??? 摘? 要: 電動汽車的驅(qū)動電機運行在再生發(fā)電狀態(tài)時,既可以提供制動力,又可以給電池充電回收車體動能,從而延長電動車續(xù)駛里程。對制動模式進行了分類,并詳細探討了中輕度剎車時制動能量回收的機制和影響因素。提出了制動能量回收的最優(yōu)控制策略" title="控制策略">控制策略,給出了仿真模型" title="仿真模型">仿真模型及結(jié)果,最后基于仿真模型及XL型純電動車對控制算法的效果進行了評價。?

??? 關(guān)鍵詞: 制動能量回收? 電動汽車? 鎳氫電池" title="鎳氫電池">鎳氫電池? Simulink模型

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??? 電動汽車(EV)的研究是在環(huán)境保護問題及能源問題日益受到關(guān)注的情況下興起的。在EV性能提高并逐步邁向產(chǎn)業(yè)化的過程中,提高能量的儲備與利用率是迫切需要解決的兩個問題。盡管蓄電池技術(shù)有了長足進步,但由于受安全性、經(jīng)濟性等因素的制約,近期不會有大的突破。因此如何提高EV能量利用率是一個非常關(guān)鍵的問題。?

??? 制動能量回收問題對于提高EV的能量利用率具有重要意義。電動汽車采用電制動時,驅(qū)動電機運行在發(fā)電狀態(tài),將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電,對延長電動汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。國外有關(guān)研究表明,在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下,有效地回收制動能量,可使電動汽車的行駛距離延長百分之十到百分之三十。?

??? 目前國內(nèi)關(guān)于制動能量回收的研究還處在初級階段。制動能量回收要綜合考慮汽車動力學特性、電機發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。研制一種既具有實際效用、又符合司機操作習慣的系統(tǒng)是有一定難度的。本文對上述問題作了一些積極的探索,并得出了一些有益的結(jié)論。?

1 制動模式?

??? 電動汽車制動可分為以下三種模式,對不同情況應(yīng)采用不同的控制策略。?

1.1 急剎車?

??? 急剎車對應(yīng)于制動加速度大于2m/s²的過程。出于安全性方面的考慮,急剎車應(yīng)以機械為主,電剎車同時作用。在急剎車時,可根據(jù)初始速度的不同,由車上ABS控制提供相應(yīng)的機械制動力。?

1.2 中輕度剎車?

??? 中輕度剎車對應(yīng)于汽車在正常工況下的制動過程,可分為減速過程與停止過程。電剎車負責減速過程,停止過程由機械剎車完成。兩種剎車的切換點由電機發(fā)電特性確定。?

1.3 汽車長下坡時的剎車?

??? 汽車長下坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時。在制動力要求不大時,可完全由電剎車提供。其充電特點表現(xiàn)為回饋電流較小但充電時間較長。限制因素主要為電池的最大" title="最大">最大可充電時間。?

??? 由于電動汽車主要工作在城市工況下,所以本文將研究重點放在中輕度電剎車上。?

2 制動能量回收的約束條件?

??? 實用的能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求:?

??? (1)滿足剎車的安全要求,符合駕駛員的剎車習慣。?

??? 剎車過程中,對安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機械剎車的最佳覆蓋區(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)的電動汽車的剎車過程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似,這將保證在實際應(yīng)用中,系統(tǒng)有吸引力,可以為大眾所接受。?

??? (2)考慮驅(qū)動電機的發(fā)電工作特性和輸出能力。?

??? 電動汽車中常用的是永磁直流電機或感應(yīng)異步電機,應(yīng)針對不同的電機的發(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程中的安全,防止過充。?

??? 電動汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時,避免因充電電流過大或充電時間過長而損害電池。?

??? 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間。?

??? (3)能量回收停止時電機的轉(zhuǎn)速及與此相對應(yīng)的充電電流值。?

