純電動(dòng)車輛的動(dòng)力匹配與再生制動(dòng)

俞駿，羅娟

(上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125)

0 引言

目前，我國(guó)在純電動(dòng)車輛方面對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用還處在初步發(fā)展階段，在動(dòng)力電池技術(shù)開(kāi)發(fā)和能量管理、對(duì)整車的設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)以及相關(guān)的政策法規(guī)等方面的技術(shù)都還不夠成熟。因此，對(duì)純電動(dòng)車輛技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探索，是提高純電動(dòng)車輛在運(yùn)行、維護(hù)和人工交互中安全性和可靠性的重要條件。

1 純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)匹配

分析現(xiàn)有純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行論證確定其匹配方案。根據(jù)電動(dòng)車輛的動(dòng)力類型可以將車輛動(dòng)力系統(tǒng)分為四大類，即混合動(dòng)力系統(tǒng)、電動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.1 純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)概述

純電動(dòng)車輛的動(dòng)力源是由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的電能和電動(dòng)機(jī)提供的電力進(jìn)行轉(zhuǎn)換而來(lái)的。純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)包括：動(dòng)力電池、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在純電動(dòng)汽車的運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再經(jīng)過(guò)一系列的復(fù)雜變換，最終實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)和啟動(dòng)。在動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，最重要的部分就是對(duì)整車的性能參數(shù)的計(jì)算與分析。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)研究，如果想要達(dá)到最佳的制動(dòng)效果，那么必須要對(duì)其制動(dòng)力矩的大小以及方向有一個(gè)合理的估算與選擇。

1.2 純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)匹配總體設(shè)計(jì)方案

如果在純電動(dòng)車輛的設(shè)計(jì)過(guò)程中做動(dòng)力系統(tǒng)匹配，就要考慮到下面的三個(gè)問(wèn)題：（1）純電動(dòng)車輛的動(dòng)力源和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇；（2）整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定；（3）車輛制動(dòng)器的設(shè)計(jì)以及電動(dòng)機(jī)的選型。在對(duì)純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行匹配的過(guò)程中，首先要保證其制動(dòng)系統(tǒng)在行駛過(guò)程中的安全性和可靠性，其次要確保能源的利用率最大化，最后還要考慮到如何最小化成本。本文從安全、效率、經(jīng)濟(jì)性等方面來(lái)對(duì)純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)提出一些基本的設(shè)計(jì)方案：第一，采用輪轂發(fā)動(dòng)機(jī)作為制動(dòng)的單元。第二，通過(guò)改變車輪的直徑大小來(lái)實(shí)現(xiàn)輪轂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到剎車的目的。第三，將輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量增加，使之與地面的摩擦力增大，減少制動(dòng)器的磨損量。第四，合理限制車輛速度，避免發(fā)生甩尾的現(xiàn)象。

根據(jù)下圖1中的內(nèi)容對(duì)純電車輛動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估：

1.3 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

若要驗(yàn)證純電動(dòng)車輛的制動(dòng)性能，可以采用兩種不同的方法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。一種是在車輛的底盤(pán)上設(shè)置一個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)控制單元的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車的制動(dòng)[1]。另一種是在制動(dòng)盤(pán)上施加制動(dòng)壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力的大小，就可以很容易達(dá)到剎車的效果。

2 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化分析

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配目標(biāo)

目前，我國(guó)使用的電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程僅為280公里，而世界上最大的純電動(dòng)汽車的保有量為2300萬(wàn)輛，其中美國(guó)的ESCO公司的再生制動(dòng)試驗(yàn)量為9500輛，日本和德國(guó)的再生制動(dòng)實(shí)驗(yàn)量均在200輛左右。根據(jù)資料顯示，從2012年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行了推廣，比如比亞迪、長(zhǎng)安、奇瑞等。但是因?yàn)槠鸩捷^晚，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還存在著一些技術(shù)難題，如蓄電池的充放電效率低，蓄電的利用率不高，以及車輛的維護(hù)成本高、安全性能低等。為了解決這些困難，提高能源的使用率與節(jié)約資源，我們提出了一種基于優(yōu)化算法的再生制動(dòng)系統(tǒng)的匹配目標(biāo)。實(shí)際演練時(shí)通過(guò)建立一個(gè)完整的數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的求解器，通過(guò)仿真驗(yàn)證，最終確定該方案的可行性及有效性。

