CN110470485A - 一种模拟电动车再生制动系统的试验台及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟电动车再生制动系统的试验台及其试验方法，所述试验台包括机械硬件部分和电气部分，所述机械硬件部分包括：试验台台架；整车动能模拟装置；电子机械制动系统；传感器模块；负载加载装置；所述电气部分包括：数据监测采集系统；控制系统。所述试验方法包括：步骤1、对试验台进行参数标定设置，输入整车基本参数；步骤2、试验台再生制动工况的选择；步骤3、模拟制动前整车平稳行驶的工况；步骤4、启动再生制动系统；步骤5、对再生制动系统的数据进行分析处理。本发明结构简单，操作简便，能准确测量再生制动系统回收的能量，提供了一种电动车再生制动策略验证的手段，有效提高电动车再生制动系统开发效率、节约开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及电动车制动技术，具体而言，是一种模拟电动车再生制动系统的试验台及其试验方法。
背景技术
随着电动车的普及发展，人们环保意识的提高，对能源利用率提高的越发重视。电动车再生制动技术是一种使用在电动车上的制动技术，在制动工况将电动机转变为发电机运转，利用整车惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用，是一个能量回收的过程。
再生制动能量回收率在很大程度上取决于再生制动控制策略，因此对再生制动策略的研究极为重要。再生制动控制策略研究的有效手段是进行仿真与试验的对比验证。直接进行实车测试试验验证再生制动策略的成本较高，且存在安全隐患，开发周期长。因此，需要通过建立硬件在环试验台对再生制动控制策略进行验证，从而发现再生制动策略存在的不足，及时优化控制策略，对模拟实车实际情况的研究具有重要意义。另外，试验台成本、操作简单可靠、能量回收率测量精度高等对再生控制策略的研究也是极为重要。
发明内容
本发明的目的是解决上述背景技术中存在的技术问题，提供一种模拟电动车再生制动系统的试验台及其试验方法。该试验台具有结构简单，操作简单可靠，能准确测量系统再生制动能量回收率，能有效模拟整车再生制动工况，便于再生制动控制策略的验证。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：
一种模拟电动车再生制动系统的试验台，包括机械硬件部分和电气部分，
所述机械硬件部分包括：
试验台台架，包括由横杆和竖杆组成的支撑部、固定设在所述支撑部上的矩形桁架；
整车动能模拟装置，包括转动设置在所述矩形桁架上的飞轮机构、设置在所述矩形桁架一侧且与所述飞轮机构驱动连接的飞轮驱动装置；
电子机械制动系统，设置在所述矩形桁架的一侧且与所述飞轮机构制动连接；
传感器模块，用于测量飞轮驱动装置输出轴角位移和所述飞轮机构的速度和方向；
负载加载装置，设置在所述矩形桁架上且与所述飞轮机构的转轴相连接，用于对所述飞轮机构施加一定的反力矩；
所述电气部分包括：
数据监测采集系统，用于监测并采集所述传感器模块状态及所测量的数据；
控制系统，分别与整车动能模拟装置、电子机械制动系统、负载加载装置、数据监测采集系统信号连接，用于控制各部分运行并根据数据监测采集系统采集的数据获得再生制动过程中系统回收的能量。
进一步地，所述飞轮机构包括：
飞轮，中心设置有主横轴，一侧设置有齿圈，所述主横轴的两端通过轴承座转动设置在所述矩形桁架上；
所述飞轮驱动装置包括：
电动机，固定在所述矩形桁架一侧；
小皮带轮，固定设置在所述电动机的输出轴上；
大皮带轮，固定设置在所述主横轴一端；
传动带，传动设置在所述小皮带轮和大皮带轮之间。
进一步地，所述电子机械制动系统包括：
制动盘；通过中心孔固定设置在所述主横轴一端；
