（车辆工程专业论文）能量回收式电涡流缓速器设计研究.pdf

南京理工大学硕士学位论立 能量回收式电涡流缓速嚣醴计研究 摘要 安全、环保、节能、高速、舒适是现代汽车的发展方向，辅助制动器将会是汽车 必不可少的配置。电涡流缓速器作为辅助制动器的一种，其工作原理是将车辆制动时 的动能转化为热能在转子上散发掉。这势必带来能源的浪费，尤其是行驶在山区道路 经常要下长坡的载重货车和经常在交通复杂的城市道路上行驶的公共汽车，电涡流缓 速器频繁的工作将浪费大量能源，本文的研究将为解决电涡流缓速器能量浪费阿题带 来一个较为可行的方法。 基于上述考虑，本文重点研究了以下几方面内容。首先，在总结电涡流缓速器和 各种制动能量回收方式特点基础上，提出了能量回收式电涡流缓速器的方案，并分析 其工作原理、典型的工作模式以及控制等内容。其次，对能量回收式电涡流缓速器的 制动办矩进行了研究，给出其计算公式，并据此设计了最大制动力矩为1 5 0 0 n m 的能 量回收式电涡流缓速器的各项参数，在参考现有电涡流缓速器的基础上，设计出一种 较合理的结构。再其次，对能量回收式电涡流缓速器的转子进行有限元分析，分析时 同时考虑速度载荷和温度载荷的影响，得到结构应力和热应力的综合应力分布，并棱 核转子的强度。最后，对电涡流缓速器进行轻量化研究，得到一个较合理的轻量化方 案。 【关键词】电涡流缓速器能量回收制动力矩有限元法轻量化 第l 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速器设计研究 a b s t r a c t m o r es e c u r i t y ，l e s st h ep o l l u t i o no f t h ee n v i r o n m e n t ，e c o n o m i z eo ne n e r g y ，f a s ts p e e d a n dc o m f o r ta r et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h em o d e ma u t o m o b i l e ，a n dt h ea u x i l i a r y b r a k i n gd e v i c ew i l lb e c o m eak i n do f i n d i s p e n s a b l ys t a n d a r de q u i p m e n to f t h ev e h i c l e a s ak i n do f a u x i l i a r yb r a k i n gd e v i c e ，t h ee d d yc u r r e n tr e t a r d e r sw o r k i n g p r i n c i p l ei st oc h a n g t h ek i n e t i ce n e r g yo ft h ev e h i c l et 0t h eh e a te n e r g y t h i sp a r to fe n e r g yw i l lb ew a s t e d , e s p e c i a l l yf o rt h eh e a v yt r u c k sw o r k i n gi nt h em o u n t a i na r e a sa n dt h ec i t yb u s e sd r i v i n gi n t h ec o n g e s t e dr o a d s t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rw i l lb r i n gaf e a s i b l em e t h o dt os o l v et h e p r o b l e mo f e n e r g yw a s t eo nt h ee d d yc u r r e n tr e t a r d e r b a s e do nt h ea b o v ep o i n t ，t h ef o l l o w i n gp a r t sw i l lb er e s e a r c h e do nt h i sp a p e r f i r s t , t h ep a p e ri l l u s t r a t e sak i n do f e d d yc u r r e n tr e t a r d e rw h i c hc a l lr e a l i z ee n e r g yr e c o v e r y , t h e n i n t r o d u c ei t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc l a s s i cw o r k i n gm o d ea n dc o n t r 0 1 s e c o n d ，t h ef o r m u l a o fb r a k i n gt o r q u ei sd e d u c e db yt h ep a p e r , a n dt h em a i n l yp a r a m e t e r so