純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制方法的研究

李秀芬 雷躍峰

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代汽車學(xué)院，山東 日照 276826）

0 引言

電動(dòng)汽車作為零排放零污染汽車，倍受關(guān)注。電動(dòng)汽車的技術(shù)關(guān)鍵是采用高能量和大容量的蓄電池來提高其續(xù)駛里程，這也是制約純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸，因此，制動(dòng)能量回收問題對(duì)提高電動(dòng)汽車的能源利用率有重要意義。

在汽車制動(dòng)過程中，是將汽車的動(dòng)能通過摩擦片的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，浪費(fèi)了大量的能量。有關(guān)研究表明，制動(dòng)能量占總驅(qū)動(dòng)能量的50%左右[2]，在電動(dòng)汽車上，這種被消散掉的制動(dòng)能量已經(jīng)可以通過將制動(dòng)能量再生回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆?chǔ)存在蓄電池里，并能將此進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)能量。研究表明，有效回收的制動(dòng)能量可使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程提高10%-30%[1]。

目前國內(nèi)對(duì)于電動(dòng)汽車回收制動(dòng)能量的技術(shù)還處于初級(jí)研究階段。具備能量回收的電動(dòng)汽車上的制動(dòng)系統(tǒng)，要求在最大限度回收制動(dòng)能量的同時(shí)還得保證汽車良好的制動(dòng)性能。因此，需要綜合考慮汽車動(dòng)力學(xué)特性/電機(jī)發(fā)電特性和蓄電池安全充電等多方面的問題，研制一種具有實(shí)際效用的制動(dòng)系統(tǒng)具有一定的難度。本文對(duì)以上問題進(jìn)行了積極探索，并取得一些有意義的結(jié)論。

1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是將制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能回饋給電池充電，使得能量能夠被再生利用，該功能是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)的。因此，電動(dòng)汽車上的制動(dòng)系統(tǒng)是再生-液壓混合制動(dòng)系統(tǒng)，本文以此為例介紹混合制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。如圖1所示。

圖1是典型的再生-液壓混合制動(dòng)系統(tǒng)，此系統(tǒng)中將前輪的制動(dòng)能量進(jìn)行回收，電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦制動(dòng)力共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)前輪的制動(dòng)。再生制動(dòng)力和傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的液壓制動(dòng)力的大小是由制動(dòng)控制器與電機(jī)控制器協(xié)同工作確定的。制動(dòng)能量由再生制動(dòng)控制模塊回收并回饋給電池，電動(dòng)汽車仍裝有 ABS，其作用與傳統(tǒng)燃油車上的相同。

圖1.再生-液壓混合制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

再生制動(dòng)系統(tǒng)的基本原理是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自感電動(dòng)式/反電動(dòng)勢(shì)將存儲(chǔ)在電樞中的磁場(chǎng)能量以及車體的動(dòng)能保存至蓄電池中[3]。

2 制動(dòng)能量回收的影響因素分析

影響制動(dòng)能量回收的因素有以下四個(gè)方面：

（1）電機(jī)的制動(dòng)能力與可回收的能量多少有重要關(guān)系。電機(jī)的制動(dòng)能力越強(qiáng)，可以回收的制動(dòng)能量就越多，續(xù)駛里程提高的就越多。電機(jī)的外特性決定了電機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下可輸出的最大再生制動(dòng)比例，如圖2所示，電機(jī)在轉(zhuǎn)速較高時(shí)處于恒功率發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)速較低時(shí)處于恒轉(zhuǎn)矩發(fā)電狀態(tài) ；其次電機(jī)的發(fā)電能力直接制約再生能量的多少。

（2）能否對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收及回收的多少取決于電池的荷電狀態(tài)SOC值和溫度，若制動(dòng)過程中電池的SOC值很高（例如0.85以上），或溫度過高（高于55℃），不能進(jìn)行制動(dòng)能量的回收或減小充電電流以保護(hù)電池及延長電池的使用壽命[4]。

圖2.再生制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)外特性

圖3.電池充電特性示意圖

（3）如圖3所示，從電池充電倍率與充電時(shí)間的關(guān)系可看出，電池的充電倍率上限為最大充電倍率。

（4）車輛制動(dòng)時(shí)，車速越高，制動(dòng)力矩越大，但是當(dāng)變速器置于高檔位時(shí)，電機(jī)再生制動(dòng)不能滿足制動(dòng)要求。檔位越低，制動(dòng)時(shí)所需扭矩越小，但此時(shí)電機(jī)的制動(dòng)扭矩過剩。

3 再生制動(dòng)動(dòng)態(tài)分配策略的分析

固定分配再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力之間比例的控制策略，在總的制動(dòng)力中，再生制動(dòng)的比例受到限制，不能滿足電動(dòng)汽車實(shí)際的需求[5]。為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，本文用動(dòng)態(tài)控制分配再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力之間比例的控制策略進(jìn)行研究。仿真中電動(dòng)汽車的參數(shù)：電機(jī)額定功率10KW，最大扭矩50NM，最高轉(zhuǎn)速8700r/min，電池采用鎳氫電池，單體電壓1.2V，標(biāo)稱電壓144V。

動(dòng)態(tài)分配控制策略主要依據(jù)是電機(jī)的最大放電能力和電池的充電能力以及當(dāng)前狀態(tài)下的電池狀態(tài)。在電機(jī)的發(fā)電能力范圍內(nèi)，當(dāng)電池的SOC值小時(shí)，再生制動(dòng)所占的比例就大[3]，反之，機(jī)械制動(dòng)所占的比例就大。當(dāng)動(dòng)態(tài)分配再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力的比例關(guān)系時(shí)，公式

中X為一個(gè)變量，其取值范圍0-100，此時(shí)電池的充電能力，電機(jī)的發(fā)電能力及當(dāng)前狀態(tài)下電池的SOC值決定X取值[2]。

將此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速n帶入上式可得：

評(píng)價(jià)再生制動(dòng)控制策略的其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是檢驗(yàn)制動(dòng)過程中能量回收的多少。能量回收的評(píng)價(jià)指標(biāo)是回收制動(dòng)能量占電動(dòng)汽車能量消耗的百分比，即整個(gè)工況的能量回收率。

為了更加接近真實(shí)的制動(dòng)工況，選定一個(gè)循環(huán)工況中的制動(dòng)情況，以變制動(dòng)加速度的方式制動(dòng)，得到數(shù)據(jù)圖4，圖5，圖6。

圖4.循環(huán)工況

圖5.電池電流

圖6 電池SOC值變化曲線

由仿真結(jié)果可知，在電池SOC值允許的情況下，再生制動(dòng)系統(tǒng)回收的能量能夠給蓄電池充電。仿真結(jié)果表明在一個(gè)循環(huán)工況下實(shí)際回收的能量為 33.142KJ，制動(dòng)能量回收效率為21%。

[1]馮能蓮,么局標(biāo),俞黎明,等.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34(12):1332-1338

[2]張培斌.再生制動(dòng)控制的研究與仿真[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[3]王智慧.電動(dòng)汽車動(dòng)力電源充放電技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2007.

[4]張毅,楊林,朱建新,等.電動(dòng)汽車能量回饋的整車控制[J].汽車工程,2005,27(1):24-27

[5]Y.Gao and M.Ehsani，Electronic braking system of HV and HEV-integration of regenerative braking, automatic braking force control and ABS, in Proceedings of the SAR 2001 Future Transportation Technology Conference Paper No.2001-01-2526,Costa Mesa, CA, AUG, 2001.