制动钳，固定设置在所述矩形桁架上且钳口通过制动垫块与所述制动盘相配合实现制动；
步进电机，固定设置在所述矩形桁架上；
两根连杆机构，分别与制动钳和步进电机的输出轴固定连接，所述两根连杆机构之间连接设置有弹簧。
进一步地，所述传感器模块包括：
速度传感器，固定设置在所述矩形桁架上且探头与齿圈的齿对齐；
编码器，与所述电动机尾部相连，测量所述电动机输出轴角位移。
进一步地，所述控制系统包括：
电脑，用于对数据监测采集系统采集到的信号进行处理，从而获得再生制动过程中系统回收的能量；
电池充电控制系统，用于控制再生制动过程中充电电路的电能输入到电动车的电池中，并防止充电过程中的过充电，过放电，过温度现象的发生；
电动机控制系统，用于控制在模拟汽车制动前平稳行驶工况下所述电动机转动，在汽车制动工况时停止对所述电动机供电驱动，使所述电动机在制动过程中起到发电机的作用；
步进电机控制系统，用于控制在汽车制动工况时，通过输入脉冲电信号到所述步进电机，从而控制所述所述步进电机输出力矩驱动制动钳对制动盘施加制动力；
负载加载装置控制系统，用于控制负载加载装置负载的输出，实时模拟汽车行驶过程中受到的阻力情况。
一种基于所述试验台的的试验方法，包括步骤：
步骤1、对试验台进行参数标定设置，输入整车基本参数；
步骤2、试验台再生制动工况的选择；
步骤3、模拟制动前整车平稳行驶的工况；
步骤4、启动再生制动系统；
步骤5、对再生制动系统的数据进行分析处理，获得再生制动过程中系统回收的测试结果。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤S11、在试验台输入某车型在制动前包括各种行驶工况和制动工况的速度-位移曲线和制动力-速度曲线的相关曲线数据；
步骤S12、根据所述曲线数据，通过飞轮驱动装置驱动飞轮机构，同时启动负载加载装置，使飞轮机构达到期望的转速，再通过电子机械制动系统施加制动力使飞轮机构减速至停止，重复各工况下的上述工作，标定出飞轮机构的质量和转动惯量，标定出试验台负载加载装置在各工况下的阻力矩，并保存到控制系统；
步骤S13、在控制系统输入试验车型的基本参数。
进一步地，步骤2中，所述工况包括：
恒制动力工况，通过控制所述电子机械制动系统的步进电机的脉冲频率对制动盘施加恒定的制动力；
恒功率制动工况，通过控制所述电子机械制动系统步进电机的脉冲频率对制动盘施加恒定功率的制动力；
紧急制动工况，通过控制所述电子机械制动系统步进电机的脉冲频率对制动盘施加制动力使飞轮机构减速至停止时，达到某车型对应车速制动时的等效制动距离。
进一步地，步骤3中，所述模拟制动前整车平稳行驶的工况具体包括：所述飞轮驱动装置驱动飞轮机构转动到某转速并维持一段时间，此时电子机械制动系统不工作。
进一步地，步骤4中，所述启动再生制动系统具体包括步骤：停止对飞轮驱动装置供电，输入脉冲电信号启动并控制所述电子机械制动系统的步进电机，从而使电子机械制动系统工作，使飞轮机构减速，直至飞轮机构的转速为零。
进一步地，所述步骤5具体包括步骤：对试验台试验过程采集的速度、角位移、电压以及电脑控制系统计算出再生制动系统回收能量数据进行分析处理，并输入再生制动控制策略的仿真曲线，进行试验验证对比，得到最后测试报告。
相比现有技术，本发明的有益效果包括：
本发明适用于电动车制动过程的能量回收研究，试验台成本低，操作简单可靠，能准确测量再生制动过程的能量回收率，能有效模拟整车再生制动工况，便于再生制动控制策略的验证，进而节约电动车再生制动系统的开发成本，缩短开发周期，提高开发效率。
附图说明
图1为模拟电动车再生制动系统试验台立体装配图。
图2为模拟电动车再生制动系统试验台前视图。
图3为模拟电动车再生制动系统试验台后视图。
图4为电子机械制动系统工作原理简图。
图5为模拟电动车再生制动试验台系统结构简图。
