電動汽車制動能量回收控制策略的研究

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(jī)運(yùn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行了評價。

電動汽車（ＥＶ）的研究是在環(huán)境保護(hù)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(jìn)步，但由于受安全性、經(jīng)濟(jì)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(jī)運(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械剎車完成。兩種剎車的切換點由電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)或感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)針對不同的電機(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(jī)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(jī)，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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)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(qiáng)度）允許，回收能量只與發(fā)電機(jī)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(jī)制動轉(zhuǎn)矩可以控制電機(jī)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(dá)到最大，即電流對時間的積分達(dá)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＋

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