【关键词】：制动能量回收；电动卡车；制动技术
根据工况不同，电动卡车在行驶过程中，约有35%~80%的能量损耗在制动阶段。为了取得更好的经济效益，降低电动卡车行驶能量消耗，可将卡车制动能量进行回收利用。机械发条、飞轮、锂离子动力电池、超级电容等均为电动卡车制动能量回收的常见方式，在改善整车动力学控制性能、减少传统制动器磨损等方面具有重要意义，且成本低、安全性强，故本文对其进行深入探究。
1.再生制动系统结构及其原理
1.1再生制动系统基本结构
在电动卡车制动能效正常的情况下，再生制动系统可通过相应的转换装置，将部分能量转化为电能，并将其存储起来，再生制动系统的根本目标就是完成回收制动能量。在此过程中，能量储存装置为蓄电池，能量转换装置为电机，相关功率器件开关状态控制即电动卡车再生制动系统，可通过改变电机转矩大小、方向和转速，实现卡车驱动状态和制动状态的切换，并将转换所得到的电能回收到蓄电池中[1]。
1.2制动能量回收系统的基本原理
电动卡车制动能量回收是指将汽车制动时产生的一定机械能转换为其他能量，选用相应的装置进行储存并加以利用，其电路原理图详见图1。电机连接回馈电路形成的回馈制动即电机再生制动过程，可切实达成能量回收目标，除了用于电枢负载的电量消耗大部分回流均会回到蓄电池组。
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图1电机再生制动电路原理图
在电动卡车制动过程中，电机处于再生制动运动状态下，在保证制动稳定的同时，控制电机切断驱动电机转动电流，将高频开关电路接入电机电枢两端，从而使该电路高频通断。在高频通断时，电机属于电感性设备，因此会产生感应电动势E，公式如下：
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式中i为感生电流；t为时间变量；L为电机电感量。
由于电机处于回路中，因此当开关K闭合时，感应电流为制动电流Iz，公式如下：
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式中，Rw为限流电阻；Rd为电枢电阻
2.电机制动与机械制动的分配关系
电动卡车制动力主要由电机提供的能量回收制动力和传统制动系统提供的摩擦动力两部分组成，协调机械摩擦力和电机制动力之间的分配关系，是除了实现能量回收以外，电动卡车制动控制的基础前提[2]。长下坡缓行制动、正常制动、紧急制动是汽车制动过程中常见的三种类型。首先，卡车紧急制动时间非常短，因此在此过程中可回收的制动能量也比较少。其次，可将卡车正常制动分为停止过程和减速过程，停止过程中摩擦制动较多，减速过程具有较强的再生制动力，不仅能够回收较多的制动能量，并且还能将其转化成电能存储、利用。最后，卡车长下坡几率较小，且可由电机再生制动力，故回收能量情况较少[3]。
3.制动能量回收影响因素分析
3.1制动布置
电动卡车制动布置涉及机械制动分配、驱动轴再生制动、前后轴制动力分配等诸多方面，对于卡车控制策略具有重要影响。在电动卡车制动过程中，只有电机参与的驱动轮才能够进行制动，驱动轮合理分配制动力，才能充分保证能量回收效果。受再生制动潜能限制，前轴单轴比后轮制动动力分配更多，因此更适合采用前轮驱动。同时，为避免前后轴制动出现不稳定性，应在双轴驱动前后分别放置电机，从而保证前后制动轴制动力分配平均，进一步提升驱动性和能量回收率。四轮各配1个电机，在稳定性、驱动布置、轴荷分布、空间利用率、轻量化等方面优势显著，且能够进一步提升能量回收潜力和传递效率，简化能量传递过程，但簧下质量增加等问题仍然存在[4]。