ft h ee n e r g y r e c o v e r ye d d yc u r r e n tr e t a r d e rw h i c hh a st h em a x i m a lb r a k i n gt o r q u eo f1 5 0 0n ma r e g i v e r la tt h es a m et i m e ，ak i n do fs t r u c t u r eo fe d d yc u r r e n tr e t a r d e ri sd e s i g n e db yt h e r e f e r e n c eo fo t h e rc o n g e n e r i cm a c h i n e s t h i r d , t h es t r e s sa n a l y s i so fr o t o ri sp e r f o r m e db y u s i n gt h ea n s y s t h el o a do fv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ea r ec o n s i d e r e dt o g e t h e rw h e nt h e r o t o r ss t r e n g t hi sa n a i y z e d f i n a l l y ，t h el i g h t w e i g h to fe d d yc u r r e n tr e t a r d e ri sr e s e a r c h e d ， a n daf e a s i b l el i g h t w e i g h tm e t h o di sg i v e nb yt h ep a p e r k e yw o r d s 】e d d yc u r r e n tr e t a r d e r ；e n e r g yr e c o v e r y ；b r a k et o r q u e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； l i g h t w e i g h t 第页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：叠；丝扣守6 年钼7 咽 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：皇圣丝扣， 1 3 m 按客车和i o i n 车长s 1 2 m 双层客车) 超一级、高级；大型城市客车( 1 0 r e 车长 1 2 m ) 超二级、超一级、高级都必须安装 缓速器。这也给缓速器的发展带来了机遇和挑战。同时，目前我国能源的状况非常严 第l 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速器设计研究 唆，预计未来2 0 年我国石油需求量将年均递增1 2 ，到2 0 2 0 年石油消费量最少也在 4 5 亿吨以上，届时石油的对外依存度很可能接近6 0 。可以预见节能问题将越来越 受到重视，节能产品将会占有很大的市场。由此可见，研究能量回收式电涡流缓速器， 不论对于汽车的舒适性，还是对于节能和经济效益都将会有很大的意义 1 2 研究现状 目前国内外市场上尚没有成熟的同类型产品，也未检索到研究类似课题发表相关 的文章。但是对于电涡流缓速器和制动能量回收的研究都已经取得了一定的成果，并 已经有相关产品问世。所以，本课题拟在这两者研究的基础上，研究能量回收式电涡 流缓速器。下面分别介绍电涡流缓速器和制动能量回收技术的发展情况。 1 2 1 电涡流缓速器的发展概况 主要行驶在山区道路的载重货车经常要下长坡，为不使汽车在坡道上不断加速到 危险程度，应当对货车进行持续制动；经常在车流量大、交通复杂的城市道路上行驶 的汽车( 如城市公共汽车) ，为了适应各种交通情况，需要进行频繁的不同强度的制 动1 4 5 1 。因此，在这些情况下，单靠主制动器是难以完成的，必须安装辅助制动器( 又 称为缓速器) 电涡流缓速器工作的原理是在定子上绕圆周依次分布极性相反的电磁线圈，当转 子旋转时，相当于转子处在不断变化的磁场中。此时，在金属体内部要产生感生电流， 这种电流在金属体内部自成闭合回路，称为电涡流。同时，电涡流会产生新的磁场。 根据楞次定律，转子内部电涡流所产生的新的磁场与定子线圈产生的磁场相互作用， 阻止、反抗转子的转动，形成了迫使车辆降低速度的制动力矩。 电涡流缓速器是在十九世纪利欧博科( l i o n f o u c a u l t ) 发现的电磁感应理论的基础 上发展起来的。1 9 0 3 年，斯特克勒( s t e c k e l ) 首先申请了一种电磁制动装置的专利。 1 9 3 6 年，鲁尔塞瑞真( r a o u ls a r a z i n ) 首次将电磁制动技术应用到汽车上，从此揭开 了电涡流缓速器在汽车上应用的实例。1 9 3 8 年出现将电涡流缓速器用万向节与中心 传动法兰结合起来组成的安全缓速制动器。1 9 6 5 年法国t e l m a 公司设计出了首台没 有中心轴，直接安装到变速器或驱动桥上的电涡流缓速器。