隨著地球環(huán)境的變化，世界各國(guó)制定了嚴(yán)厲的法規(guī)以限制機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣污染物排放。有限的石油資源和日益提高的環(huán)保意識(shí)也促使汽車(chē)和摩托車(chē)必須降低燃油消耗和排放。我國(guó)摩托車(chē)年產(chǎn)量和保有量年年攀升，節(jié)能與環(huán)保問(wèn)題尤其突出。但摩托車(chē)受技術(shù)、成本及空間等方面的影響，降低油耗和排放的技術(shù)不及在汽車(chē)上成熟，所以有必要開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的摩托車(chē)新技術(shù)，使摩托車(chē)行業(yè)得以進(jìn)一步健康發(fā)展。
一、混合動(dòng)力摩托車(chē) 混合動(dòng)力摩托車(chē)指的是由兩種或兩種以上的動(dòng)力作為驅(qū)動(dòng)源的摩托車(chē)。目前我國(guó)摩托車(chē)主要是由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，受成本的限制，這種發(fā)動(dòng)機(jī)是化油器供油，于節(jié)油、環(huán)保都不利。在我國(guó)，電動(dòng)摩托車(chē)得到了一定的發(fā)展，技術(shù)相對(duì)比較成熟，所以以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源具有廣闊的發(fā)展空間。混合動(dòng)力摩托車(chē)可通過(guò)下列途徑達(dá)到節(jié)油目的：選擇較小功率發(fā)動(dòng)機(jī)；取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速；控制發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)工作；發(fā)動(dòng)機(jī)斷油；適當(dāng)增大電池SOC（State of Charge）窗口；回收再生摩托車(chē)制動(dòng)圈能量。
二、摩托車(chē)制動(dòng)圈能量回收技術(shù) 當(dāng)車(chē)輛滑行或制動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)摩托車(chē)通過(guò)機(jī)械制動(dòng)器系統(tǒng)將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，消耗在轉(zhuǎn)動(dòng)鼓（盤(pán)）上而浪費(fèi)掉。混合動(dòng)力摩托車(chē)由于加裝了電機(jī)系統(tǒng)，在車(chē)輛滑行或制動(dòng)時(shí)，可利用電機(jī)吸收能量，回饋到電池組中儲(chǔ)存起來(lái)。為了最大限度地回收再生制動(dòng)能量，控制策略應(yīng)是優(yōu)先由電機(jī)再生制動(dòng)，當(dāng)電機(jī)滿(mǎn)足不了整車(chē)制動(dòng)強(qiáng)度或電池的SOC達(dá)到最大限值時(shí)，機(jī)械制動(dòng)參與工作以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的可靠性。在制動(dòng)過(guò)程中，整車(chē)控制策略分配制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)最大限度地回收再生制動(dòng)能量。研究表明，電機(jī)再生制動(dòng)能量的回收可節(jié)油5％-12％。
三、制動(dòng)能量回收控制策略
1、摩托車(chē)制動(dòng)圈能量回收控制邏輯 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制的目標(biāo)是，在維持車(chē)輛原有制動(dòng)性能和滿(mǎn)足駕駛員制動(dòng)要求的基礎(chǔ)上，最大程度地回收車(chē)輛的動(dòng)能。 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)工作時(shí)，首先根據(jù)制動(dòng)踏板位移來(lái)判別駕駛員的制動(dòng)需求，然后根據(jù)制動(dòng)要求和車(chē)輛以及路面狀況來(lái)確定后輪摩擦制動(dòng)扭矩和回收制動(dòng)扭矩。在滿(mǎn)足駕駛員要求和車(chē)輪不趨于抱死的情況下，在驅(qū)動(dòng)輪上應(yīng)盡量增大由電機(jī)提供的回收制動(dòng)扭矩。當(dāng)回收制動(dòng)扭矩低于駕駛員所需求的制動(dòng)扭矩時(shí)，為了滿(mǎn)足駕駛員的制動(dòng)需求，應(yīng)使用摩擦制動(dòng)裝置產(chǎn)生摩擦制動(dòng)扭矩。在這種情況下回收制動(dòng)扭矩和摩擦制動(dòng)扭矩配合工作，達(dá)到制動(dòng)目的。圖1所示為回收制動(dòng)控制模塊內(nèi)部的控制邏輯。 在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中，回收制動(dòng)控制模塊根據(jù)電機(jī)的扭矩特征，決定可回收制動(dòng)扭矩的范圍，并傳遞給摩擦制動(dòng)模塊。摩擦制動(dòng)模塊根據(jù)駕駛員制動(dòng)需求，按保持摩托車(chē)的方向穩(wěn)定性和最大化能量回收的原則來(lái)初步?jīng)Q定前、后輪之間的制動(dòng)力比例和數(shù)值，以及回收制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力之間的比例和數(shù)值。