，主、从动轴之间的转矩关系可通过调整励磁电流来获得，通过控制磁粉离合器所传递转矩的大小就可以模拟出不同的路面摩擦系数。对四个磁粉离合器励磁电流进行独立调节，可以对单一路面、对开路面和对接路面情况下轮胎与路面间的摩擦系数进行模拟，进而实现对电动汽车多路况制动能量回馈的模拟；所有机械部件都由联轴器连接在一起；

对于不同级别的电动汽车，其满载时的重量大约在1300-2100 kg，因此，一个储能飞轮的转动惯量区间可设定在25-62 kg·m²的范围内，为满足不同级别电动车的模拟需要，本装置采用了一种利用飞轮组模拟汽车转动惯量的方法：将全部储能飞轮片分为两组，一组为转动惯量粗调组，另一组为转动惯量细调组，最终设计了三种不同转动惯量的飞轮，粗调组为：20 kg·m²，细调组为4 kg·m²和2 kg·m²，因此，一个飞轮传动装置中只需包含20kg·m²飞轮3片、4 kg·m²飞轮4片、2 kg·m²飞轮1片，所有飞轮直径相同，仅在厚度上有所差别，通过这些飞轮的不同组合即可模拟多种车辆的转动惯量。

对于模拟装置中的制动系统来说，制动系统给车轮提供的制动力与实际被测车辆相同，而轮胎与路面间的摩擦力则由磁粉离合器产生，此时磁粉离合器与飞轮之间的转矩传感器所测量的转矩值就是摩擦力力矩，摩擦力力矩的计算公式可表示为：

（1）

即：

（2）

所以，摩擦系数与励磁电流之间的关系可表示为：

（3）

（4）

式中：T为磁粉离合器传递的扭矩值；

T_b为车轮制动力矩；

I为车轮转动惯量；

ω'为车轮角减速度；

F_Z为车轮垂直载荷；

T₀为磁粉离合器额定扭矩值；

i₀为磁粉离合器额定励磁电流值；

i为磁粉离合器实际励磁电流值；

R为车轮滚动半径；

对于不同种类、级别的电动汽车，其动力总成结构也存在差异，包括前驱型、后驱型及四驱型，本装置主要对前驱型或后驱型电动汽车能量回馈装置进行模拟，但不限定于此二类车型，如在此装置结构基础上增加一套变速箱、主电机及主电机控制器，即可完成对双电机四驱型电动汽车制动能量回馈装置的模拟，对于装有超级电容系统的车辆，可将超级电容系统与电池组并联，进而模拟复合储能车辆的运行状态。

在电动汽车行驶过程中，制动情况可分为以下几种，不同制动情况可以采用以下不同的控制策略：

1. 紧急制动情况：在紧急制动情况下，电动汽车制动强度非常大，制动力需求较大且制动时间短，能量回馈电机提供的电制动力发挥到最大，不足以满足制动需求，此时机械制动力提供整车制动需求的不足部分。由于制动过程用时较短，即便电制动力发挥到最大程度，回馈的能量也有限，故紧急制动主要以机械制动为主。

下长坡制动情况：电动汽车在下长坡制动情况下，制动时间长，制动力需求较小，能量回馈电机提供的制动力足以满足驾驶员的制动强度需求。因此，尽可能的通过能量回馈电机产生的制动转矩为制动系统提供制动力。

常规制动情况：在常规制动情况下，制动强度一般，在此过程中，整车制动力包含了电制动力和机械制动力，电机发挥最大电制动力，不足部分由机械制动力提供。当电动汽车车速较低，电机产生的感应电动势较小，此时需由纯机械制动力提供整车制动力，直至电动汽车停车。

通过上述对电动汽车三种制动情况的分析可知：在下长坡制动与常规制动情况下，通过制动能量回馈系统可回馈的能量比较多，在紧急制动情况下，回馈的能量最少。

上述控制策略是在实现制动能量回馈最大化的同时，能够保证制动稳定性和制动安全性。在常规制动和下长坡制动条件下，优先电制动，并尽可能通过电制动实现减速或停车；在紧急制动情况下，以安全性为主，在前后制动轮不抱死的情况下，优先机械制动的同时，也可以利用电制动力。

车辆在单一路面、对开路面或对接路面进行制动时，ESP将处于不同的工作状态，ESP通过调节车轮的制动力，自动控制车轮上制动力矩的大小，因此ESP的工作状态将会对制动能量回馈系统产生影响，该模拟测试装置可产生ESP及制动能量回馈系统工作所需的多种外界条件，为制动能量回馈系统及其控制策略的优化提供保障。

Claims

1.一种电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，其组成包括：触摸屏，其特征是：所述的触摸屏通过以太网与可编程逻辑控制器连接，所述的可编程逻辑控制器通过导线分别与4个转矩传感器、4个磁粉离合器连接，所述的转矩传感器通过联轴器依次连接链条A、储能飞轮、链条B的一端，所述的链条B另一端通过连接轴与动力电机连接，所述的动力电机与动力电机控制器连接，所述的动力电机控制器通过CAN总线与分别与通信转换器、电池组、主电机控制器连接，所述的通信转换器通过RS232串口与所述的触摸屏连接。

2.根据权利要求1所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，其特征是：所述的电池组通过导线与所述的主电机控制器连接，所述的主电机控制器与主电机连接，所述的主电机侧面安装有变速箱，所述的变速箱通过传动轴与制动盘连接，所述的制动盘通过联轴器与所述的磁粉离合器连接。

3.根据权利要求2所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置，其特征是：所述的制动盘通过制动油管与电子稳定程序系统连接并通过导线将轮速信号传输给电子稳定程序系统，所述的电子稳定程序系统通过制动油管与制动总成连接，所述的制动总成包括制动踏板、制动主缸、真空助力器、储油罐。

4.一种利用权利要求1-3之一所述的电动汽车多路况制动能量回馈模拟测试装置的测试方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

（3）模拟测试系统的操作步骤：汽车制动踏板首先处于松开状态，调整磁粉离合器励磁电流，即设定路面种类，控制两台动力电机带动储能飞轮旋转，当储能飞轮转速达到规定值时，由实验人员踩下制动踏板，制动器开始工作，电子稳定程序系统ESP通过控制电磁阀的通断来调整制动压力，同时主电机进入发电状态，主电机控制器根据不同控制策略将部分制动能量转化为电能存储于电池组中。在电池组能量充足的情况下，主电机也可做电动运行，此时4个储能飞轮由主电机带动旋转，两台动力电机可不工作，当飞轮达到一定转速时，踩下制动踏板，主电机将由电动模式切换至发电模式。