该类型缓速器的出现，使 其结构趋于紧凑、重量变轻，并且安装简便，从而使得电涡流缓速器在汽车上的应用 更加广泛。1 9 9 3 年出现了将电磁缓速器与传动轴做成一体的产品。1 9 9 6 年，市场上 出现了用发动机冷却液进行冷却的电涡流缓速器，该缓速器中还安装有- d , 型发电 机。该结构的出现使电磁缓速器的制动能力大大提高，工作性能更为可靠，工作时对 蓄电池的供电需求很少。这种电涡流缓速器主要用于重型车辆【6 】门【s i n 。 第2 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速器设计研究 国际上，电涡流缓速器的知名生产厂家有：法国的泰乐玛( t e h n a ) 、西班牙的 弗瑞纳萨( f r e n r l s a ) 和克莱姆( k l a m ) 、德国的克罗伏特( k l o f t ) 以及日本的东京 部品工业( t ( ) k o b u h i k o o y o ) 和五十铃，住友( i s u z u s u m i t o m o ) 等，其中法 国的泰乐玛( z e l m a ) 公司是世界上电涡流缓速器最大的制造商，其产品广泛应用在 世界各大知名汽车公司生产的重型汽车以及大中型客车上。欧、美、日等发达国家早 已把缓速器作为标准件在多种级别的客车和中、重型汽车上装用，作为汽车制动系统 的必要辅助装置。 在国内，由于我国整个汽车工业的起步较发达国家晚了很多，导致电涡流缓速器 的研制、生产和应用还处于起步阶段。但随着我国汽车工业的逐渐发展，人们对汽车 的安全性、舒适性和环保的要求不断提高，而且现在汽车的驱动功率、速度以及载荷 不断增加，使得车轮制动器的负荷进一步加大，这几个因素综合起来促使我国电涡流 缓速器的发展也越来越快，市场对电涡流缓速器的需求也急剧增加。国内已有许多大、 中型豪华客车，如上海申沃、郑州宇通、东风日产、厦门金龙、苏州金龙等客车都安 装了电涡流缓速器。国外有很多电涡流生产厂家开始在国内投资建厂，如法国泰乐玛 ( t e l m a ) 2 0 0 5 年初在上海投资建厂。同时，很多国内厂家也开始研制生产电涡流缓 速器。目前国内的电涡流缓速器的生产和研制厂商有：深圳的特尔佳科技有限公司、 上海澳奈尔汽车配件有限公司、扬州洪泉实业公司、广州市瓯特玛电涡流科技有限公 司、浙江瑞立集团和嘉兴市纽曼机械有限公司。上海程迈机电科技有限公司生产的“奥 驭”电涡流缓速器、佛山市南海科驰运输科技有限公司生产的“科驰”电涡流缓速器、 深圳冠业电子有限公司于2 0 0 1 年成功研制的冠业s g 系列电涡流缓速器、重庆安福 来汽车电子有限公司生产的m 、r 、f 、a 系列电涡流缓速器等都是国内较为常见的 电涡流缓速器品牌。此外，一些科研院所也在进行相关产品开发和关键技术研究，如 长安大学、江苏大学、北京工业大学等，并取得了一定的科研成果，为我国电涡流缓 速器的发展作出了很大贡献。 1 2 2 制动能量回收研究情况 目前能够检索到的研究缓速制动能量回收的文献很少，主要是因为在制动的过程 中，大部分的制动能量由主制动器即行车制动器的摩擦散热损失掉，而且缓速器的使 用也没有普及随着缓速器的大量装车使用，而且发挥的作用越来越大，缓速器所损 失的制动能量将不可忽视。对于缓速器缓速能量回收的研究主要参照目前对于车辆制 动能量回收与再利用系统的研究成果来进行。下面介绍一下国内外车辆制动能量回收 与再利用系统储能方式的研究现状。 国内外对车辆制动能量回收与再利用系统的研究很多，但主要是以下三种：飞轮 蓄能式、液压蓄能式和蓄电池储能式【l o 】 第3 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速嚣设计研究 飞轮蓄能是机械蓄能的一种蓄能形式，以惯性能( 动能) 的方式，将能量储存在 高速旋转的飞轮中。当车辆制动时，飞轮蓄能系统拖动飞轮加速，将车身的惯性动能 转化为飞轮的旋转动能：当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放本身旋转动能给车 身。早在2 0 世纪5 0 年代就有人提出了利用高速旋转的飞轮来储存能量，但由于当时 技术条件的限制，一直未取得突破性的进展。9 0 年代以来科学技术突飞猛进给飞轮 储能技术带来了新的希望。瑞典沃尔沃汽车制造公司从1 9 9 5 年开始试制飞轮储能汽 车。为了使飞轮能充分有效地保存能量，常将飞轮运行于密闭的真空系统中。目前该 方面的前沿研究是飞轮轴承采用高温超导磁悬浮技术，利用永磁铁的磁通被超导体阻 挡所产生的排斥力使飞轮处于悬浮状态。美国t c s u h 、阿贡国立实验室、日本三菱 重工、德国k f k 核物理研究所等都有超导磁悬浮飞轮储能系统的试验样机制成【】。 设计飞轮时，既要考虑本身强度，又需注意系统的共振及稳定性。飞轮储能式能量回 收系统附加重量较轻、成本低，但技术难度大，节油效果不如液压蓄能。 液压蓄能以液压能的方式储存能量。系统由一个具有可逆作用的泵马达实现蓄 能器中的液压能与车辆动能之间的转化，即在车辆制动时，蓄能系统将泵马达以泵 的形式工作，车辆行驶的动能带动泵旋转，将高压油压入蓄能器中，实现动能到液压 能的转化；在车辆起动或加速时，蓄能系统再将泵马达以马达的形式工作，高压油 从蓄能器中输出，带动马达工作，实现液压能到车辆动能的转化。