2.2 純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化的動(dòng)力因素

電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池以及控制器等組成了純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，考慮到整車的性能和安全性，動(dòng)力電池的選擇至關(guān)重要。當(dāng)前在國(guó)內(nèi)大批量投入場(chǎng)景應(yīng)用的電池中，磷酸鐵鋰材料較為普遍，而錳酸鋰和三元為材料的電池在國(guó)外地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，每一種材料各自具備其在特定領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為最先大批量使用的電池材料，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的特性探索研究和無(wú)數(shù)次的應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試，其各方面的參數(shù)指標(biāo)都趨于穩(wěn)定，對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用需求，都可以達(dá)到預(yù)設(shè)的應(yīng)用效果。在對(duì)三元材料的探索中，逐步發(fā)現(xiàn)其能量密度較高、電池循環(huán)壽命較理想，相對(duì)適中的一致性和較高的可靠性，使得三元電池成為電池方案選項(xiàng)中的較優(yōu)選，尤其是在能量密度上的表現(xiàn)出眾。一般使用的錳酸鋰電池，其實(shí)也是在材料中添加了鈷等元素，提高了一定的能量密度。

2.3 純電動(dòng)車輛動(dòng)力總成控制系統(tǒng)的匹配因素

動(dòng)力總成控制系統(tǒng)的匹配是指車輛的動(dòng)力總成與整車的能量分配是否合理，以及在不同的工況下，對(duì)汽車的制動(dòng)和加速性能的影響程度：（1）制動(dòng)器的匹配。純電動(dòng)車輛的制動(dòng)器的匹配主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是制動(dòng)力矩的大小。二是制動(dòng)距離的遠(yuǎn)近；（2）再生壓力調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)。目前的純電動(dòng)車輛在行駛過(guò)程中需要用再生能量對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，因此為了達(dá)到最好的效果應(yīng)該設(shè)置一個(gè)充放電的時(shí)間間隔，這個(gè)期限的設(shè)定可以通過(guò)控制充放的次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)適當(dāng)控制充放電的頻率，可以優(yōu)化動(dòng)力電池的實(shí)際使用效果。

根據(jù)下圖2中的內(nèi)容對(duì)純電車輛動(dòng)力總成進(jìn)行評(píng)估：

2.4 純電動(dòng)車輛動(dòng)力總成控制系統(tǒng)匹配優(yōu)化建議

純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型的建立和實(shí)際的車輛運(yùn)行情況有很大的關(guān)系：（1）整車的動(dòng)力性與能量利用率之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)汽車的動(dòng)力性越高時(shí)，其匹配的性能也就越好；（2）純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，決定了其是否能夠有效提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和安全性；（3）在進(jìn)行再生制動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)電機(jī)的影響也是非常大的。電動(dòng)機(jī)的功率越大，在相同的工況下，電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就越大，要保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。因此需要通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充分充電，從而達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

根據(jù)下圖3中的內(nèi)容對(duì)純電車輛動(dòng)力總成優(yōu)化建議如下：

3 純電動(dòng)車輛再生制動(dòng)策略研究

通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前還沒(méi)有建立一套完整的再生制動(dòng)系統(tǒng)，主要是由于純電動(dòng)車的動(dòng)力源來(lái)自于蓄電池，其能量的利用率較低，而且其行駛過(guò)程中存在著很大的危險(xiǎn)性和不確定性。因此需要對(duì)再生制動(dòng)的方式進(jìn)行改進(jìn)，以提高車輛的安全性和可靠性。

3.1 純電動(dòng)車輛再生制動(dòng)策略的研究方案

再生制動(dòng)的主要目的是降低汽車的行駛風(fēng)險(xiǎn)性，提高車輛的使用壽命，從而達(dá)到節(jié)約能源的效果。而在實(shí)際的應(yīng)用中，再生制動(dòng)的作用也是非常重要的。因此，本文提出了一種基于能量回收的再生制動(dòng)策略，該策略的原理就是將傳統(tǒng)的動(dòng)力電池技術(shù)和純電動(dòng)汽車的整車匹配起來(lái)，通過(guò)對(duì)純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。在對(duì)純電動(dòng)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)以及其工作環(huán)境進(jìn)行分析后，可以建立起一個(gè)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)此模型，設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)單的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)方法的有效性和適用性。分析時(shí)建議采用單變量法，即把所有的參數(shù)都作為單因子，然后再取其中的最大值來(lái)代替其余的最小值，最后得到最佳的結(jié)果曲線。