之后，摩擦制動(dòng)控制模塊將計(jì)算出來(lái)的所需回收制動(dòng)扭矩的量值傳遞給回收制動(dòng)控制模塊，回收制動(dòng)控制模塊再據(jù)此去控制電機(jī)回收制動(dòng)能量。如果電機(jī)的回收制動(dòng)扭矩已經(jīng)達(dá)到其最大值時(shí)還不能滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)輪上的制動(dòng)需求，則剩余部分的制動(dòng)力矩由作用于該輪的摩擦制動(dòng)來(lái)補(bǔ)充。如果作用于電機(jī)的實(shí)際回收制動(dòng)扭矩為零，則驅(qū)動(dòng)輪上所有的制動(dòng)需求都由該輪的摩擦制動(dòng)來(lái)滿(mǎn)足。
2、摩托車(chē)制動(dòng)圈能量回收的約束條件 實(shí)用的能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：
（1）滿(mǎn)足制動(dòng)的安全要求，符合駕駛員的制動(dòng)習(xí)慣。制動(dòng)過(guò)程中，對(duì)安全的要求是第一位的，需要找到電剎車(chē)和機(jī)械制動(dòng)的最佳覆蓋區(qū)間，在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)摩托車(chē)，其制動(dòng)過(guò)程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程近似，這將保證在實(shí)際應(yīng)用中回收系統(tǒng)有吸引力，可以為大眾所接受。
（2）考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力。電動(dòng)摩托車(chē)中常用的是永磁直流電機(jī)或感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)針對(duì)不同電機(jī)的發(fā)電效率特性，采取相應(yīng)的控制手段。
（3）確保電池組在充電過(guò)程中的安全，防止過(guò)充。電動(dòng)摩托車(chē)中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池，充電時(shí)，避免因充電電流過(guò)大或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而損害電池。
由以上分析可得能量回收的約束條件：
（1）根據(jù)電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。
（2）電池可接受的最大充電時(shí)間。
（3）能量回收停止時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及與此相對(duì)應(yīng)的充電電流值。
四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1、硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)控制中心要完成的工作是：對(duì)車(chē)速的測(cè)量計(jì)算、駕駛員對(duì)制動(dòng)踏板力度的測(cè)量（這一步可以通過(guò)測(cè)量摩托車(chē)制動(dòng)圈位置的方法來(lái)求出）、對(duì)油門(mén)位置的確認(rèn)、電池狀態(tài)的檢測(cè)。為完成以上工作，并確保其可靠性、耐久性，必須要對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)以ATMEGA16 8位單片為控制核心，有四個(gè)信號(hào)輸入。
A、選擇PD6為車(chē)速傳感器輸入，利用ATMEGA16的16位加計(jì)數(shù)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C1的輸入捕獲功能，計(jì)算兩次輸入脈沖的時(shí)間差，從而求出車(chē)速。車(chē)速傳感器用霍爾傳感器AH20檢測(cè)，車(chē)輪轉(zhuǎn)一周則AH20發(fā)出一次脈沖，輸出圖形如圖3。 通過(guò)測(cè)出t2和t1時(shí)間差，即： Δt=t2-t1 從而可得車(chē)速：V＝2πR/Δt 其中：R為車(chē)輪的半徑
B、油門(mén)位置傳感器用一個(gè)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)表示，聯(lián)接MEGA16的PD4腳，當(dāng)油門(mén)踏板不工作時(shí)，PD4腳為高電平，工作時(shí)PD4接地，此時(shí)PD4為低電平，表示油門(mén)踏板已經(jīng)工作。
C、制動(dòng)踏板信號(hào)用滑變電阻代替，當(dāng)滑變電阻值改變時(shí)，其兩端電壓亦隨其改變，通過(guò)測(cè)量其兩端電壓值就可知道當(dāng)前制動(dòng)踏板所處的位置。 制動(dòng)踏板傳感器輸出接到MEGA16的PA0腳，MEGA16PA針腳帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，根據(jù)制動(dòng)踏板位置傳感器輸出電壓大小，就可以對(duì)駕駛員需要的制動(dòng)力大小進(jìn)行判斷。