液压蓄能式能量回 收系统特别适合液驱车【1 2 1 。液压储能式能量回收系统的缺点是它的能量密度在三者中 是最小的。 蓄电池以电能方式储存能量。系统以具有可逆作用的发电机电动机实现蓄电池 中的电能和车辆动能的转化。在车辆制动时，发电机电动机以发电机形式工作，车 辆行驶的动能带动发电机将车辆动能转化为电能并储存在蓄电池中。在车辆起动或加 速时，发电机电动机以电动机形式工作，将储存在蓄电池中的电能转化为机械能供 给车辆。蓄电池储能式能量回收系统非常适合于电动车。现在随着人们环保意识的增 强，以及对汽车排放日趋严格的限制，同时为进一步缓解非再生石化燃料紧张的矛盾， 电动汽车的无污染、行驶噪声小的优点受到人们广泛关注。蓄电池储能，各方面性能 都较好，但是功率密度低，充放电频率小，不能迅速转化吸收大量能量，而车辆在制 动或起动时，需要迅速释放或得到大量能量，这使储能蓄电池的应用受到很大限制。 现在，各国技术人员加紧研制大容量、高性能蓄电池，从而为蓄电池储能式能量回收 系统提供应用基础。例如前几年研究得较多的超级电容器( s u p e rc a p a c i t o r ) ，就是可 望对制动能量回收与再利用这一棘手问题有一定缓解的一种蓄能器件。超级电容器是 一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得多得能量密度和 比蓄电池高得多的功率密度，适合用作短时间功率输出源【1 3 1 。超级电容器是于上世纪 六、七十年代在美国率先出现，八十年代逐步走向市场的一种新兴蓄能器件，目前国 第4 页 南京理工大学硕士学位论文能量回收式电涡流缓速嚣设计研究 内外对它的研究已经取得很大的成果。超级电容器与常规电容器不同，其容量可达法 拉级甚至数千法拉( 也有人称为超大容量电容器) 它兼有常规电容器功率密度大、 充电电池比能量高的优点，可快速充放电，而且寿命长，正在发展成为一种新型、高 效、实用的能量储存装置，因此有人认为它是介于充电电池和电容器之间的一种新型 能源器件。美国、日本、俄罗斯等国都先后投入大量人力、物力对超级电容器进行研 究开发，有些公司的产品已实现商品化。超级电容器在性能特点方面有明显的优势， 主要表现在以下几个方面【1 4 j ： ( 1 ) 可存储巨大的能量，容量可以从一法拉到数千法拉，工作电压可以从几伏 至几百伏，能量密度比传统电容器高数数十倍； ( 2 ) 可大电流充放电，特别适合脉冲电路的应用； ( 3 ) 可以在完全放电状态下存储，而过度放电对许多充电电池都是有害的； ( 4 ) 将超级电容器与普通电源系统并联使用，可以降低对电源系统的瞬间功率 要求； ( 5 ) 体积小、外形紧凑，便于安装，节省空间； ( 6 ) 在酷热、寒冷和潮湿的环境下仍能有效工作，如可在4 0 - - 6 0 下工作； ( 7 ) 超级电容器有很好的机械强度，有防火、防爆型设计，不需要维护和保养， 使用安全、方便，对环境无害。 比较以上三种车辆制动能量回收与再利用的方法，可以肯定的是蓄电池储能系统 将是电涡流缓速器能量回收利用系统的最佳方案。首先，这是由电涡流缓速器的特点 决定的。能量回收式电涡流缓速器的工作原理要求它在工作时，给电涡流缓速器定子 线圈通励磁电流，同时能量回收系统中的电磁离合器也需要耗电，这就会增加原车载 电源的负担，如果采用蓄电池储能则刚好可以解决这一问题。其次，这是由蓄电池储 能系统的优点决定的，尤其是现在超级电容器的投入使用，解决了传统蓄电池功率密 度低、充放电频率小、不能迅速转化吸收大量能量等问题后，蓄电池储能系统的优点 更加明显。 1 3 研究内容 能量回收式电涡流缓速器的重要设计指标是缓速器工作时的制动力矩的大小以 及能量回收时电流的大小，同时在满足设计要求的前提下尽可能的使结构轻量化本 课题旨在对现有电涡流缓速器分析的基础上，实现缓速锦4 动时能量的回收，同时对其 关键零部件进行有限元分析，并研究其轻量化问题。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 在对目前使用的电涡流缓速器的优缺点和各种制动能量回收系统的现状进 行分析的基础上，提出能量回收式电涡流缓速器的方案，然后对其关键参数制动力矩 第5 页 南京理工大学硕士学位论文能量回收式电涡流缓速器设计研究 公式进行理论推导。 ( 2 ) 能量回收式电涡流缓速器主要参数及结构设计研究。根据制动力矩的理论 及计算公式，由制动力矩的目标值，设计缓速器的各项参数；由这些具体的参数，在 参考现有电涡流缓速器的结构基础上，用c a d 软件进行零部件的三维建模。 ( 3 ) 转子的有限元分析。对能量回收式电涡流缓速器的转子进行有限元分析， 得到其在工作过程中的温度场分布、热应力分布和结构应力分布，最后进行强度校核。 ( 4 ) 能量回收式电涡流缓速器的轻量化。采用结构优化法和更换材料的方法对转 子和定子分别进行轻量化，实现电涡流缓速器整体轻量化的目标。 第6 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式龟涡流缓速器设计研究 2 能量回收式电涡流缓速器 2 1 电涡流缓速器的结构及工作原理 电涡流缓速器是由定子、转子及固定架等部件组成，如图2 1 所示。电涡流缓速 器定子上一般均匀地安装有八个商导磁材料制成的铁心，呈圆周分布。