图6为模拟电动车再生制动试验台试验方法步骤流程。
图7为模拟电动车再生制动试验台具体试验方法。
图中所示：1-试验台台架；101-横杆；102-竖杆；103-矩形桁架；104-主横轴；2-整车动能模拟装置；201-飞轮；202-齿圈；3-电子机械制动系统；301-制动盘；302-制动钳；303-连杆机构；304-弹簧；305-制动垫块；306-步进电机；4-飞轮驱动装置；401-电动机；402-小皮带轮；403-传动带；404-大皮带轮；5-传感器模块；501-差分霍尔传感器；502-编码器；6-负载加载装置。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施事例所表示的范围。
如图1至图5所示，一种模拟电动车再生制动系统的试验台，包括机械硬件部分和电气部分。所述机械硬件部分包括试验台台架1、整车动能模拟装置2、电子机械制动系统3、负载加载装置6和传感器模块5。所述试验台台架1包括由横杆101和竖杆102组成的支撑部、固定设在所述支撑部上的矩形桁架103；所述整车动能模拟装置2包括飞轮驱动装置4、飞轮201和齿圈202。所述整车动能模拟装置2通过飞轮201与齿圈202的相连组成，并通过主横轴104相接横放在试验台中间。所述电子机械制动系统3包括制动盘301、制动钳302、连杆机构303、弹簧304、步进电机306，并布置于试验台的矩形桁架103的一长边上。所述制动盘301与主横轴104相连，并置于主横轴104末端。所述飞轮驱动装置4包括皮带传动机构、电动机401，并布置于矩形桁架103的另一长边上。所述皮带传动机构通过大皮带轮404与主横轴104进行相接，并通过小皮带轮402与电动机401输出轴进行相接。所述传感器模块5包括差分霍尔传感器501和编码器502，并分别布置于矩形桁架103的的另外两条短边上。所述差分霍尔传感器501探头与齿圈的齿对齐。所述编码器502与电动机401尾部相连。所述负载加载装置6与主横轴104相连并接于主横轴104的另一末端。所述电气部分包括控制系统和数据监测采集系统。所述控制系统包括电脑、电池充电控制系统、电动机控制系统、步进电机控制系统和负载加载装置控制系统。所述数据监测采集系统包括速度传感器信号监测采集模块、电动机角位移信号监测采集模块和电压信号监测采集模块。
在本实施例中，整车动能模拟装置2能模拟汽车制动前在平稳行驶工况下整车具有的动能。所述飞轮201是整车动能装置的储能单元，能存储飞轮201在转动过程中的动能。
在本实施例中，所述差分霍尔传感器501归类为速度传感器，不只是限于差分霍尔传感器501。齿圈202用做速度传感器的速度测量目标。
如图4所示，电子机械制动系统3的步进电机306的输出轴与连杆机构303相连，连杆机构间通过弹簧304相连接，连杆机构303的另一端与制动钳302相连接。试验台控制系统给步进电机306输入脉冲电信号，通过步进电机306拉动连杆机构303，在两侧连杆同侧转向时，并使弹簧304发生拉伸动作，并使制动钳内小杆推动制动垫305夹紧制动盘，使制动钳302对制动盘301施加制动力，从而让飞轮201减速，实现模拟整车因制动的减速过程。在完成制动过程后，弹簧304会在弹性的作用下自动回位。
在本实施例中，飞轮驱动装置4能通过电动机401带动小皮带轮402转动，从而通过传动带403来带动大皮带轮404转动，驱动整车动能模拟装置2的飞轮201转动，使飞轮201在转动过程中进行充能。
在本实施例中，皮带传动机构是一种具有一定传动比的带传动机构，在模拟汽车平稳行驶工况时的大小皮带轮对应的是从动轮和主动轮，对应的是大传动比。在制动工况时的大小皮带轮对应的是主动轮、从动轮，对应的是小传动比。
