电动汽车能量再生制动系统的研究

电动汽车能量再生制动系统的研究摘要随着21世纪的到来，能源紧缺和环境污染问题对人类的日常生活和社会的良性发展所造成的负面影响愈发严重。其中，交通工具在给人类带来方便的同时，也给环境造成极大负担。纯电动汽车的出现可以较好的解决由燃油汽车所带来的环境污染和资源匮乏的问题。然而当前对电动汽车技术的研究还存在很多问题，尤其是对电池容量的研究迟迟未能取得较大的进展。而汽车制动能量回收再生系统的出现对汽车能量的利用率和续航能力都起到了不小的提升。本文选择的研究对象是由长安汽车公司生产的某款微型纯电动汽车。经过对该汽车的制动系统结构进行研究后，对其原型车的并联再生制动控制策略进行理论分析，并对其不足之处提出改进设想。在Simulink软件中结合原有的并联再生制动控制策略模型，增加一个在小制动强度时采用纯电机制动的回收控制子模块。同时为了进一步提高制动能量的回收效率，考虑到电机电池的工作效率会影响能量回收效果。本文设想通过求取电机电池联合高效工作曲线，并控制电机电池工作在较为理想的效率区域，建立了换挡控制策略子模块。最后选取几个不同的制动工况，对纯电动汽车改进后的再生制动控制策略进行仿真分析。通过对能够反映制动能量回收效果的评价指标进行对比，来验证改进设想的正确性。关键词：电动汽车，制动能量回收，控制策略，仿真分析

AbstractWiththeadventofthe21stcentury,thenegativeimpactofenergyshortagesandenvironmentalpollutiononhumandailylifeandthehealthydevelopmentofsocietyhasbecomemoreserious.Amongthem,transportationbringsconveniencetohumanbeings,butalsoimposesagreatburdenontheenvironment.Theemergenceofpureelectricvehiclescanbettersolvetheenvironmentalpollutionandresourceshortagecausedbyfuelvehicles.However,therearestillmanyproblemsintheresearchofelectricvehicletechnology,especiallytheresearchonbatterycapacityhasnotmadegreatprogress.Theemergenceofthecarbrakeenergyrecoveryandregenerationsystemhasnotgreatlyimprovedtheutilizationandenduranceofthecar'senergy.TheresearchtargetmodelselectedinthispaperisaminiaturepureelectricvehicleproducedbyChanganAutomobileCompany.Afterstudyingthestructureofthebrakesystemofthecar,thetheoreticalanalysisoftheparallelregenerativebrakingcontrolstrategyoftheprototypeiscarriedout,andtheimprovementoftheshortcomingsisproposed.IntheSimulinksoftware,combinedwiththeoriginalparallelregenerativebrakingcontrolstrategymodel,arecoverycontrolsub-modulewithpuremotorbrakingatasmallbrakingintensityisadded.Atthesametime,inordertofurtherimprovetherecoveryefficiencyofbrakingenergy,itisconsideredthattheworkingefficiencyofthemotorbatterywillaffecttheenergyrecoveryeffect.Thispaperproposestoestablishashiftcontrolstrategysub-modulebyobtainingthecombinedhigh-efficiencyworkingcurveofthemotorbatteryandcontrollingthemotorbatterytoworkinamoreidealefficiencyarea.Finally,severaldifferentbrakingconditionsareselectedtosimulateandanalyzetheimprovedregenerativebrakingcontrolstrategyofpureelectricvehicles.Thecorrectnessoftheimprovedvisionisverifiedbycomparingtheevaluationindicatorsthatreflectthebrakingenergyrecoveryeffect.Keywords:electricvehicle,brakingenergyrecovery,controlstrategy,simulationanalysis目录TOC\h\z\t"-章标题-,1,-节标题-,2,-条标题-,3"1 绪论 [15]。这里所建立的再生制动控制模型有比较大的限制，尚不能对所有的制动性能指标进行仿真分析。所以在制动性能方面，这里只选择对制动效能中的制动距离进行分析。根据汽车理论对汽车制动距离的定义：在汽车的行驶速度为v0时，从驾驶员开始操纵制动装置到汽车完全停住为止车辆所驶过的距离称之为汽车的制动距离。主要是由两部分组成这个汽车制动过程中的制动距离，分别是制动器起作用阶段汽车驶过的距离s1和制动器持续制动阶段汽车驶过的距离s2。对s1s1=s对s2进行计算s2=车辆制动过程中的总距离s：s=s1+因为τ1''很小，所以省去abmaxτ1''224项，s=s1+表4.1上述式子中部分字符释义最大制动减速度（m/sa制动力增长阶段经过的时间（s）τ制动初速度（km/h）u制动器开始响应阶段结束的时间（s）τ制动力开始增长阶段驶过的距离（m）s制动器开始响应阶段驶过的距离（m）s制动器起作用阶段驶过的距离（m）s=2\*GB3②制动能量回收效果。为了定量的分析制动能量回收效果，引入制动能量回收量Er和制动能量回收率ηr。循环工况过程中，在每一时刻对蓄电池充放电功率进行积分计算可以获得制动能量回收量Er如下式4.25所示Er=P最终回收到电池中的能量Er与汽车整个行驶过程中所消耗能量E的比值，我们称之为制动能量回收率ηηr=4.3常规制动工况下的计算分析由于这里是通过数学方法，定量的分析车辆在制动过程中的能量转换关系，所以默认电池SOC值在整个制动过程中都能够满足再生制动的要求。分别选取初始制动车速为30km/h，50km/h和80km/h三种情况在小制动强度z=0.1，即采取电机单独制动时，对车辆的再生制动距离以及制动能量回收率进行计算分析。4.3.1初始车速为30，50，80km/h时的计算结果这里通过定量分析的方法计算车辆在小制动强度z=0.1采用纯电机制动的再生制动过程。并假设车辆的末速度为v1=0，且在平直良好路面上制动z=0.1时，汽车处于轻度制动模式，为纯电机制动。所以Fu1=FuFre+F其中，由于汽车是在平直良好路面上制动，忽略此时汽车所受到的空气阻力，坡度阻力及加速阻力，FwFzu=式中ƒ为车辆滚动系数，ƒ=0.0076+0.000056v0v1vdv，Fre=z式中，z为制动强度，汽车再生制动过程中，制动距离S与车速v的关系为：S=1000由于车辆处于纯电机制动状态，所以前后轮摩擦制动器所耗散的热能等于0。由能量关系可得再生制动能量：Er考虑到电机电池工作效率，这里取其联合效率为0.8，所以实际制动能量回收率（ηr）ηr=ErE分别代入v0=30km/h，50km/h，80km/h到上述式子，得到的计算结果如下表4.2所示。表4.2在不同制动初始车速下的计算结果制动初始车速（km/h）305080制动距离(m)59135347制动能量回收率(%)49.353.152.74.3.2常规制动工况计算结果分析从计算结果可以看出，在z=0.1时采用在小制动强度时使用纯电机制动的能量回收率为50%左右远远比机械制动与电机制动并行制动的6%左右的回收率要高。同时，分析对比以上不同车速在小制动强度时的计算结果可以看出，无论制动时的初始车速是大是小，制动能量回收率都处于一个较高的水平。这说明，在满足ECE法规的要求条件下，当车辆所需的制动强度较小时（z≤0.1），采用纯电机再生制动，可以较为稳定的回收一定量的制动能量且此时的回收效率也比较高。4.4ECE循环工况下的仿真结果与分析4.4.1并联再生制动控制策略仿真结果设定电池初始SOC值为0.9，对并联再生制动控制策略进行仿真。如图4.18所示为电池SOC值、电池回收能量、总制动能量随时间的变化情况。该图片中各曲线的变化趋势皆为在ECE循环工况下对并联再生制动控制策略进行仿真所得到的结果。