八个励磁线圈 套于铁心上，共同构成磁极。圆周上相对两个励磁线圈串联或并联成一组磁极，并且 相邻两个磁极均为n 、s 相间，这样就形成相互独立的四组磁极。 a - - a 隍 骝墨 一一一j q 【 汹】 、， 。觚i1天h 名 iu v t 。二、王 、 。嗡沁斗： f 圊iu i 、转子；2 、铁心；3 、励磁绕组；4 、转子；5 、轴承；6 、定子；7 ，气隙；8 、接线柱； 图2 1 电涡流缓速器的结构 转子通常由前转子、后转子和转子轴构成。前后转子均为圆环状，一般用导磁性 能高且剩磁率低的铁磁材料制成，实际生产中常选用低碳钢或合金等材料。为了及时 将涡流产生的热量散发掉，通常转子上铸有散热叶片和通风气道。转子通过法兰与传 动轴相连，并随传动轴自由转动。前后转子和定子磁极间保持有极小的均匀的气隙， 以使转子旋转时不会刮擦到定子。从减小磁阻角度讲，气隙越小越好，但气隙的确定 还必须考虑机加工的公差和转子、定子受热后的热膨胀的影响，一般在0 7 6 1 7 0 t u r n 范围内变动。电涡流缓速器的定子一般是通过固定架安装于车架上( 或变速器的后端 外壳，或驱动桥的主减速器外壳上) ，两者呈刚性连接，即相对车架而言，定子是固 定不动的l l ”。 电涡流缓速器的工作原理是基于能量的转化：利用电磁学原理把汽车行驶的动能 转化为热能而散发掉，从而实现汽车的减速和制动。具体来说就是转子在磁场中转动 形成的涡电流在流动中不断转化为热量，这些热量通过对流和辐射的方式散发到周围 的环境中，消耗汽车的动能( 1 6 】【”。 电涡流缓速器上安装有八个电磁线圈，工作时向励磁线圈通以直流电流产生磁 第7 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速器设计研究 场，从磁场中发射出来的磁力线穿过转子与相邻线圈产生的相反极性磁场构成回路 ( 见图2 2 ) 当转子旋转时气隙磁通密度随转子旋转而发生周期性的变化，因此在 转子内表面及一定深度范围内，将产生电涡流，该涡流所产生的磁场与气隙磁场相互 作用产生一个阻力矩，抵抗转子的运动，即制动力矩。电涡流缓速器的工作原理见图 2 3 。 根据电磁感应理论，当穿过闭合导线回路所包围面积的磁通量发生变化时，在导 线回路中将产生感应电流。缓速器的转子从宏观上看不是一个闭合导线，但从微观上 看，可以看成是一个由无数个闭合导线构成的集合体。当转子转动时，其内部无数个 闭合导线所包围的面积的磁通量就发生变化，从而在转子内部产生无数段感应电流， 即电涡流。 图2 2 磁极及磁力线分布图图2 3 电涡流缓速器的工作原理 电涡流的作用有两个方面；一是这些涡流在具有一定的电阻的转子内部流动时会 产生热效应而导致转子发热，车辆的动能就通过感应电流转化为热能，并通过转子散 热片产生的强劲风力将热量快速散发出去；二是涡流会产生新的磁场，根据楞次定律， 闭合导线回路中所产生的感应电流总是使它自己所产生的新的磁场与定子线圈产生 的磁场相互作用，而阻止、反抗转子的转动，从而形成制动力矩，迫使车辆减速。 2 2 制动能量回收系统的分类 制动能量回收也叫制动能量再生，是一种将车辆在制动或减速过程中的一部分动 能通过能量回收装置转化为其它形式的能量存储起来的技术。汽车上采用制动能量回 收技术，有利于提高汽车的燃油经济性，减轻制动系统的负担，提高汽车行驶的安全 性各种汽车制动能量回收的原理大体上一致，主要区别在于能量储存方式不同。根 据不同的能量储存方式，可将汽车制动能量回收系统分为以下主要几种：飞轮储能式、 液压储能式和蓄电池储能式 第8 页 南京理工大学硕士学位论文能量回收式电涡流缓速器设计研究 2 2 1 飞轮储能式 飞轮储能式能量回收系统是利用高速旋转飞轮来存储和释放能量，其基本工作原 理是：先将汽车在制动或减速过程中的动能转换为飞轮高速旋转的动能；当汽车再次 起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传动装置转化为汽车的驱动力， 以增加汽车的行驶动能。其能量转换过程如图2 a 所示。 能量转换能量储存 2 2 2 液压储能式 输入机械能输入机械能 图2 4 飞轮储能式能量回收系统的能量转换过程 液压储能式能量回收系统的工作原理是：先将汽车在制动或减速过程中的动能转 换成液压能的形式，并将液压能贮藏在液压蓄能器中；当汽车再次起动或加速时，储 能系统又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车，以增加汽车的行驶动 能。从能量转换角度看，汽车制动( 或减速) 的过程就是液压系统从汽车上吸收动能 转换成液压能并储存液压能的过程；汽车起动或加速的过程就是液压系统将储存的液 压能转换成机械能并释放给汽车，以增加汽车动能的过程( 如图2 5 所示) 输出机械能 能量转换 输出液压能 能量储存 图2 5 液压储能式能量回收系统的能量转换过程 2 2 3 蓄电池储能式 蓄电池储能式能量回收系统的工作原理是：首先将汽车在制动或减速过程中的动 能，通过发电机转化为电能并以化学能的形式存储在储能器中；当汽车需要起动或加 速时，再将储能器中的化学能通过电动机转化为汽车行驶的动能。储能器可采用蓄电 池或超级电容器，由发电机电动机执行机械自鲁一电能之间的转化。