??? 本項目原型車為XL型純電動車,驅(qū)動采用異步交流電機,額定功率為20kW,峰值功率為60kW,額定轉(zhuǎn)矩為53Nm,峰值轉(zhuǎn)矩為290Nm,持續(xù)輸出三倍額定轉(zhuǎn)矩時間不小于30s,額定轉(zhuǎn)速為3600r/min,最高轉(zhuǎn)速為9000r/min。蓄電池采用24節(jié)100Ah鎳氫電池,其瞬時充電電流可達1.5C(C為電池放電倍率),即150A。在充電電流為0.5C時,可持續(xù)安全充電。實驗表明,在電機轉(zhuǎn)速" title="電機轉(zhuǎn)速">電機轉(zhuǎn)速為500r/min時,充電電流小于6A?？稍O(shè)此點為電剎車與機械剎車的切換點。?

3 制動能量回收控制算法?

3.1制動過程分析?

??? 經(jīng)推導可得,一次剎車回收能量E=K₁K₂K₃(ΔW-F_fS)。?

??? 特定剎車過程中,車體動能衰減ΔW為定值。特定車型的機械傳動效率K₁和滾動摩擦力F_f基本上是固定的。對蓄電池來說,制動能量回收對應(yīng)于短時間(不超過20s)、大電流(可達100A)充電,因此能量回收約束條件(2)可忽略,充電效率K₃也可認為恒定。對于電機來說,在制動過程中,其發(fā)電效率K₂隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化而變化。制動距離S取決于制動力的大小和制動時間的長短。?

??? 由以上分析可知,如果電池狀態(tài)(包括放電深度、初始充電電流強度)允許,回收能量只與發(fā)電機發(fā)電效率和剎車距離有關(guān)。在滿足制動時間要求的前提下,通過調(diào)節(jié)電機制動轉(zhuǎn)矩可以控制電機轉(zhuǎn)速。?

3.2 控制算法?

??? 控制策略可描述為:在滿足剎車要求的情況下(由中輕度剎車檔位決定),根據(jù)能量回收約束條件(1)和(3)的不同值,確定最優(yōu)制動力,使回收的能量達到最大,即電流對時間的積分達到最大。為了與平常的剎車習慣相符合,令制動力隨剎車時間呈線性增長,即F_j=F_o+K_t。問題轉(zhuǎn)換為尋找最優(yōu)的制動力初值Fo和制動力增長系數(shù)K。?

??? 我國常用的轎車循環(huán)25工況^[1]規(guī)定,汽車最高速度不超過60km/h,加速度變化范圍為-1.5m/s²～1.5m/s²。為了體現(xiàn)城市工況下汽車制動的典型性,同時保證安全性和平穩(wěn)性,考察如下制動過程:電制動初始速度為60km/h(對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速為4500r/min),電制動結(jié)束速度為5.4km/h(對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速為500r/min),要求加速度的絕對值小于2m/s²,速度曲線盡量平滑。中度檔位剎車時規(guī)定制動時間為8s～12s,輕度檔位剎車時規(guī)定制動時間為12s～18s。下面只討論中度檔位剎車情況,輕度檔位剎車情況與之類似。?

??? 鎳氫電池(100Ah)在常溫以0.5C放電時,電池單體電壓變化范圍為12～15V,但電池主要工作于平臺段,即12.2～13V。為討論問題方便,認為電池單體端電壓為12.5V,總電壓等于300V。據(jù)此假設(shè),計算所得的充電電流誤差不超過6%。?

??? 電機在不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩運行時,實測的效率曲線類似指數(shù)函數(shù)。為了處理方便,可將效率曲線分三段線性擬合成如下函數(shù)(擬合誤差不超過5%,其中n為電機瞬時轉(zhuǎn)速):??

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??? 與此相對應(yīng),可將制動過程分成三個階段:?

??? 第一階段:電機轉(zhuǎn)速變化范圍為4500r/min～3600r/min,電機發(fā)電效率為0.9,要求制動時間t₁≤3s。?

??? 取制動轉(zhuǎn)矩為60Nm,即F₀=1860N,K=20,可得t₁=2.62s,平均加速度約為-1.29m/s²。計算可知,充電電流I單調(diào)減小,IMax=I_t=0=75.75A。?

??? 第二階段:電機轉(zhuǎn)速變化范圍為3600r/min～1500r/min,電機的發(fā)電效率變化范圍為0.9～0.82,要求制動時間t₂≤5s。?

