電動(dòng)汽車滑行工況能量回收規(guī)律探究

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

電動(dòng)汽車滑行工況能量回收規(guī)律探究

譚密，羅永革，黃兵峰，吳桐

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

以某型純電動(dòng)車為研究對(duì)象，旨在探究電動(dòng)汽車處于滑行工況時(shí)的能量回收規(guī)律。判斷了汽車是否處于滑行工況，分析了能量回收的條件和影響因素，確定了電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律；運(yùn)用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)汽車以不同擋位和初速度開(kāi)始滑行時(shí)的建模仿真，并完成實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明：電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩與實(shí)車測(cè)試轉(zhuǎn)矩基本一致，且在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，滑行車速越高且擋位越高時(shí)能量回收率越大。

電動(dòng)汽車；滑行工況；能量回收；實(shí)車測(cè)試

近年來(lái)我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量迅猛增長(zhǎng)，作為其核心技術(shù)之一的能量回收技術(shù)倍受關(guān)注。電動(dòng)汽車能量回收技術(shù)是一種汽車節(jié)能技術(shù)，當(dāng)電動(dòng)汽車處于滑行或者制動(dòng)工況時(shí)，將車輛動(dòng)能通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒▉?lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，所產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存于動(dòng)力電池中，減少能量以熱能形式耗散，有效提高能量利用率和汽車?yán)m(xù)駛里程。因此對(duì)電動(dòng)汽車能量回收規(guī)律進(jìn)行深入研究具有重大意義。

目前，對(duì)能量回收的研究重點(diǎn)主要集中在制動(dòng)工況。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的林雙武提出了基于滾動(dòng)優(yōu)化算法對(duì)能量回收進(jìn)行有限步尋優(yōu)［1］；清華大學(xué)的盧東斌等研究永磁同步電機(jī)在磁場(chǎng)定向控制下的制動(dòng)原理，提出電動(dòng)汽車最優(yōu)制動(dòng)能量回饋控制策略［2］；中國(guó)汽車技術(shù)中心的徐月云等通過(guò)道路實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)分析了電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量回收特性［3］；吉林大學(xué)初亮等結(jié)合汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)和ECE法規(guī)分析，提出一種基于全解耦式制動(dòng)系統(tǒng)的串聯(lián)式再生制動(dòng)控制策略［4］。從上述文獻(xiàn)中不難看出，對(duì)能量回收的研究更偏向于制動(dòng)工況而非滑行工況。文中以搭載AMT兩擋變速箱、采用永磁同步電機(jī)后置后驅(qū)的某型純電動(dòng)車為研究對(duì)象，重點(diǎn)探究電動(dòng)汽車滑行工況的能量回收規(guī)律。

1 電動(dòng)汽車滑行工況

1.1 滑行工況簡(jiǎn)介

滑行工況是電動(dòng)汽車（簡(jiǎn)稱“汽車”）行駛過(guò)程中的常見(jiàn)工況，是指在既沒(méi)有加速踏板也沒(méi)有制動(dòng)踏板信號(hào)輸入時(shí)，車輛在慣性作用下行駛的工況，通常分為空擋滑行和帶擋滑行。文中討論的滑行工況均屬于帶擋滑行。由此可見(jiàn)，擋位是判斷滑行工況的一個(gè)重要條件，但要全面準(zhǔn)確地判斷汽車是否處于滑行工況，必須同時(shí)滿足以下4個(gè)條件：擋位不為空擋、加速踏板開(kāi)度為零、制動(dòng)踏板開(kāi)度為零、車速大于汽車自動(dòng)起步工況穩(wěn)定車速。若4個(gè)條件中有任意一個(gè)不能滿足即認(rèn)為汽車退出滑行工況而進(jìn)入其他工況。根據(jù)實(shí)際的行駛狀況，汽車進(jìn)入滑行工況有3種途徑：1）從驅(qū)動(dòng)到滑行，指汽車在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)迅速松掉加速踏板；2）從制動(dòng)到滑行，指汽車在制動(dòng)減速狀態(tài)時(shí)迅速松掉制動(dòng)踏板；3）從自動(dòng)起步到滑行，指汽車在自動(dòng)起步后進(jìn)入長(zhǎng)下坡且車速大于自動(dòng)起步穩(wěn)定車速。

