制动能量回收技术及其在摩托车上的应用
随着地球环境的变化，世界各国制定了严厉的法规以限制机动车的尾气污染物排放。有限的石油资源和日益提高的环保意识也促使汽车和摩托车必须降低燃油消耗和排放。我国摩托车年产量和保有量年年攀升，节能与环保问题尤其突出。但摩托车受技术、成本及空间等方面的影响，降低油耗和排放的技术不及在汽车上成熟，所以有必要开发出适合我国国情的摩托车新技术，使摩托车行业得以进一步健康发展。
一、混合动力摩托车
混合动力摩托车指的是由两种或两种以上的动力作为驱动源的摩托车。目前我国摩托车主要是由汽油发动机驱动，受成本的限制，这种发动机是化油器供油，于节油、环保都不利。在我国，电动摩托车得到了一定的发展，技术相对比较成熟，所以以汽油发动机和电动机作为驱动源具有广阔的发展空间。混合动力摩托车可通过下列途径达到节油目的：选择较小功率发动机；取消发动机怠速；控制发动机在高效区工作；发动机断油；适当增大电池SOC（State of Charge）窗口；回收再生制动能量。
二、制动能量回收技术
当车辆滑行或制动时，传统摩托车通过机械制动器系统将车辆的动能转化为热能，消耗在转动鼓（盘）上而浪费掉。混合动力摩托车由于加装了电机系统，在车辆滑行或制动时，可利用电机吸收能量，回馈到电池组中储存起来。为了最大限度地回收再生制动能量，控制策略应是优先由电机再生制动，当电机满足不了整车制动强度或电池的SOC达到最大限值时，机械制动参与工作以实现制动的可靠性。在制动过程中，整车控制策略分配制动力矩，实现电机最大限度地回收再生制动能量。研究表明，电机再生制动能量的回收可节油5％-12％。
三、制动能量回收控制策略
1、制动能量回收控制逻辑
制动能量回收系统控制的目标是，在维持车辆原有制动性能和满足驾驶员制动要求的基础上，最大程度地回收车辆的动能。
制动能量回收系统工作时，首先根据制动踏板位移来判别驾驶员的制动需求，然后根据制动要求和车辆以及路面状况来确定后轮摩擦制动扭矩和回收制动扭矩。在满足驾驶员要求和车轮不趋于抱死的情况下，在驱动轮上应尽量增大由电机提供的回收制动扭矩。当回收制动扭矩低于驾驶员所需求的制动扭矩时，为了满足驾驶员的制动需求，应使用摩擦制动装置产生摩擦制动扭矩。在这种情况下回收制动扭矩和摩擦制动扭矩配合工作，达到制动目的。图1所示为回收制动控制模块内部的控制逻辑。
在制动能量回收系统中，回收制动控制模块根据电机的扭矩特征，决定可回收制动扭矩的范围，并传递给摩擦制动模块。摩擦制动模块根据驾驶员制动需求，按保持摩托车的方向稳定性和最大化能量回收的原则来初步决定前、后轮之间的制动力比例和数值，以及回收制动力和摩擦制动力之间的比例和数值。之后，摩擦制动控制模块将计算出来的所需回收制动扭矩的量值传递给回收制动控制模块，回收制动控制模块再据此去控制电机回收制动能量。如果电机的回收制动扭矩已经达到其最大值时还不能满足驱动轮上的制动需求，则剩余部分的制动力矩由作用于该轮的摩擦制动来补充。如果作用于电机的实际回收制动扭矩为零，则驱动轮上所有的制动需求都由该轮的摩擦制动来满足。
2、制动能量回收的约束条件
实用的能量回收系统应满足以下要求：
（1）满足制动的安全要求，符合驾驶员的制动习惯。制动过程中，对安全的要求是第一位的，需要找到电刹车和机械制动的最佳覆盖区间，在确保安全的前提下，尽可能多地回收能量。具有能量回收系统的电动摩托车，其制动过程应尽可能地与传统的制动过程近似，这将保证在实际应用中回收系统有吸引力，可以为大众所接受。
（2）考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力。电动摩托车中常用的是永磁直流电机或感应异步电机，应针对不同电机的发电效率特性，采取相应的控制手段。
（3）确保电池组在充电过程中的安全，防止过充。电动摩托车中常用的电池为镍氢电池、锂电池和铅酸电池，充电时，避免因充电电流过大或充电时间过长而损害电池。
由以上分析可得能量回收的约束条件：
（1）根据电池放电深度的不同，电池可接受的最大充电电流。
（2）电池可接受的最大充电时间。
（3）能量回收停止时电机的转速及与此相对应的充电电流值。
四、控制系统的设计
1、硬件设计