不仅如此，为保证车辆制动安全和能量回收效率，避免电机制动转矩无法满足制动需求等问题发生，必要时可将再生制动和机械制动耦合。其中，协调式耦合和叠加式耦合使用最为广泛。协调式耦合有制动主缸提供压力源，机械制动压力由调压机进行分配，这种形式可使再生制动达到制动要求，能量回收率高。叠加式耦合根据制动强度，独立控制再生制动和机械制动，是基于X型机械运动的耦合方式。这种形式机械和电机制动互不影响，结构可靠性强、简单容易实现、调节参数少，但缺点是能量回收率低、制动感觉差。
3.2电机
电动卡车使用开关磁阻电机、永磁同步电机、感应电机和直流电机，永磁同步电机应用最为广泛。在再生制动过程中，电机特性具有重要影响，受电机外特性约束，再生制动不同电机转换效率、电机转速矩组合等，将会对能量回收效率和再生制动力造成直接影响。同时，为保护电池，再生制动要求储能装置切换迅速、功率高，当荷电状态较低或较高时，应立即停止能量回收[5]。
3.3能量传递系统
机械能传递系统为车轮—半轴—机械传动；电能传递系统为电机—电机控制器—逆变器；化学储能系统有充电装置和电池构成。能量转换效率、电池充放电效率、电能传递效率、机械传递效率等因素，均会对制动能量回收率造成直接影响。
3.4其他因素
制动载荷转移对于电动卡车能量回收率可起到重要影响。在空气阻力小、迎风面积小、滚动阻力小、整车质量大的情况下，电动卡车则能够保证能量回收潜力大、可回收能量高。
4.机电制动协调控制策略研究
4.1动态协调控制策略
对于制动过程中容易出现的突变因素，可通过动态协调控制策略对其进行干预，从而达到理想的能量回收率和较高的制动稳定性。主要包括ABS动态协调控制、制动能量回收等方面。ABS动态控制策略是指在高附路面有液压制动提供动力距，退出电制动；中附路面由电机提供基础动力距；低附路面则由液压制动提供制动力矩。该策略在坡道起步时能够保持较好的驾驶感觉，有效防止反转现象发生。
4.2稳态协调控制策略
该策略从制动器串联耦合、按照实际要求分配机电制动和轴制动力、机电制动力协调分配等方面着手，充分考虑到车速、电机功率限制、电池功率等因素影响。在保证车辆制动安全性的基础上，当制动强度小于界定值时，由前轮机械制动或再生制动完成；若大于界定值时，则由前、后轮机械制动配合再生制动共同完成[6]。
4.3电池保护
根据现阶段技术水平，电池很难找到替代品，具有价格高、回收难、寿命短等特点。因此应从调整制动电流、控制机电复合制动等方面着手，进一步延长蓄电池使用寿命，充分保证其热安全性能。
5.结束语
综上所述，电动卡车制动技术和制动能量回收系统都取得了较快发展，在制动稳定性、能量回收率方面具有充分保证，一般可达到90%以上。风阻优化、提高电机效率、改善低车速能量和电池回收特性等均为有效的电动卡车能量回收控制策略，在降低车辆行驶耗能方面具有积极作用。
参考文献：
[1]宋百玲,周学升,李佳, 等.纯电动轻型卡车再生制动系统的仿真与控制策略[J].汽车安全与节能学报,2015,(1):85-89.
[2]李海龙.某电动轻卡车真空助力制动系统的匹配设计[J].汽车实用技术,2015,(9):16-18,105.
[3]贾军,赵鹏飞,金鑫.卡车动态制动接触器反馈信号监测技术改造[J].露天采矿技术,2019,34(4):71-73,77.
[4]李岫峰,罗鑫.电动轮卡车制动系统抱死故障研究[J].山东工业技术,2015,(22):253-254..
[5]杨洪,蒋丽萍,刘梦, 等.纯电动皮卡车整车控制器设计[J].科技与创新,2019,(9):114-115.
[6]袁敏,曹凤红,郑才国, 等.纯电动矿用卡车车架拓扑优化设计[J].煤矿机械,2017,38(9):75-77.
论文作者:蒋国涛
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/29
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