1.2 滑行工況受力分析

無(wú)論汽車是從驅(qū)動(dòng)到滑行還是從制動(dòng)到滑行，根據(jù)汽車行駛動(dòng)力學(xué)分析，汽車在平直路面處于滑行工況時(shí)主要受到滾動(dòng)阻力、空氣阻力和電機(jī)再生制動(dòng)力，3個(gè)力的合力使汽車產(chǎn)生一個(gè)滑行減速度，此時(shí)汽車處于減速滑行過(guò)程［5］：

式中：m為整備質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為車速；T為電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；ig為主減速比；i0為該擋傳動(dòng)比；r為車輪半徑；a為滑行減速度。其中T為負(fù)值，其大小直接反映汽車在滑行工況時(shí)能量回收的潛力。而汽車自動(dòng)起步后進(jìn)入長(zhǎng)下坡滑行且坡度足夠時(shí)，在自身重力作用下會(huì)產(chǎn)生的加速度使車速不斷增加，當(dāng)車速較高時(shí)屬于相對(duì)危險(xiǎn)的滑行情況。

2 能量回收規(guī)律

能量回收規(guī)律應(yīng)該保證汽車在整個(gè)滑行過(guò)程中能量回收的普適性、高效性和車輛在行駛方向上的平順度。作為能量回收的核心，電機(jī)應(yīng)充分發(fā)揮其準(zhǔn)確控制且響應(yīng)優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)，盡可能多地提高能量回收率，增加汽車?yán)m(xù)駛里程。

2.1 滑行工況能量回收的條件和影響因素

電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩能進(jìn)行能量回收增加汽車?yán)m(xù)駛里程，但必須滿足能量回收的條件方可進(jìn)行。一般而言，能量回收要滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速、再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、發(fā)電功率、電池SOC等一系列條件，若電機(jī)轉(zhuǎn)速較低、再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小、發(fā)電功率較低、電池SOC過(guò)高或者過(guò)低時(shí)則無(wú)需進(jìn)行能量回收。能量回收的最直接表現(xiàn)是電池的充電電流，能量回收率則是評(píng)價(jià)汽車經(jīng)濟(jì)性的重要參考［6］。

滑行工況能量回收的影響因素主要有控制策略、電機(jī)、電池、變速箱擋位以及汽車使用環(huán)境等。適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?duì)能量回收起決定性作用；電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子電阻和自身效率對(duì)能量回收有很大影響，同時(shí)電機(jī)及其控制器要工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、轉(zhuǎn)矩越大、功率越大，可回收能量就越多；電池作為能量回收后的存儲(chǔ)裝置，與能量回收關(guān)系密切，電池的溫度、充電電流、SOC、能量管理策略等都將對(duì)能量回收產(chǎn)生直接影響；當(dāng)擋位高時(shí)傳動(dòng)比較小所需轉(zhuǎn)矩就更大，可回收的能量更多，反之可回收的能量較少；汽車使用環(huán)境對(duì)能量回收的影響涉及路況、環(huán)境溫度和車況是否良好等，在車況良好、行車環(huán)境溫度適宜、路況平直低阻時(shí)，可回收能量越多。

2.2 目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的確定

在汽車滑行過(guò)程中，任意時(shí)刻的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩均由電機(jī)的特性曲線確定，在基速以下時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩保持恒定，其功率與轉(zhuǎn)速呈比例關(guān)系；基速以上時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加不斷減小，功率輸出保持恒定。由式（1）知轉(zhuǎn)矩和滑行減速度相關(guān)，而滑行減速度與初始車速和滑行距離相關(guān)：

