山西中北大學(xué)研究生院車輛工程系 成龍 崔俊杰
再生制動(dòng)是電動(dòng)汽車[1,2,3,4,5]最重要的特性之一。再生制動(dòng)[1,2,3]是指在車輛減速或制動(dòng)時(shí),將其中一部分能量(車輛行駛動(dòng)能和坡路上汽車具有的勢(shì)能)轉(zhuǎn)化為其他形式能量存儲(chǔ)到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中以備驅(qū)動(dòng)時(shí)使用的過程。通常,電動(dòng)汽車借助二次元件電動(dòng)機(jī)被控制作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,在不增加輔助裝置的前提下,方便實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。這相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車而言更有優(yōu)勢(shì),而其研究目前正處于起步階段,有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。
傳統(tǒng)汽車的制動(dòng)原理[2]即利用制動(dòng)裝置把汽車行駛的動(dòng)能通過機(jī)械摩擦方式轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)掉,以達(dá)到使汽車制動(dòng)或減速的目的。制動(dòng)消耗的能量占到驅(qū)動(dòng)能量的很大一部分,如果能將這部分能量進(jìn)行回收,無疑將極大地提高汽車的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。再生制動(dòng)技術(shù)做到了這一點(diǎn),其理論節(jié)能分析如下:
當(dāng)汽車在平直無坡道路上行駛時(shí),其功率P表達(dá)式為:
式中:m為汽車總質(zhì)量;g為重力加速度;f為汽車滾動(dòng)阻力系數(shù);Cd為空氣阻力系數(shù);A為汽車迎風(fēng)面積;v為行駛車速;δ為汽車旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù),δ>1。(注:P≥0時(shí)為驅(qū)動(dòng)功率,p<0時(shí)為制動(dòng)功率)
需求總能量E表達(dá)式為:
當(dāng)E≥0時(shí)為驅(qū)動(dòng)能量[1,2,3,5],則在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí),蓄電池需要消耗的能量E1表達(dá)式為:
當(dāng)E<0時(shí)為制動(dòng)能量[1,2,3,5],則在制動(dòng)狀態(tài)時(shí),蓄電池需要回收的能量E2表達(dá)式為:
式中,η1為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率,η2為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的回收效率。
給定一組汽車參數(shù):m=1540kg;f=0.048;Cd=0.19;A=1.8m2;δ=1.05;η1=0.75;η2=0.65。分別在幾種典型運(yùn)行循環(huán)的回收工況下進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。由表可知,采用再生制動(dòng)可獲得較高的能量回收率。因此,再生制動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車的節(jié)能研究有重要的價(jià)值。
表1 典型運(yùn)行循環(huán)能量回收對(duì)比
電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)原理[2]即為在電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí),二次元件電動(dòng)機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行,將汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能保存至電能存儲(chǔ)系統(tǒng)中。在此過程中,負(fù)的電樞電流產(chǎn)生制動(dòng)性的轉(zhuǎn)矩以降低汽車的行駛車速。
圖1 二象限D(zhuǎn)C-DC變換器控制直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖
圖1為實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)控制的二象限D(zhuǎn)C-DC變換器工作原理圖。圖中U1、U2為驅(qū)動(dòng)電源電壓,其大小相等,方向相反;T1、T2為絕緣柵晶體管;D1、D2為續(xù)流二極管;M為直流電動(dòng)機(jī);U為蓄電池等效電壓;R為蓄電池等效電阻;C為外接電容。變換器的負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)的電樞?;趫D2所示,電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)原理可從以下三種狀態(tài)來進(jìn)行分析。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),T1、D2交替導(dǎo)通,T2始終截止。T1導(dǎo)通時(shí),蓄電池電壓加到電樞兩端,電流沿回路1流通;D2導(dǎo)通時(shí),電流沿回路2續(xù)流。通過調(diào)節(jié)T1的導(dǎo)通占空比例δ(δ=Ud/U),可以改變電樞兩端平均電壓Ud的大小。
制動(dòng)過程中,T2、D1交替導(dǎo)通,T1始終截止。T2導(dǎo)通時(shí),電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E產(chǎn)生反向電流并沿回路3流通,產(chǎn)生能耗制動(dòng);D1導(dǎo)通時(shí),反向電流沿回路4續(xù)流,對(duì)蓄電池充電。制動(dòng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的反向電流可獲得制動(dòng)性的電磁轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)。