3.2 純電動(dòng)車輛再生制動(dòng)策略仿真方案

基于純電動(dòng)車輛的能量回收利用問(wèn)題，建立純電動(dòng)車輛的再生制動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)仿真計(jì)算，驗(yàn)證該再生制動(dòng)系統(tǒng)的可行性和有效性。在車輛的實(shí)際運(yùn)行中，由于環(huán)境、行駛速度等因素的影響，車輪會(huì)出現(xiàn)不同程度的滑移和側(cè)滑現(xiàn)象。因此需要考慮到再生制動(dòng)將受到這些因素的影響。同時(shí)，在制動(dòng)過(guò)程中，還應(yīng)保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)變化。此外，為了確保再生制動(dòng)的安全性和可靠性，還應(yīng)使電池的剩余容量保持足夠的儲(chǔ)備來(lái)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的沖擊[2]。最后，我們必須對(duì)再生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)置，以達(dá)到最佳的仿真方案匹配并獲取最佳的數(shù)學(xué)模型。

下圖4為純電車輛再生制動(dòng)研究策略涵蓋內(nèi)容：

4 純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)再生制動(dòng)策略優(yōu)化方案

4.1 純電動(dòng)車輛再生制動(dòng)模式

汽車的再生制動(dòng)是指在車輛的整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)汽車的行駛速度低于規(guī)定的臨界值時(shí)，汽車可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臏p速來(lái)使其停止，從而實(shí)現(xiàn)停車的目的。當(dāng)汽車的制動(dòng)性能不正常，或者由于其他原因?qū)е碌能囕啽阑蚧D(zhuǎn)，就會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，此時(shí)需要考慮能量的回收利用問(wèn)題。市面上常見(jiàn)的能量再生模式主要為全電子再生制動(dòng)模式。這種模式是指將傳統(tǒng)的液壓式純電動(dòng)轎車的剎車系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)集成起來(lái)，然后再由蓄電池充電，經(jīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，最后由蓄電池產(chǎn)生的電瓶作為動(dòng)力源，這樣一來(lái)，不僅僅大大提高了整車的安全性和可靠性，而且還能有效緩解行車時(shí)的顛簸，減少交通事故的發(fā)生概率。

4.2 純電動(dòng)車輛再生制動(dòng)策略仿真驗(yàn)證方案

首先，通過(guò)仿真計(jì)算得到再生制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，然后利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，得出在不同的再生制動(dòng)器的情況下，車輛ABS的制動(dòng)力與能量的變化曲線，并根據(jù)數(shù)據(jù)的結(jié)果確定再生器的最佳參數(shù)。其次，對(duì)純電動(dòng)汽車的制動(dòng)過(guò)程和制動(dòng)響應(yīng)的影響因素建立模型，驗(yàn)證在相同的初始速度條件下，當(dāng)再生率達(dá)到最大時(shí)，車輪滑移率、空轉(zhuǎn)角、抱死角是否都會(huì)有較大的改變[3]。同時(shí)分析在同一初始加速度時(shí)，隨著再生率的增加，其余各因素的變化情況，以及峰值階段開(kāi)始、汽車停止的時(shí)間是否有很大的差異性。此外，也可以從衰減程度上進(jìn)行分析，驗(yàn)證導(dǎo)致純電動(dòng)車輛的停車性能較差的原因是否就是電動(dòng)車輛的平均空轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的空轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，同時(shí)注意和傳統(tǒng)燃油車輛相比較，分析空轉(zhuǎn)矩的下降幅度和上升速率，看是否存在下降幅度比傳統(tǒng)燃油車的大、而上升的速率卻較慢的現(xiàn)象[4]。

下圖5為純電車輛再生制動(dòng)策略優(yōu)化方案：

5 結(jié)語(yǔ)

從研究現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)純電動(dòng)車輛的發(fā)展還處在比較初級(jí)的階段，同國(guó)外的一些國(guó)家相比，在純電動(dòng)車輛的研發(fā)、運(yùn)行以及維護(hù)方面都存在著一定的差距和不足。本文針對(duì)現(xiàn)有的問(wèn)題提出了新能源汽車的概念及其特點(diǎn)，并對(duì)再生制動(dòng)的能量回收技術(shù)及方案做了相關(guān)的理論介紹，根據(jù)車輛的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出整車的再生制動(dòng)器方案，為該系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。