??? 此時問題歸結(jié)為在約束條件下的最優(yōu)控制問題。經(jīng)仿真計算可知,回收能量值隨F₀、K的增加而單調(diào)增加,并且主要由F₀決定。當F₀較小時,K的變化對制動時間的影響較大。由于電機可運行在三倍過載(140Nm)的情況下,可得最大制動力為4300N。當F₀=4300N、K=30時,回收能量取最大值,為274.3(單位:安秒/As),平均加速度為-2.83m/s²。為了滿足剎車平穩(wěn)性的要求,取F₀=2300N、K=50。制動時間為4.71s,此時回收能量為262.8As,較最大值減少4.2%,而平均加速度為-1.68m/s²,僅為最大值的59.3%。此階段充電電流最大值為76.9A。為了準確描述能量回收的效果,引入了一個新的單位“安秒/As”(即時間以秒為單位對電流的積分)來衡量能量的大小。?

??? 第三階段:電機轉(zhuǎn)速變化范圍為1500r/min～500r/min,電機的發(fā)電效率變化范圍為0.82～0.6,要求制動時間t₃≤2s。?

??? 仿照第二階段的分析方法可得,取F₀=3000N、K=30時,制動時間為1.88s,回收能量為42.1As,平均加速度為-2.01m/s²。此時回收能量較最大值減少2.3%,而平均加速度為最大值的74.1%,此階段充電電流最大值為35.9A。?

4 仿真模型及結(jié)果?

??? 根據(jù)汽車動力學理論^[2]并結(jié)合其它相關(guān)方程可得仿真模型:?

??? 驅(qū)動力合力:F_t=F_f+F_j+F_i+F_w?

其中,F_t為作用于車輪上的驅(qū)動力合力,F_f為滾動摩擦力,F_j為加速阻力,F_i為坡度阻力,F_w為空氣阻力。在城市工況下,F_i和F_w可忽略。?

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??? 其中,車體質(zhì)量為M,瞬時車速為V,制動初始車速為V₀,電制動結(jié)束時車速為V₁,充電電流為I,電池端電壓為U。其它符號含義與前相同。?

??? 在Simulink環(huán)境下建立仿真模型,可得電機轉(zhuǎn)速曲線如圖1所示,充電電流曲線如圖2所示,回收能量曲線如圖3所示。?

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5 制動能量回收控制算法功效的評價?

??? 以初始速度為60km/h的電制動典型過程為例,經(jīng)仿真計算可得,回收能量占車體總動能的65.4%,其余的34.6%為機械剎車和電剎車過程中的損耗。以我國轎車25循環(huán)工況為例,考慮到摩擦阻力及各部分效率的問題,回收能量占總耗能的23.3%。?

??? 實驗證明,本文提出的制動能量回收控制策略是簡潔有效的。在典型城市工況下,配備能量回收系統(tǒng)的XL型純電動轎車運行可靠,可以延長續(xù)駛里程10%以上。?

6 其它相關(guān)問題的討論?

??? 鋰電池由于比能量高,也是EV常用的動力源。實驗證明國內(nèi)研制的鋰電池瞬時(20s)充電電流上限可達1C,對常用的80Ah鋰電池而言,其最大充電電流為80A左右。但是出于安全方面的考慮,如果把制動能量回收系統(tǒng)用于鋰電池系統(tǒng),需要嚴格的限流措施或?qū)㈦妱x車與機械剎車同時作用。?

??? 制動能量回收的另一種情況是汽車下長緩坡。我國規(guī)定城市道路坡度不超過8%,在此條件下,如果EV下坡速度為30km/h(n=2200r/min,效率=0.847),則制動充電電流為37.6A,對鎳氫電池來說不到0.4C,可以安全地持續(xù)充電。?

??? 盡管本課題針對純電動車,但由于混合動力車與純電動車的能量回收規(guī)律相似,因此以上討論同樣適用于各種混合動力車,主要區(qū)別在于電池放電倍率大小不同。?

參考文獻?

1 明平順,楊萬福. 汽車質(zhì)量與安全檢測. 北京:人民交通出版社, 1997?

2 余志生. 汽車理論第二版. 北京: 機械工業(yè)出版社,1996?

3 王沫然, 陳懷琛. Simulink4建模及動態(tài)仿真.北京:電子工業(yè)出版社,2002