在本实施例中，当控制系统停止向电动机401供电时，电子机械制动系统3对制动盘301施加制动力，使飞轮齿圈减速，减速过程中，与飞轮201相接的大皮带轮404通过传动带403带动小皮带轮402转动，带动电动机401输出轴转动，当电动机401转频超过一定值时，电动机401输出反转力矩，切换成发电机模式，从而将部分动能转变为电能。
实际使用中，所述负载加载装置6可对主横轴104施加一定的反力矩，用于模拟汽车在平稳行驶过程中受到的空气阻力、摩擦力和传动系统中的动力损失等动力损失。
在本实施例中，所述控制系统的电脑用于对数据监测采集系统采集到的信号进行处理，从而得出再生制动过程中系统回收的能量。
在本实施例中，所述电池充电控制系统将在再生制动过程中发电机产生的电能通过充电电路输入到电动车的电池中，并防止充电过程中的过充电，过放电，过温度等现象的发生。
在本实施例中，所述电动机控制系统用于控制在模拟汽车制动前平稳行驶工况下电动机401转动，在汽车制动工况时停止对电动机401供电驱动，让它在制动过程中起到发电机的作用。
在本实施例中，所述步进电机控制系统用于控制在汽车制动工况时，通过输入脉冲电信号到步进电机306，从而控制步进电机306输出力矩驱动电子机械制动系统3对制动盘301施加制动力。
在本实施例中，负载加载装置控制系统用于控制负载加载装置6负载的输出，实时模拟汽车行驶过程中受到的阻力情况。
在本实施例中，传感器信号监测采集模块用于对各传感器工作是否正常的诊断，当传感器不能正常工作时，传感器信号模块会发出相应的报警信号到电脑控制端。当传感器正常工作时，差分霍尔传感器501采集飞轮201的速度信号，编码器502采集电动机401角位移信号，电压传感器采集充电电路中的电压信号，并输入到电脑进行计算处理。
如图6所示，一种模拟电动车再生制动系统的试验台试验方法，包括步骤：
步骤1、对试验台进行参数标定设置，输入整车基本参数；
步骤2、试验台再生制动工况的选择；
步骤3、模拟制动前整车平稳行驶的工况；
步骤4、启动再生制动系统；
步骤5、对再生制动系统的数据进行分析处理。
在本实施例中，步骤1中，具体包括步骤：
步骤S11、在试验台输入某车型在制动前各种行驶工况和制动工况的速度-位移曲线和制动力-速度曲线等各种相关曲线。
步骤S12、根据上述曲线，通过电动机401驱动飞轮齿圈，同时启动负载加载装置6，使飞轮达到期望的转速，再通过步进电机306控制电子机械制动系统3对制动盘301施加制动力，使飞轮齿圈减速至停止，重复各工况下的上述工作，标定出飞轮齿圈的质量和转动惯量，标定出试验台负载加载装置6在各工况下的阻力矩，并保存到电脑控制系统。
步骤S13、在电脑输入试验车型的基本参数。
在本实施例中，步骤2中，所述工况包括：
恒制动力工况，通过控制步进电机306的脉冲频率，对制动盘301施加恒定的制动力。
恒功率制动工况，通过控制步进电机306的脉冲频率对制动盘301施加恒定功率的制动力。
紧急制动工况，通过控制步进电机306的脉冲频率对制动盘301施加制动力使飞轮齿圈减速至停止时，达到某车型对应车速制动时的等效制动距离。
在本实施例中，步骤3具体包括：电动机401驱动飞轮齿圈转动到某转速并维持一段时间，此时步进电机306不工作。
在本实施例中，步骤4具体包括：停止对电动机401供电，输入脉冲电信号启动并控制步进电机306，从而使电子机械制动系统3工作，使飞轮齿圈减速，直至飞轮齿圈速度为零。
在本实施例中，步骤5具体包括：对试验台试验过程采集的速度、角位移、电压以及电脑控制系统计算出再生制动系统回收能量数据进行分析处理，并输入再生制动控制策略的仿真曲线，进行试验验证对比，最后测试报告。