式中：S為滑行距離；u0為初速度；u1為自動(dòng)起步工況穩(wěn)定車速；a為滑行減速度。

根據(jù)汽車實(shí)際要求，自動(dòng)起步工況穩(wěn)定車速為5 km·h-1；且在D1擋以20 km·h-1車速滑行時(shí)，最大滑行距離為30 m；在D2擋以45 km·h-1車速滑行時(shí)，最大滑行距離為150 m。同時(shí)由能量回收的條件對(duì)車速的要求，車速低于15 km·h-1（分別對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速D1擋2 000 r·min-1，D2擋850 r·min-1）時(shí)不回收能量。將這些數(shù)據(jù)代入式（1）～（2）后得滑行減速度為0.5 m?s-2，電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最大值分別在D1擋時(shí)為-2.3 N?m，D2擋時(shí)為-15 N?m。

根據(jù)上述分析計(jì)算，電機(jī)在不同擋位時(shí)的轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 滑行時(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律

電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩確定后，由當(dāng)前轉(zhuǎn)矩到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的變化過(guò)程，考慮到汽車行駛穩(wěn)定性和乘客的乘坐感受，要求轉(zhuǎn)矩不能產(chǎn)生突變。結(jié)合電機(jī)本身快速響應(yīng)的特點(diǎn)，在不出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩突變的前提下還要保證盡可能快的達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。在每個(gè)采樣時(shí)刻的電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化量由當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的差值確定。圖2所示提供了2種轉(zhuǎn)矩變化方式，即虛線表示線性變化規(guī)律和階梯形變化規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用中，由于線性變化規(guī)律對(duì)系統(tǒng)精度要求高，并且在當(dāng)前轉(zhuǎn)矩和目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的差值較小時(shí)適用性不佳；而階梯形變化規(guī)律簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)且適用性優(yōu)勢(shì)突出，因此文中轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律采用階梯形規(guī)律。

圖2 轉(zhuǎn)矩差值與實(shí)際轉(zhuǎn)矩變化量關(guān)系圖

3 Matlab/Simulink建模仿真

根據(jù)上述汽車滑行工況能量回收規(guī)律，運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行汽車滑行工況能量回收建模仿真，判斷汽車的行駛狀態(tài)并采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕M汽車滑行工況時(shí)能量回收情況，并通過(guò)能量回收率來(lái)表示：

式中：η為能量回收率；Er為滑行過(guò)程中整車動(dòng)能變化量；ΔE為滑行過(guò)程中所回收的能量值。

3.1 Matlab/Simulink建模

汽車在滑行工況能量回收流程圖如圖3所示。根據(jù)圖3所示流程運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行建模，選用汽車進(jìn)入滑行工況最普遍的從驅(qū)動(dòng)到滑行途徑，對(duì)比在擋位和初速度不同情況下回收能量值和能量回收率的影響。滑行工況能量回收控制模型如圖4所示，其中滑行子系統(tǒng)如圖5所示。

圖3 滑行工況能量回收控制策略流程圖

圖4 滑行工況能量回收控制模型

圖5 滑行子系統(tǒng)

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

根據(jù)汽車擋位和開(kāi)始滑行時(shí)初速度的不同，設(shè)置了對(duì)比仿真，分別進(jìn)行了D2擋時(shí)初速度分別為50 km·h-1、40 km·h-1、30 km·h-1的3次仿真和D1擋時(shí)初速度分別為40 km·h-1、30 km·h-1、20 km·h-1的3次仿真。由于AMT變速箱換擋控制策略和電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，D1擋時(shí)最高車速不會(huì)達(dá)到40 km·h-1，而只能達(dá)到36 km·h-1。汽車滑行工況回收的能量值和能量回收率仿真結(jié)果如表1所示。

