??? 摘? 要: 電動汽車的驅動電機運行在再生發電狀態時,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)的研究是在環境保護問題及能源問題日益受到關注的情況下興起的。在EV性能提高并逐步邁向產業化的過程中,提高能量的儲備與利用率是迫切需要解決的兩個問題。盡管蓄電池技術有了長足進步,但由于受安全性、經濟性等因素的制約,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,驅動電機運行在發電狀態,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重要的。國外有關研究表明,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。?

??? 目前國內關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,對不同情況應采用不同的控制策略。?

1.1 急剎車?

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

1.2 中輕度剎車?

??? 中輕度剎車對應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電特性確定。?

1.3 汽車長下坡時的剎車?

??? 汽車長下坡一般發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應滿足以下要求:?

??? (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。具有能量回收系統的電動汽車的剎車過程應盡可能地與傳統的剎車過程近似,這將保證在實際應用中,系統有吸引力,可以為大眾所接受。?

??? (2)考慮驅動電機的發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異步電機,應針對不同的電機的發電效率特性,采取相應的控制手段。?

??? (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速及與此相對應的充電電流值。?

??? 本項目原型車為XL型純電動車,驅動采用異步交流電機,額定功率為20kW,峰值功率為60kW,額定轉矩為53Nm,峰值轉矩為290Nm,持續輸出三倍額定轉矩時間不小于30s,額定轉速為3600r/min,最高轉速為9000r/min。蓄電池采用24節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,可持續安全充電。實驗表明,在電機轉速" title="電機轉速">電機轉速為500r/min時,充電電流小于6A。可設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,其發電效率K₂隨轉速和轉矩的變化而變化。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(包括放電深度、初始充電電流強度)允許,回收能量只與發電機發電效率和剎車距離有關。在滿足制動時間要求的前提下,通過調節電機制動轉矩可以控制電機轉速。?

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),根據能量回收約束條件(1)和(3)的不同值,確定最優制動力,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。問題轉換為尋找最優的制動力初值Fo和制動力增長系數K。?

??? 我國常用的轎車循環25工況^[1]規定,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。為了體現城市工況下汽車制動的典型性,同時保證安全性和平穩性,考察如下制動過程:電制動初始速度為60km/h(對應電機轉速為4500r/min),電制動結束速度為5.4km/h(對應電機轉速為500r/min),要求加速度的絕對值小于2m/s²,速度曲線盡量平滑。中度檔位剎車時規定制動時間為8s～12s,輕度檔位剎車時規定制動時間為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。據此假設,計算所得的充電電流誤差不超過6%。?

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

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??? 與此相對應,可將制動過程分成三個階段:?

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

??? 取制動轉矩為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單調減小,IMax=I_t=0=75.75A。?

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

??? 此時問題歸結為在約束條件下的最優控制問題。經仿真計算可知,回收能量值隨F₀、K的增加而單調增加,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:電機轉速變化范圍為1500r/min～500r/min,電機的發電效率變化范圍為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 仿真模型及結果?

??? 根據汽車動力學理論^[2]并結合其它相關方程可得仿真模型:?

??? 驅動力合力: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,車體質量為M,瞬時車速為V,制動初始車速為V₀,電制動結束時車速為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環境下建立仿真模型,可得電機轉速曲線如圖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,配備能量回收系統的XL型純電動轎車運行可靠,可以延長續駛里程10%以上。?

6 其它相關問題的討論?

??? 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用于鋰電池系統,需要嚴格的限流措施或將電剎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律相似,因此以上討論同樣適用于各種混合動力車,主要區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: 機械工業出版社,1996?

3 王沫然, 陳懷琛. Simulink4建模及動態仿真.北京:電子工業出版社,2002