在实际使用中，如图7所示，对试验台完成参数标定后，输入试验车型的基本参数，并把选择好的再生制动工况数据导入到控制系统中。通过控制系统给电动机401输入一定的电信号，驱动电动机401输出转动，并启动负载加载装置，通过带传动机构带动飞轮201旋转。飞轮201在转动的过程中充能，模拟整车制动前平稳行驶的工况。差分霍尔传感器501不断测量飞轮201的速度，并输出到数据检测采集系统。当测量到飞轮201的转速小于1220rpm时，所述电动机401继续工作，继续提高飞轮201的转速进行充能。当差分霍尔传感器501测量飞轮201转速达到1220rpm时，数据监测采集系统并把该信息反馈到控制系统，控制系统停止向电动机401供电。此时飞轮201在负载加载装置6下减速。当差分霍尔传感器501测量飞轮201转速小于1210rpm时，数据监测采集系统并把该信息反馈到控制系统，此时电动机401切换成发电机模式，同时对步进电机306输入脉冲电信号，驱动电子机械制动系统3对制动盘301施加制动力，使飞轮201减速。飞轮减速过程通过带传动机构带动发电机输出轴旋转，把飞轮201的部分动能转变为电能，发电机产生的电能通过充电电路给电池充电，完成模拟再生制动的过程，飞轮201另一部分的动能转化为电子机械制动系统3的热能损失掉。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他未背离的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种模拟电动车再生制动系统的试验台，包括机械硬件部分和电气部分，
所述机械硬件部分包括：
试验台台架(1)，包括由横杆(101)和竖杆(102)组成的支撑部、固定设在所述支撑部上的矩形桁架(103)；
整车动能模拟装置(2)，包括转动设置在所述矩形桁架(103)上的飞轮机构、设置在所述矩形桁架(103)一侧且与所述飞轮机构驱动连接的飞轮驱动装置(4)；
电子机械制动系统(3)，设置在所述矩形桁架(103)的一侧且与所述飞轮机构制动连接；
传感器模块(5)，用于测量飞轮驱动装置(4)输出轴角位移和所述飞轮机构的速度和方向；
负载加载装置(6)，设置在所述矩形桁架(103)上且与所述飞轮机构的转轴相连接，用于对所述飞轮机构施加一定的反力矩；
所述电气部分包括：
数据监测采集系统，用于监测并采集电压、所述传感器模块(5)状态及所测量的数据；
控制系统，分别与整车动能模拟装置(2)、电子机械制动系统(3)、负载加载装置(6)、数据监测采集系统信号连接，用于控制各部分运行并根据数据监测采集系统采集的数据获得再生制动过程中系统回收的能量。
2.根据权利要求1所述的模拟电动车再生制动系统的试验台，其特征在于，
所述飞轮机构包括：
飞轮(201)，中心设置有主横轴(104)，一侧设置有齿圈(202)，所述主横轴(104)的两端通过轴承座转动设置在所述矩形桁架(103)上；
所述飞轮驱动装置(4)包括：
电动机(401)，固定在所述矩形桁架(103)一侧；
小皮带轮(402)，固定设置在所述电动机(401)的输出轴上；
大皮带轮(404)，固定设置在所述主横轴(104)一端；
传动带(403)，传动设置在所述小皮带轮(402)和大皮带轮(404)之间。
3.根据权利要求2所述的模拟电动车再生制动系统的试验台，其特征在于，所述电子机械制动系统(3)包括：
制动盘(301)；通过中心孔固定设置在所述主横轴(104)一端；
制动钳(302)，固定设置在所述矩形桁架(103)上且钳口通过制动垫块(305)与所述制动盘(301)相配合实现制动；
步进电机(306)，固定设置在所述矩形桁架(103)上；
两根连杆机构(303)，分别与制动钳(302)和步进电机(306)的输出轴固定连接，所述两根连杆机构(303)之间连接设置有弹簧(304)。
4.根据权利要求2所述的模拟电动车再生制动系统的试验台，其特征在于，所述传感器模块(5)包括：
速度传感器，固定设置在所述矩形桁架(103)上且探头与齿圈的齿对齐；
编码器(502)，与所述电动机(401)尾部相连，用于测量所述电动机(401)输出轴角位移。
