電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收控制策略

徐向明

(東風(fēng)悅達(dá)起亞汽車(chē)有限公司，江蘇 鹽城 224051)

1 制動(dòng)能量的回收

1.1 制動(dòng)模式

通常情況下，電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)模式包括緊急制動(dòng)、正常制動(dòng)和下長(zhǎng)坡制動(dòng)。

(1)緊急剎車(chē)。該過(guò)程機(jī)械摩擦制動(dòng)占主導(dǎo)地位，電制動(dòng)發(fā)揮輔助作用，制動(dòng)加速度超過(guò)2m/s2。因?yàn)榫o急制動(dòng)使用機(jī)會(huì)不多，持續(xù)時(shí)間也不長(zhǎng)，所以只能回收利用較少的能量。

(2)正常剎車(chē)。汽車(chē)在正常行駛出現(xiàn)的制動(dòng)有減速和停止2類(lèi)。前者依靠電制動(dòng)，并產(chǎn)生制動(dòng)能量；后者靠機(jī)械摩擦起到制動(dòng)效果。電機(jī)發(fā)電特性決定了制動(dòng)的切換點(diǎn)，掌握切換點(diǎn)的詳細(xì)情況才能最大程度地將制動(dòng)能量回收利用。

(3)下長(zhǎng)坡剎車(chē)。汽車(chē)在沿盤(pán)山公路下坡的時(shí)候會(huì)啟動(dòng)該模式。由于對(duì)制動(dòng)力要求較小，只需電制動(dòng)就能啟用制動(dòng)力，所以對(duì)于該制動(dòng)情況下的能量也可正常回收。然而除非在旅游山區(qū)接送游客的需要，一般情況下私家電動(dòng)汽車(chē)很少沿盤(pán)山公路行駛，所以回收能量的空間較小。

綜上所述，在正常制動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)該最大限度發(fā)揮電機(jī)再生制動(dòng)力的作用，提升電動(dòng)汽車(chē)的能源使用效率。

1.2 制動(dòng)能量回收的約束條件

(1)確保車(chē)輛行駛的安全性，制動(dòng)時(shí)應(yīng)符合司機(jī)的制動(dòng)習(xí)慣。安全性是電動(dòng)汽車(chē)在啟用制動(dòng)模式時(shí)需要堅(jiān)持的最重要原則。確定機(jī)械摩擦制動(dòng)和電制動(dòng)之間的最佳覆蓋區(qū)域，在保證安全的條件下，最大限度地回收能量。電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該同燃油汽車(chē)具有一定相似性，只有符合司機(jī)的駕駛習(xí)慣，才更容易吸引大眾。

(2)參照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電特性和輸出能力。電動(dòng)汽車(chē)一般采用的電機(jī)是感應(yīng)異步或永磁直流電機(jī)，要根據(jù)電機(jī)不同的發(fā)電效率，施加相應(yīng)控制方式。

(3)注意電池充電時(shí)間，避免出現(xiàn)過(guò)度充電情況。電動(dòng)汽車(chē)常用電池主要有鋰電池、鎳氫電池和鉛酸電池。如果充電時(shí)通過(guò)的電流過(guò)大或超出合理充電時(shí)間，必然會(huì)對(duì)電池造成損害。

2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制策略

2.1 汽車(chē)制動(dòng)動(dòng)力學(xué)和法規(guī)限制

大量研究表明，當(dāng)施加在前軸和后軸的作用力同法向作用力成正比時(shí)，能最大限度地利用地面附著條件，汽車(chē)行駛的狀態(tài)也最穩(wěn)定，此時(shí)的制動(dòng)效果也是最好的。從物理角度分析制動(dòng)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孛孀畲蟾街θ缘陀谲?chē)輪制動(dòng)力時(shí)，車(chē)輪抱死，穩(wěn)定性驟然被都打破。根據(jù)附著系數(shù)變動(dòng)，我們得到前軸抱死時(shí)前后軸制動(dòng)力分配線(xiàn)組(f線(xiàn)組)。

國(guó)際上法律規(guī)定當(dāng)汽車(chē)的附著系數(shù)ψ在0.2～0.8區(qū)間內(nèi)時(shí)，其制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.1+0.85(ψ-0.2)。車(chē)輛在不同情況下的裝載狀態(tài)時(shí)，后軸利用附著系數(shù)曲線(xiàn)應(yīng)該在前軸利用附著系數(shù)曲線(xiàn)的下方，ECE法規(guī)曲線(xiàn)就此應(yīng)運(yùn)而生。

從汽車(chē)制動(dòng)動(dòng)力學(xué)和制動(dòng)法規(guī)的角度分析不難發(fā)現(xiàn)，在由橫軸、f曲線(xiàn)、I曲線(xiàn)和ECE法規(guī)線(xiàn)所“圈”出來(lái)的陰影部分，就是前后軸制動(dòng)力分配點(diǎn)所處的位置。