本系统控制中心要完成的工作是：对车速的测量计算、驾驶员对制动踏板力度的测量（这一步可以通过测量制动位置的方法来求出）、对油门位置的确认、电池状态的检测。为完成以上工作，并确保其可靠性、耐久性，必须要对系统硬件进行精心设计。
系统以ATMEGA16 8位单片为控制核心，有四个信号输入。
A、选择PD6为车速传感器输入，利用ATMEGA16的16位加计数定时器/计数器T/C1的输入捕获功能，计算两次输入脉冲的时间差，从而求出车速。车速传感器用霍尔传感器AH20检测，车轮转一周则AH20发出一次脉冲，输出图形如图3。
通过测出t2和t1时间差，即：
Δt=t2-t1
从而可得车速：V＝2πR/Δt
其中：R为车轮的半径
B、油门位置传感器用一个触点开关表示，联接MEGA16的PD4脚，当油门踏板不工作时，PD4脚为高电平，工作时PD4接地，此时PD4为低电平，表示油门踏板已经工作。
C、制动踏板信号用滑变电阻代替，当滑变电阻值改变时，其两端电压亦随其改变，通过测量其两端电压值就可知道当前制动踏板所处的位置。
制动踏板传感器输出接到MEGA16的PA0脚，MEGA16PA针脚带有模数转换功能，根据制动踏板位置传感器输出电压大小，就可以对驾驶员需要的制动力大小进行判断。
D、电池信号用美国DALLAS公司生产的DS2438蓄电池测量芯片来采集，通过DS2438对蓄电池的信息采集便可知蓄电池所处的状态（可充电或不可充电），从而达到保护蓄电池的目的。
DS2438是美国DALLAS公司近年生产的Battery Monitor系列芯片的一种专门用于电池检测的微电子芯片，该芯片内部集成了温度传感器、A/D转换器、电流积分器等电路，具有测量电池温度、电压、电流和累计电量等多项功能，测量功能强大且价格低廉，是一种高性能价格比的测量芯片。
DS2438为了跟踪测量电池的剩余电量而使用了一个集成电路累加器ICA（Integrated Current Accumulator）。ICA是一个累积电池组投入使用后的全部流入和流出电池电流的寄存器。所以ICA的值可以表示为电池的剩余电量。如上所述，电池电流是通过每27.46ms测量一次外接电阻Rsens上的电压获得的。根据此值的正、负而将其在ICA寄存器中加入或减除。ICA是一个8二进制位的计数器，它综合了每次测得的外接电阻Rsens上的电压。格式如下表所示:
正常情况下充满电的电池电量是1C。剩余电量可由下式计算得出：
剩余电量＝ICA×0.01（Ahr）
E、显示部分由LCD1602显示，其具有两行16字符的显示能力，能满足系统的显示要求。系统主要显示电池状态（剩余电量、充电或放电）、当前车速等信息，使驾驶员对制动回收系统进行实时监控。
2、软件设计
要完成对制动回收系统的控制，须完成对制动踏板位置、油门位置及车速的确认和测量。软件采用模块化的设计方法，即把功能分为若干个小部分，最后将各部分组合应用。本软件可分为：测速模块、制动踏板位置测量模块和油门位置确认模块、电池控制测量模块、显示模块等。此外加上一个主程序构成系统软件。五、试验结果分析
试验用车是自行设计的混合动力摩托车，装有100ml排量的发动机，350W功率的电机，供电电压为36V～48V，经过道路试验和标定，所研究开发的摩托车制动回收技术能如期实现。
1、制动距离
摩托车制动性能直接关系到驾驶员生命安全，因而其制动性能好坏应是混合动力摩托车制动能量回收系统可行性的重要评判指标。在电池电量SOC为40％时，将实验车从0km加速到35km/s，有/无制动功能回收系统制动距离对比。按GB5358《摩托车制动性能试验方法》或GB4562《轻便摩托车制动性能试验方法》进行。
2、蓄电池能量消耗
起始以蓄电池SOC为100％开始，经过五次试验，每次两辆车的行驶条件和行驶距离都一样，在完成50km距离后，蓄电池容量如表2所示。
通过对比制动距离和蓄电池能量消耗可知，制动能量回收系统在混合动力摩托车上的应用是可行的，并且很有发展潜力。
六、结束语
混合动力摩托车具有节能、环保等特点，适合现阶段我国的国情，具有很高的推广价值。而混合动力摩托车中的制动能量回收技术更是实现混合动力摩托车节油的关键技术。在今天，汽油摩托车生产技术已相对成熟，谁先拥有先进的技术谁就将是行业明天的佼佼者。