系统还包括一个 第9 页 设计研究 图2 6 蓄电池储能式能量回收系统的能量转换过程 2 3 电涡流缓速器能量回收原理及方案 证蓄电 上一节讨论了制动能量回收的几种方法，主要是根据它们储能的方式不同进行分 类的。飞轮储能式和液压储能式都是把汽车制动或减速时的动能存储并直接释放利 用。飞轮式装置的缺点是回收的能量不能长期的存储，液压式装置的缺点是对系统的 密封性要求相当高，而且功率必须经过很多液压元件的传递，不可避免的伴有能量的 损失。 对于装有电涡流缓速器的车辆来说，有个明显的特点就是车辆耗电量增加，以制 动力矩为1 5 0 0 n m 的电涡流缓速器为例，其最大电流可达8 0 9 0 a 【1 7 l 。为了维持车辆 本身的正常需求，要加大发电机和蓄电池的容量。为了解决这一问题，在考虑电涡流 缓速器能量回收的时候，选择第三种能量回收方式，即蓄电池储能式能量回收系统。 昏前蓄电池储能式( 电化学储能式) 能量回收系统具有很大的发展前景，它具有结构 简单，操作方便，可靠性好，能量回收效率高等优点，尤其是在目前研究电动车、混 合动力车热潮的推动下，更是在加速发展。 下面介绍电涡流缓速器能量回收的原理。上节内容已经介绍了蓄电池储能式制动 能量回收系统的工作的原理，电涡流缓速器能量回收的原理与之有相似的地方，回收 的制动能量将直接存入超级电容器蓄电池给电涡流缓速器和电磁离合器以及电制动 ( b b w ) 系统等耗电设备供电，以缓解主蓄电池的压力。电涡流缓速器能量回收的 原理见图2 7 。 第l o 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速器设计研究 图2 7 电涡流缓速器能量回收的工作原理图 具体的工作原理是：动力从发动机传递到变速器，在变速器到驱动桥之间装有电 涡流缓速器，当需要缓速制动时，切断发动机到变速器之间的动力传递( 主离合器分 离) ，电涡流缓速器工作，提供制动功率，驱动桥的转速下降，车辆速度降低；同时， 电涡流缓速器与发电机之间的电磁离合器接合，启动制动能量回收系统，在回收能量 的同时提供部分制动功率。 根据电涡流缓速器能量回收的原理，设计了三种能量回收的方案，见图2 8 、图 2 9 和图2 i o 。前两种方案的区别之处在于能量回收系统与电涡流缓速器的连接方式 不一样，图2 8 的方案是通过带轮连接，传递功率；图2 9 的方案是通过一对啮合齿 轮连接传递功率的。第三种方案与前两种方案的区别在于，把电磁离合器与发电机做 成一体，使得结构比较紧凑，同时用超级电容器和普通蓄电池并联组成的储能系统取 代普通的蓄电池。通过比较，本文选用第三种方案，其原因有三：带轮传动具有安 装比较灵活，可以在恶劣的环境中正常、稳定的工作，还具有一定的过载保护能力； 超级电容器有快速充放电的能力，能够回收大部分短时间快速制动产生的制动能 量，而在车辆下长坡等需要长时间制动的场合则通过普通蓄电池来回收能量；用电 磁离合器式发电机取代电磁离合器与发电机，使得整体结构变得更加紧凑。 图2 8 电涡流缓速器能量回收方案一 第1 l 页 计研究 图z 9 电涡流缓速器能量回收方案二 统 图2 1 0 电涡流缓速器能量回收方案三 2 4 能量回收式电涡流缓速器典型工作模式 2 4 1 电涡流缓速器的典型工况 电涡流缓速器作为车辆制动系统的一个部分，在车辆制动时需要与主制动器之间 进行合理的工作分配，在不同工况下使用不同的组合方式，以达到既安全又能延长主 制动器寿命的最佳效果。下面根据电涡流缓速器与主制动器工作状况的不同，对电涡 流缓速器的工作模式进行分类。 第1 2 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速嚣设计研究 1 ) 纯缓速工况( 电涡流缓速器单独工作) 车辆在下长坡时，为了使车辆维持在一个恒定的车速下坡，而不致使车辆在下坡 时车速越来越快，驾驶员需要借助制动装置。若使用主制动器，因为制动时间较长， 对制动器的磨损很大，很容易使制动器损坏。此时，使用电涡流缓速器是比较理想的 选择，它可以很好的实现车辆恒速下坡同时又不损坏制动器，因为电涡流缓速器是非 接触式的，工作时间长短对制动器不会有太大的影响。所以在下长坡时，采用缓速器 单独工作，称这种工况为纯缓速工况。 2 ) 纯主制动工况( 主制动器单独工作) 车辆在遇到紧急情况时，需要立即停车，制动系统需要在短时间内提供很大的制 动力矩，此时辅助制动器在短时间内提供的制动力矩与主制动器提供的制动力矩相 比，基本可以忽略不计。所以在紧急制动时，采用主制动器单独工作，称这种工况为 纯主制动工况。 3 ) 一般工况( 电涡流缓速器与主制动器同时工作) 除去以上两种典型工况，车辆在行驶过程中的减速停车大多数属于驾驶员有意识 的停车，即驾驶员提前观察到或知道前方某一目标处应该停车，所以在距离停车目标 地一定距离时就开始减速，等接近停车目标地点时再制动停车，这样可以避免紧急制 动带来的一系列不良后果，如乘员的前倾、制动器的剧烈磨损等。这种情况下，提前 减速可由电涡流缓速器来完成，最后停车由主制动器实现。 2 4 2 再生制动系统的典型工况 再生制动也是一种辅助制动系统，在车辆制动时也需要根据不同的工况与主制动 器进行合理的分工，其作用与一般的辅助制动系统不一样，它以回收制动能量主要目 的。根据再生制动系统与主制动器的工作状况的不同，对再生制动系统的典型工况进 行以下分类。 