表1 滑行工況回收能量值和能量回收率仿真結(jié)果表

3.3 實(shí)車驗(yàn)證

針對(duì)從驅(qū)動(dòng)到滑行的情況，在實(shí)車測(cè)試時(shí)根據(jù)汽車不同擋位和滑行初速度設(shè)置與仿真實(shí)驗(yàn)一一對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)滑行能量回收做具體分析。實(shí)車驗(yàn)證選擇平直開(kāi)闊路面且整個(gè)過(guò)程歷時(shí)較短，可認(rèn)為路況、電池SOC、汽車狀況、外圍環(huán)境等可能影響能量回收的因素均一致。數(shù)據(jù)采集是運(yùn)用專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與車上預(yù)留數(shù)據(jù)接口連接，在汽車行駛過(guò)程中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、和電池電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間間隔0.1 s的實(shí)時(shí)采集。根據(jù)實(shí)車測(cè)試結(jié)果，電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系對(duì)比曲線如圖6所示。由圖6中曲線可知：整個(gè)實(shí)車測(cè)試過(guò)程中，車輛運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)不正常抖動(dòng)或者沖擊狀況。在進(jìn)入滑行工況之后，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩根據(jù)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律由驅(qū)動(dòng)時(shí)較大的正轉(zhuǎn)矩迅速變到滑行時(shí)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。在同一擋位時(shí)，不同初始車速滑行時(shí)能量回收規(guī)律基本一致。在 D1擋、電機(jī)轉(zhuǎn)速為 2 500～5 500 r·min-1、再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為-1～-2.3 N·m，D2擋、電機(jī)轉(zhuǎn)速為850～5 500 r·min-1、再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為-5～-15 N?m時(shí)，電機(jī)發(fā)電對(duì)電池充電，實(shí)現(xiàn)能量回收。

圖6 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

4 總結(jié)

根據(jù)電動(dòng)汽車滑行工況能量回收規(guī)律的理論分析和Matlab/Simulink建模仿真以及實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證，得出結(jié)論：1）判斷電動(dòng)汽車是否進(jìn)入滑行工況時(shí)必須同時(shí)滿足擋位不為空擋、無(wú)加速踏板輸入、無(wú)制動(dòng)踏板輸入和電機(jī)轉(zhuǎn)速高于自動(dòng)起步工況穩(wěn)定轉(zhuǎn)速這4個(gè)條件；2）電動(dòng)汽車滑行工況能量回收控制策略中電機(jī)轉(zhuǎn)矩規(guī)律符合電機(jī)特性曲線，所采用的階梯形轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律簡(jiǎn)單高效易實(shí)現(xiàn)，適用性高且不會(huì)造成明顯抖動(dòng)或沖擊；3）電動(dòng)汽車滑行工況能量回收率與回收能量值均與擋位和初始車速有關(guān)，擋位相同時(shí)，能量回收規(guī)律基本一致；且在一定范圍內(nèi)，擋位高且初始車速大，能量回收率和回收能量值就越大。

［1］林雙武.電動(dòng)汽車制動(dòng)控制策略的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［2］盧東斌，李建秋，歐陽(yáng)明高，等.電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)最優(yōu)制動(dòng)能量回饋控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（3）：83-92.

［3］徐月云.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量回收特性研究［C］//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2014：4.

［4］初亮，何強(qiáng)，富子丞，等.純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2016（4）：244-251.

［5］王保華，郁俊杰.混合動(dòng)力客車制動(dòng)能量回饋及控制仿真研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（4）：1-5.

［6］楊亞娟，趙韓，朱茂飛.電動(dòng)汽車最大能量回收再生制動(dòng)控制策略的研究［J］.汽車工程，2013（2）：105-110.

Research on Energy Recovery Laws of Electrical Vehicles Under Sliding Condition

Tan Mi,Luo Yongge,Huang Bingfeng,Wu Tong
（School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

Taking an electric vehicle as the research object,the law of energy recovery was explored when the electric vehicle is in the sliding condition.The sliding condition was judged,the condition of the energy recovery and the influencing factors were analyzed,and the law of torque and the motor torque were determined.The model of the vehicle with different gears and initial velocity was estab?lished and simulated by Matlab/Simulink,and the real vehicle test verification was completed.The re?sults show that the target torque of motor is basically the same as that of the actual vehicle test,and the higher the glide speed and the higher the gear,the higher the energy recoveryisintheappropriate range.

electric vehicle;sliding condition;energy recovery;vehicle test

U469.72

A

1008-5483（2017）04-0058-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.04.013

2017-09-02

汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（2015XTZX04）；湖北汽車工業(yè)學(xué)院碩士研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（Y2016304）

譚密（1992-），男，陜西寶雞人，碩士生，從事汽車電子控制技術(shù)的研究。E-mail：912458323@qq.com