電動汽車制動能量回收控制策略的研究

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?yán)m(xù)駛里程。對制動模式進行了分類，并詳細(xì)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，給出了仿真模型及結(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 Simulink模型  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(xué)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(xí)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(fù)責(zé)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(xí)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)速為５００ｒ／ｍｉｎ時，充電電流小于６Ａ。可設(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(dǎo)可得，一次剎車回收能量Ｅ＝Ｋ１Ｋ２Ｋ３（ΔＷ－ＦｆＳ）。  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Ｆｆ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(rèn)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(xí)慣相符合，令制動力隨剎車時間呈線性增長，即Ｆｊ＝Ｆｏ＋Ｋｔ。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(rèn)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）：  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＝Ｉｔ＝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(dāng)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(dāng)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，?。疲埃剑玻常埃埃?、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(zhǔn)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，?。疲埃剑常埃埃埃?、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(xué)理論并結(jié)合其它相關(guān)方程可得仿真模型：  驅(qū)動力合力：Ｆｔ＝Ｆｆ＋Ｆｊ＋Ｆｉ＋Ｆｗ  其中,Ｆｔ為作用于車輪上的驅(qū)動力合力，Ｆｆ為滾動摩擦力，Ｆｊ為加速阻力，Ｆｉ為坡度阻力，Ｆｗ為空氣阻力。在城市工況下，Ｆｉ和Ｆｗ可忽略。  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。  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(yán)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。