在制動(dòng)狀態(tài)時(shí),出現(xiàn)T1關(guān)斷后,電流沿回路2短暫續(xù)流。當(dāng)電流衰減到0時(shí),D2兩端壓差降為0,此時(shí)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E使T2飽和導(dǎo)通,產(chǎn)生沿回路3的反向電流,形成短時(shí)間的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)T2關(guān)斷時(shí),反向電流沿回路4短暫續(xù)流。同樣,若反向電流衰減到0時(shí),反電動(dòng)勢(shì)E驅(qū)使T1導(dǎo)通,從而產(chǎn)生沿回路1的正向電流。所以,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)T1、D2、T2、D1輪流導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)與制動(dòng)狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。
綜上所述,在一個(gè)周期內(nèi)的0<t≤δT區(qū)間,蓄電池電壓通過T1或D1導(dǎo)通加在電樞兩端;在δT≤t<T區(qū)間,電動(dòng)機(jī)電樞通過T2或D2導(dǎo)通續(xù)流。因此,電動(dòng)機(jī)電樞電流始終流通,其端電壓為0,其平均電樞電流表達(dá)式為:
相應(yīng)的蓄電池充電平均電流表達(dá)式為:
回饋蓄電池的功率表達(dá)式為:
回饋蓄電池的功率對(duì)制動(dòng)功率的效率表達(dá)式為:
由上述公式可知,控制管T1的導(dǎo)通占空比δ,使之滿足0<δ<E/U,可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。
保證整車制動(dòng)性能的基礎(chǔ)上,最大限度地回收制動(dòng)能量,這是電動(dòng)汽車制動(dòng)策略的總體目標(biāo)。具體到實(shí)際結(jié)構(gòu),就必須考慮汽車的總制動(dòng)力需求、電動(dòng)機(jī)所能提供的最大功率和能量存儲(chǔ)裝置的充、放電限制等因素,并結(jié)合控制的難易程度及成本,來制定再生制動(dòng)的控制方法。
該控制策略通過對(duì)制動(dòng)過程中電樞電流的控制,以使回收功率達(dá)到最大。該策略的充電電流和回饋功率由公式(7),令 dP/dδ=0,得:
由上式可知,該策略的充電電流和回饋功率達(dá)到最大,回饋能量的最大效率≤50%。但該策略在車速較高時(shí),蓄電池的充電電流和電樞電流往往會(huì)超過限值。
整車回饋效率[2]為:取dηv/d Id=0,得最大回饋效率制動(dòng)策略的電動(dòng)機(jī)
電樞電流表達(dá)式為:
式中,Tv為電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,k為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù),ω為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,R為電動(dòng)機(jī)等效內(nèi)阻。
這種控制方法對(duì)電樞電流的控制,需要實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛阻力,增加了控制的不確定性,實(shí)用性較差。
為避免過大充電電流對(duì)蓄電池造成損害,現(xiàn)提出一種更實(shí)用的控制策略。即在制動(dòng)過程中,以蓄電池充電電流為被控對(duì)象,所選取的蓄電池充電電流必須滿足:
該策略雖然能保證蓄電池的安全充電,但隨著車速的降低,電樞電流持續(xù)上升,有可能超過電樞允許最大電流,所以必須對(duì)充電電流的大小加以限制。另外,當(dāng)制動(dòng)踏板的開度與充電電流相對(duì)應(yīng)時(shí),在相同的踏板開度下,隨著車速的降低,汽車將獲得逐漸增大的制動(dòng)力,這種現(xiàn)象不符合駕駛員的操作習(xí)慣。
綜上四種制動(dòng)控制策略的分析可知,對(duì)于電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng),要同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)駕駛員制動(dòng)感覺與駕駛?cè)加推嚨囊恢滦?、最大化的能量回收和制?dòng)安全性,可以考慮來自制動(dòng)踏板的制動(dòng)需求、車速、電動(dòng)機(jī)和蓄電池的電流限制等因素,綜合采用各種電動(dòng)機(jī)制動(dòng)方法。
面對(duì)能源和環(huán)境的壓力,發(fā)展電動(dòng)汽車,實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能與能量回收,在國(guó)際上已經(jīng)形成了廣泛共識(shí)。今后,對(duì)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)技術(shù)的研究主要有三個(gè)重點(diǎn)。重點(diǎn)一是能量回收,這是再生制動(dòng)技術(shù)的根本出發(fā)點(diǎn)。重點(diǎn)二是制動(dòng)防抱死功能。重點(diǎn)三是穩(wěn)定性控制。如何運(yùn)用現(xiàn)代智能控制方法,在兼顧制動(dòng)穩(wěn)定和安全性以及能量回收的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)實(shí)用方便的再生制動(dòng)系統(tǒng),是其研究方向之一。再生制動(dòng)技術(shù)作為汽車尤其是電動(dòng)汽車技術(shù)的重要組成部分,它的進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)對(duì)汽車技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生推動(dòng)力。
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