1 ) 纯再生制动工况( 下长坡缓速) 车辆在下长坡缓速制动时( 少数山区道路较常见) ，汽车主要工作在再生制动工 况下，制动时间较长，回收的制动能量较多。 2 ) 紧急制动工况( 紧急停车) 汽车驾驶员在遇到紧急情况下迅速采取制动，此时再生制动系统所作用的制动时 间较短，与主制动系统相比，其作用完全可以忽略，回收的制动能量也很少。 3 ) 一般制动工况( 正常制动，可预见停车) 车辆在正常制动停车时，如遇到红灯或者驾驶员熟悉的需要减速停车的路段等， 驾驶员一般都会提前做好制动的准备，在距离目标停车地大约l o 到5 0 米时开始轻踏 制动踏板进行滑行制动，此时主要是再生制动系统起作用，车辆在减速的同时回收制 第1 3 页 南京理工大学硕士学位论文能量回收式电涡流缓速器设计研究 动能量。汽车回收的这部分制动能量较多。在靠近停靠目标时，驾驶员踏下主制动踏 板，主制动系统工作使车辆完全停止【l s 】。 2 4 3 能量回收式电涡流缓速器的典型工作模式 根据电涡流缓速器和再生制动系统的几种典型工况分析，可以看出，他们之间有 对应关系，即电涡流缓速器的三种典型工况与再生制动系统的三种工况一一对应，可 以考虑用一套控制系统去控制他们同时工作。由此考虑把能量回收式电涡流缓速器的 工作模式作以下分类。 1 ) 工作模式一 在这种工作模式下，电涡流缓速器和制动能量回收系统都处于工作状态，分别向 车辆提供制动功率，同时能够回收制动能量。这种工作模式既能提供必要的车辆制动 功率，又能回收大量的制动能量，但是这种工作模式有一定的限制，一般只工作在少 数山区长坡较多的道路上。 2 ) 工作模式二 在这种工作模式下，电涡流缓速器和制动能量回收系统都处于不工作状态，制动 功率由主制动器提供。该工作模式，不回收制动能量，一般在紧急制动情况下采用。 3 ) 工作模式三 在这种工作模式下，电涡流缓速器和制动能量回收系统开始一段时间处于工作模 式一，然后在工作模式二，是前两种工作模式的综合，模式转换由驾驶员操作控制系 统来完成。该工作模式，可以回收制动能量，比较工作模式一而言，单次制动过程， 回收的制动能量较少，但工作次数比工作模式一多，在全国大部分地区路段是最普遍 的一种工作模式。 能量回收式电涡流缓速器的三种工作模式详细情况见表2 1 。 表2 1 能量回收式电涡流缓速器的三种工作模式 电涡流缓速器主制动器 制动能量回收系统 应用场合 工作模式一工作不工作工作 山区道路缓速制动 工作模式二不工作工作不工作紧急制动 工作模式三 先工作、后停止 先停止、后工作先工作、后停止 可预见制动 2 5 能量回收式电涡流缓速器的控制 能量回收式电涡流缓速器系统按产生制动功率的来源可分为两个部分，电涡流缓 速系统和制动能量回收系统。因为这两个系统的工况基本一致，所以在控制上可以很 容易实现。在能量回收式电涡流缓速器工作时，其定子励磁线圈和电磁离合器通过经 第1 4 页 流缓速器设计研究 2 5 1 控制方法 图2 1 1 能量回收式电涡流缓速器励磁电流的控制框图 流控制框图。 能量回收式电涡流缓速器的控制方法按照控制元件的不同可分为继电器控制、大 功率无触点开关控制和单片机控制三类。 1 ) 继电器控制 继电器控制顾名思义指的是采用继电器作为执行元件的一种控制方法。通过继电 器的触点的吸合来控制电涡流缓速器励磁线圈的接通对数和电磁离合器的通断，从而 控制电涡流缓速器的缓速效果和能量回收系统的开启和关闭。这种控制方法的特点是 较为直观，成本较低，是能量回收式电涡流缓速器的一种简单控制方法，也是很多早 期电涡流缓速器采用的控制方法，如法国的t e l m a 和国内大多数电涡流缓速器厂家的 产品。图2 1 2 为使用继电器作为控制元件的电涡流缓速器的控制线路图。 第1 5 页 嚣设计研究 图2 1 2 采用继电器控制的电涡流缓速器控制线路图 2 ) 大功率无触点开关控制 继电器是靠触点的接触来接通电路的，这样在能量回收式电涡流缓速器工作过程 中，继电器就要频繁的吸合和断开，触点寿命就会很低。采用大功率无触点开关作为 控制元件可以解决这一问题，元件的寿命会大大提高。德国的k l o f t 就是采用这种 控制方法。 3 ) 单片机控制 使用单片机控制可以对线圈励磁电压自由设定，并且可以很容易的实现系统多种 功能的控制，如恒速控制、不同工况下能量回收式电涡流缓速器系统控制等。 以上三种控制方法各有优点。继电器控制方法比较简单，大功率无触点开关控制 寿命会有所提高，本文采用更为先进的单片机控制方法。单片机控制更有利于集成控 制电涡流缓速器和能量回收系统，并且可以为以后扩展其它功能留有余地。图2 1 3 为本文采用的单片机控制的原理框图。 由图2 1 3 可以看出，该控制系统是由车速及档位信号传感器、c p u 、功率元件等 组成。当缓速器工作时，控制手柄或踏板信号经输入整形和去干扰后传到单片机中， 由单片机计算出当时车速下合适的制动力矩大小，输出相应的p w m 控制信号给功率 元件，再由功率元件接通电涡流缓速器和电磁离合器的励磁线圈，实现缓速和能量回 收。系统中的e 2 p r o m 是扩展用来存放制动力参数的。声光显示模块用来控制档位 指示灯、警报蜂鸣器等装置的工作。 