制動(dòng)力分配特征點(diǎn)為O、A、B、C、D、E點(diǎn)，連線(xiàn)DE為某一制動(dòng)強(qiáng)度下前、后軸制動(dòng)力的分配變動(dòng)線(xiàn)。按照最大程度回收前軸制動(dòng)能量的原則，當(dāng)分配點(diǎn)在O-A-B-C這條變動(dòng)幅度較大的線(xiàn)上時(shí)，作用在前軸上的制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)最大化，可是由于過(guò)于偏離I曲線(xiàn)，導(dǎo)致制動(dòng)不能處于平穩(wěn)狀態(tài)且效果不佳。

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性制動(dòng)力分配策略

在某種制動(dòng)強(qiáng)度下，從D點(diǎn)到E點(diǎn)的連線(xiàn)呈現(xiàn)前、后軸制動(dòng)力分配的變動(dòng)范圍。所以要基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性將再生制動(dòng)力的范疇計(jì)算出來(lái)。在知道制動(dòng)強(qiáng)度z的前提下，控制策略如下：

當(dāng)點(diǎn)①為再生制動(dòng)力時(shí)，F(xiàn)1大于點(diǎn)E處最大制動(dòng)力FE，制動(dòng)依靠電機(jī)提供。此時(shí)E點(diǎn)為制動(dòng)力分配點(diǎn)。

當(dāng)點(diǎn)②為再生制動(dòng)力時(shí)，F(xiàn)2比前軸最大制動(dòng)力FE小，且比I曲線(xiàn)確定的前軸制動(dòng)力最小值Fi大，制動(dòng)依靠再生制動(dòng)力F2。此時(shí)點(diǎn)②為制動(dòng)力分配點(diǎn)。

當(dāng)點(diǎn)③為再生制動(dòng)力時(shí)，F(xiàn)3比I曲線(xiàn)確定的前軸最小制動(dòng)力Fi小，前軸制動(dòng)器摩擦制動(dòng)力Fc起到補(bǔ)償作用，即Fc=Fi-F3。此時(shí)點(diǎn)D為制動(dòng)力分配點(diǎn)。

在特殊條件下，若要求制動(dòng)強(qiáng)度需超過(guò)路面附著極限，只能獲得C點(diǎn)所在的制動(dòng)強(qiáng)度。此時(shí)點(diǎn)C為制動(dòng)力分配點(diǎn)。

基于上述的種種分析，在保證制動(dòng)強(qiáng)度的前提下，制動(dòng)力分配策略決定了后軸上的摩擦制動(dòng)力。

2.3 電池耐受性分析及控制策略

給電池充電時(shí)，開(kāi)路電壓應(yīng)高于電池當(dāng)前荷電狀態(tài)SOC下的電池電動(dòng)勢(shì)U及內(nèi)阻電壓，通過(guò)開(kāi)路電壓值和電機(jī)制動(dòng)功率就能把充電電流I測(cè)算出來(lái)。就電池耐受性的約束條件，可以獲得以下電池充電控制策略：(1)如果SOC超過(guò)95%，回收制動(dòng)能量是不可取的；(2)已知電機(jī)轉(zhuǎn)速得知電壓和充電功率，以此作為測(cè)算充電電流I的數(shù)據(jù)依據(jù)，如果電池安全比充電電流小，那么還是不對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收；(3)以電池放電深度和充電電流大小，對(duì)安全充電的累計(jì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)算，如果比充電電流安全充電時(shí)間長(zhǎng)那么就不能對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。

3 仿真測(cè)試

通過(guò)上文對(duì)制動(dòng)能量回收控制策略的分析后建立仿真模型。仿真過(guò)程建立NEDC工況，對(duì)電機(jī)實(shí)際相應(yīng)扭矩、車(chē)速信號(hào)和高壓電池荷電狀態(tài)(SOC0)進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，在再生制動(dòng)的加持下，電池SOC從95%被削減到50%，續(xù)駛歷程從不到3個(gè)ECE工況擴(kuò)至3.25的NEDC工況，里程大約增加了10.2%。

電流積分將電池蓄電量和放電量作為計(jì)算的核心要素，比較容易就能獲得能量回收率；扭矩積分則將整車(chē)動(dòng)能作為計(jì)算參考，以車(chē)速減慢、制動(dòng)能量回收發(fā)揮作用為起始點(diǎn)，整車(chē)總動(dòng)能為基準(zhǔn)，制動(dòng)過(guò)程的即時(shí)線(xiàn)速度和制動(dòng)扭矩相乘后得到的數(shù)值為積分，由此獲取全部回收的能量，電流積分和扭矩積分的比值就是能量回收率。

4 結(jié)語(yǔ)

以上是筆者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收技術(shù)進(jìn)行的分析和探究，并重點(diǎn)探討了制動(dòng)力分配和控制策略，并通過(guò)建立仿真模型對(duì)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，希望能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收的研究提供參考。