D、電池信號(hào)用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS2438蓄電池測(cè)量芯片來(lái)采集，通過(guò)DS2438對(duì)蓄電池的信息采集便可知蓄電池所處的狀態(tài)（可充電或不可充電），從而達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的。 DS2438是美國(guó)DALLAS公司近年生產(chǎn)的Battery Monitor系列芯片的一種專(zhuān)門(mén)用于電池檢測(cè)的微電子芯片，該芯片內(nèi)部集成了溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電流積分器等電路，具有測(cè)量電池溫度、電壓、電流和累計(jì)電量等多項(xiàng)功能，測(cè)量功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉，是一種高性能價(jià)格比的測(cè)量芯片。 DS2438為了跟蹤測(cè)量電池的剩余電量而使用了一個(gè)集成電路累加器ICA（Integrated Current Accumulator）。ICA是一個(gè)累積電池組投入使用后的全部流入和流出電池電流的寄存器。所以ICA的值可以表示為電池的剩余電量。如上所述，電池電流是通過(guò)每27.46ms測(cè)量一次外接電阻Rsens上的電壓獲得的。根據(jù)此值的正、負(fù)而將其在ICA寄存器中加入或減除。ICA是一個(gè)8二進(jìn)制位的計(jì)數(shù)器，它綜合了每次測(cè)得的外接電阻Rsens上的電壓。格式如下表所示: 正常情況下充滿(mǎn)電的電池電量是1C。剩余電量可由下式計(jì)算得出： 剩余電量＝ICA×0.01（Ahr）
E、顯示部分由LCD1602顯示，其具有兩行16字符的顯示能力，能滿(mǎn)足系統(tǒng)的顯示要求。系統(tǒng)主要顯示電池狀態(tài)（剩余電量、充電或放電）、當(dāng)前車(chē)速等信息，使駕駛員對(duì)制動(dòng)回收系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2、軟件設(shè)計(jì) 要完成對(duì)制動(dòng)回收系統(tǒng)的控制，須完成對(duì)制動(dòng)踏板位置、油門(mén)位置及車(chē)速的確認(rèn)和測(cè)量。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，即把功能分為若干個(gè)小部分，最后將各部分組合應(yīng)用。
本軟件可分為：測(cè)速模塊、制動(dòng)踏板位置測(cè)量模塊和油門(mén)位置確認(rèn)模塊、電池控制測(cè)量模塊、顯示模塊等。此外加上一個(gè)主程序構(gòu)成系統(tǒng)軟件。五、試驗(yàn)結(jié)果分析 試驗(yàn)用車(chē)是自行設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力摩托車(chē)，裝有100ml排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，350W功率的電機(jī)，供電電壓為36V～48V，經(jīng)過(guò)道路試驗(yàn)和標(biāo)定，所研究開(kāi)發(fā)的摩托車(chē)制動(dòng)回收技術(shù)能如期實(shí)現(xiàn)。
1、制動(dòng)距離 摩托車(chē)制動(dòng)性能直接關(guān)系到駕駛員生命安全，因而其制動(dòng)性能好壞應(yīng)是混合動(dòng)力摩托車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可行性的重要評(píng)判指標(biāo)。在電池電量SOC為40％時(shí)，將實(shí)驗(yàn)車(chē)從0km加速到35km/s，有/無(wú)制動(dòng)功能回收系統(tǒng)制動(dòng)距離對(duì)比。按GB5358《摩托車(chē)制動(dòng)性能試驗(yàn)方法》或GB4562《輕便摩托車(chē)制動(dòng)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。
2、蓄電池能量消耗 起始以蓄電池SOC為100％開(kāi)始，經(jīng)過(guò)五次試驗(yàn)，每次兩輛車(chē)的行駛條件和行駛距離都一樣，在完成50km距離后，蓄電池容量如表2所示。 通過(guò)對(duì)比制動(dòng)距離和蓄電池能量消耗可知，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在混合動(dòng)力摩托車(chē)上的應(yīng)用是可行的，并且很有發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;
六、結(jié)束語(yǔ) 混合動(dòng)力摩托車(chē)具有節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，適合現(xiàn)階段我國(guó)的國(guó)情，具有很高的推廣價(jià)值。而混合動(dòng)力摩托車(chē)中的制動(dòng)能量回收技術(shù)更是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力摩托車(chē)節(jié)油的關(guān)鍵技術(shù)。在今天，汽油摩托車(chē)生產(chǎn)技術(shù)已相對(duì)成熟，誰(shuí)先擁有先進(jìn)的技術(shù)誰(shuí)就將是行業(yè)明天的佼佼者。■