第1 6 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速器设计研究 2 5 2 控制方式 图2 1 3 采用单片机控制的控制系统原理框图 能量回收式电涡流缓速器的控制方式跟常规的电涡流缓速器的控制方式相似，只 是需要考虑能量回收系统的控制，即在电涡流缓速器工作时，同时通过控制电磁离合 器的励磁电流，使能量回收系统也进行工作。下面介绍一下常见的几种控制方式。 1 ) 手柄控制i l 叫 手柄安装在方向盘下方或者仪表板上驾驶员容易操作的地方，该手柄有五个档 位，与电涡流缓速器接入线圈的对数对应，分别为0 档( 没有线圈接入) 、1 档( 一 对线圈接入) 、2 档( 二对线圈接入) 、3 档( 三对线圈接入) 和4 档( 全部线圈接 入) 。电涡流缓速器工作时，选择不同的手柄档位后，档位信号被采集到单片机中， 经过c p u 的运算，控制功率元件给相应对数的励磁线圈供电；同时，只要任何一组 线圈通电( 即选择l 、2 、3 、4 中的任一档位) ，功率元件将使电磁离合器也获得励 磁电流，从而启动动能量回收系统。通过选择手柄不同的档位，可实现不同程度的缓 速效果。 通过手动开关上的恒速按键腥钮，可以设定和启用“恒速制动功能”。驾驶员可 根据汽车的负载情况和运行状态以及路面交通状况对控制手柄进行调整。通过恒速按 键，键钮，单片机会把当时所行驶的车速储存起来，通过内部程序可实现自动跟踪调 节制动力达到匀速运行的要求，而无需反复操作手动开关。要取消“恒速制动功能”， 只需把手柄调到0 档即可。 第1 7 页 j 南京理工大学硕士学位论文能量回收式电涡流缓速器设计研究 这种控制方式对于车辆在下长坡或其它需要长时间制动的工况时比较适合，因为 这样驾驶员不会因为长时间踩制动踏板而疲劳。 2 ) 踏板控制 踏板控制的原理是把踏板的行程分成四个部分，踏板行程四个部分的压力不同， 单片机根据采集到压力信号的不同，经过c p u 的运算，控制功率元件给相应对数的 励磁线圈供电，从而实现电涡流缓速器的不同缓速器效果。在驾驶员踩下制动踏板单 片机采集到压力信号的同时，功率元件也将给电磁离合器提供电流，使得能量回收系 统处于工作状态。这样由驾驶员踩制动踏板的行程不同也可以控制车辆的减速效果， 也实现能量的回收控制。当驾驶员松开制动踏板后，单片机会自动复位，能量回收式 电涡流缓速器系统停止工作。该装置一般设计成当缓速器的制动力矩增加到7 0 时， 主制动器才开始起作用。 这种控制方式一般在市区道路工况下采用。这种工况的特点是制动较为频繁，但 每次制动时间较短，所以用踏板控制符合驾驶员的操作习惯。 3 ) 混合控制 混合控制包括手柄和踏板控制两种控制方式，在手动和脚动开关联动时，同样也 能实现四个缓速器档位和能量回收系统的开启和关闭。手动开关和脚动开关可以同时 或单独动作。在此情况下也可以实现恒速制动功能。 手柄控制和踏板控制各有优缺点。手柄控制比较容易实现，踏板控制虽然复杂一 些，但却符合驾驶员的操作习惯。本文采用手柄和踏板混合的控制方式，这样驾驶员 可以更方便的操作，在需要长时间缓速制动时用手柄控制，而其它短时间高频率的制 动则采用踏板控制。 2 5 3 控制装置 能量回收式电涡流缓速器的控制装置主要包括执行机构和控制机构两大部分。 1 ) 执行机构 执行机构包括电涡流缓速器的定子和转子，能量回收系统的电磁离合器、发电机、 整流器和蓄电池。定子由绕组和支架组成，定子绕组由4 组8 个线圈组成，定子固定 在车架上或安装在变速器的后端盖上。定子两端各有一个同轴转子，转子直接与传动 轴相连或一端转子与变速器输出轴法兰连接，另一端转子与传动轴相连。能量回收系 统的电磁离合器输入端与传动轴通过带轮连接，输出端为发电机的主轴。发电机发出 的电流经过整流储存到蓄电池。 2 ) 控制机构 控制部分包括手控开关、脚控开关、切换开关、c p u 、功率元件、a b s 接口等。 根据驾驶员的手柄档位信号或制动踏板信号以及车速反馈信号计算出合适的制 第1 8 页 南京理工大学硕士学位论文 能量回收式电涡流缓速器设计研究 动力大小，并控制功率模块的导通，通过功率模块提供给励磁线圈和电磁离合器合适 的电流，使能量回收式电涡流缓速器系统开始工作。同时，通过声光显示模块，使二 极管接通缓速器工作指示信号灯与车辆的制动信号灯，一旦系统开始工作，能量回收 式电涡流缓速器的工作指示信号灯会亮，制动尾灯会闪烁，提示车辆处于减速制动状 态。 当车速过低时，缓速系统无需工作，因而系统程序中设置了门限值，当车速低于 5 k m h 时1 2 ，功率模块不提供励磁电流，避免驾驶员在汽车停后忘记将控制手柄开 关置于0 档( 或制动踏板未松开) ，而仍向励磁线圈通电造成浪费和损坏线圈【2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 。 a b s 联接的作用是根据车辆状况自动调节缓速系统的工作状态。其输入信号有： a b s 控制信号，a b s 报警信号，车速信号，手控开关与脚控开关信号。 a b s 联接器主要有以下2 种功能哆 ( 1 ) 如果a b s 探测到某个车轮打滑，它将立即终止缓速器的制动作用；当打 滑一旦结束，a b s 联接器又一级一级的接通缓速器档位，始终保持缓速器力矩受到 路面的支持。 ( 2 ) 当a b s 出现故障时，它将切断缓速器的脚控功能，但仍保留手动控制功 能以保证行车安全。 2