5.根据权利要求3所述的模拟电动车再生制动系统的试验台，其特征在于，所述控制系统包括：
电脑，用于对数据监测采集系统采集到的信号进行处理，从而获得再生制动过程中系统回收的能量；
电池充电控制系统，用于控制再生制动过程中充电电路的电能输入到电动车的电池中，并防止充电过程中的过充电，过放电，过温度现象的发生；
电动机控制系统，用于控制在模拟汽车制动前平稳行驶工况下所述电动机(401)转动，在汽车制动工况时停止对所述电动机(401)供电驱动，使所述电动机(401)在制动过程中起到发电机的作用；
步进电机控制系统，用于控制在汽车制动工况时，通过输入脉冲电信号到所述步进电机(306)，从而控制所述所述步进电机(306)输出力矩驱动制动钳(302)对制动盘(301)施加制动力；
负载加载装置控制系统，用于控制负载加载装置(6)负载的输出，实时模拟汽车行驶过程中受到的阻力情况。
6.一种基于权利要求1至5中任一项所述试验台的的试验方法，其特征在于，包括：
步骤1、对试验台进行参数标定设置，输入整车基本参数；
步骤2、试验台再生制动工况的选择；
步骤3、模拟制动前整车平稳行驶的工况；
步骤4、启动再生制动系统；
步骤5、对再生制动系统的数据进行分析处理，获得再生制动过程中系统回收的测试结果。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：
步骤S11、在试验台输入某车型在制动前包括各种行驶工况和制动工况的速度-位移曲线和制动力-速度曲线的相关曲线数据；
步骤S12、根据所述曲线数据，通过飞轮驱动装置(4)驱动飞轮机构，同时启动负载加载装置(6)，使飞轮机构达到期望的转速，再通过电子机械制动系统(3)施加制动力使飞轮机构减速至停止，重复各工况下的上述工作，标定出飞轮机构的质量和转动惯量，标定出试验台负载加载装置在各工况下的阻力矩，并保存到控制系统；
步骤S13、在控制系统输入试验车型的基本参数。
8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤2中，所述工况包括：
恒制动力工况，通过控制所述电子机械制动系统(3)的步进电机(306)的脉冲频率对制动盘(301)施加恒定的制动力；
恒功率制动工况，通过控制所述电子机械制动系统(3)步进电机(306)的脉冲频率对制动盘(301)施加恒定功率的制动力；
紧急制动工况，通过控制所述电子机械制动系统(3)步进电机(306)的脉冲频率对制动盘(301)施加制动力使飞轮机构减速至停止时，达到某车型对应车速制动时的等效制动距离。
9.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤3中，所述模拟制动前整车平稳行驶的工况具体包括：所述飞轮驱动装置(4)驱动飞轮机构转动到某转速并维持一段时间，此时电子机械制动系统(3)不工作。
10.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，步骤4中，所述启动再生制动系统具体包括步骤：停止对飞轮驱动装置(4)供电，输入脉冲电信号启动并控制所述电子机械制动系统(3)的步进电机(306)，从而使电子机械制动系统(3)工作，使飞轮机构减速，直至飞轮机构的转速为零。
11.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于：所述步骤5具体包括步骤：对试验台试验过程采集的速度、角位移、电压以及电脑控制系统计算出再生制动系统回收能量数据进行分析处理，并输入再生制动控制策略的仿真曲线，进行试验验证对比，得到最后测试报告。
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