图4.18ECE工况下的仿真结果从仿真结果可以知道，在经过一个完整的ECE循环工况后，电池的SOC值由设定的初始值0.9变为结束时的0.8718。而车辆经由制动再生系统所回收到的能量Er在经过一个完整的ECE循环工况后电池SOC的变化值为：∆SOC=SOC始该车型的电池容量C为17.3kwh，将其换算为以焦耳为单位则有：C=17.3×1000×3600=62280000J（4.34）所以在一个完整的ECE循环工况中车辆所消耗的能量为：E=∆SOC×C=1756296J由制动能量回收率的定义可知此时整车的制动能量回收率为：ηr=表4.2ECE工况下并联再生制动控制策略制动能量回收仿真结果工况初始SOC结束SOC回收能量（KJ）能量回收率（%）ECE0.90.871831.752在一个完整的ECE循环工况中，由仿真和计算结果可以得出结论：采用并联再生制动控制策略在汽车行驶过程中进行制动能量回收，能量的回收效果不够理想，回收率比较低。造成这一结果的原因是，没有充分利用电机进行再生制动。因为当汽车制动时采用并联再生制动控制策略意味着机械制动力始终参与车辆制动，从而使电机所发挥的作用十分有限。4.4.2再生制动控制策略改进方案仿真结果从对并联再生制动控制策略的能量回收仿真结果可以看出，该控制策略对制动过程中制动能量的回收效果并不理想。而我们所研究的车型所采用的再生制动控制策略是无论在整车所需要的制动强度是大是小都采取有机械制动力和再生制动力共同作用的并联再生制动控制策略。这里提出的改进方案是在当车辆所需制动力较小，即制动强度小于一定数值时，采用电机单独制动。而据相关研究表明在多数循环工况下车辆的制动强度都比较小。考虑到在制动强度z≤0.1时，ECE法规对汽车前后轴制动力分配没有做任何要求。所以本文考虑在制动强度z≤0.1的时候，采用由电机单独提供制动力，此时只有在车辆前轴才存在制动力，而车辆后轴不存在任何制动力。在此做如下设计：取消原本车辆所存在的制动踏板空行程，取而代之的是在踏板空行程范围内使用电机单独制动并规定在此范围中的制动强度z≤0.1，这个时候驾驶员只需轻踩制动踏板，此时无机械制动力参与制动。当整车所需要的制动力进一步增大即此时z>0.1，继续踩下制动踏板，则车辆制动由电机单独制动模式进入并联再生制动控制模式，这个时候机械制动也会参与到车辆的制动过程中并与电机制动共同发挥制动作用。经过这样的改变可以对电机的再生制动能力的使用更加充分，同时为提高能量的回收效果增加了使电机电池更加高效工作的换挡机制。将改进后的再生制动控制策略的仿真结果与原车辆的控制策略仿真结果集合到同一个图中进行对比，可以得到一个ECE工况循环的电池SOC变化和电池回收能量变化图如图4.19。图4.19ECE工况下的仿真结果从仿真结果可以知道，在经过一个完整的ECE循环工况后，改进后的再生制动控制系统的电池的SOC值由设定的初始值0.9变为结束时的0.8810。而车辆经由制动再生系统所回收到的能量Er为211562焦耳。结合式（4.33），（4.34），（4.35）及（4.36）可以计算得出改进后的制动能量回收率为18%。表4.3为表4.3ECE工况下两个不同制动再生控制策略的仿真结果对比ECE工况初始SOC结束SOC回收能量（KJ）能量回收率%并联再生制动控制策略0.90.871831.752改进制动再生控制策略0.90.8810211.56218由以上的仿真结果可知，采用单一的并联再生制动控制策略作为车辆的制动再生策略对制动能量的回收非常低效，回收率仅为2%。而本文所提出的对原车辆的再生制动控制系统的改进方案效果十分显著，能够有效地提高制动能量回收率，回收率为18%。而且这种方法对原车的制动系统的改动较小，控制简单且开发成本比较低，因此在实际的车辆应用方面也是合理可行的。4.5本章小结结合汽车理论和电动汽车等相关课本知识，本章在Simulink软件中对纯电动汽车再生制动系统进行了在理论和数值上的框图建模。根据所建立的模型对纯电动汽车在常规制动工况和ECE循环工况下进行了计算和仿真分析。针对本文所选车型的制动能量回收率低的情况，本文提出了两种改进方案：在一定条件下对车辆实行电机单独制动和将原车辆使用的固定齿比单档变速箱换成有两个档位的变速箱。由常规制动工况的计算结果和ECE循环工况仿真结果表明，所提出的两种改进方案在提高车辆的制动能量回收率方面有着较为明显的效果。结论由于目前世人对纯电动汽车诟病较多，尤其是对其车载能量少，且充电极不方便这两个问题意见较大。而当前在汽车蓄电池方面的研究又迟迟未取得重大突破。而纯电动汽车的再生制动系统能够提高纯电动汽车蓄电池能量的利用率，降低整车的能耗，延长电动汽车的续驶里程。对电动汽车进行再生制动不仅能够有效的回收制动能量，还因为这项技术引入了电机制动力，使得机械制动器所受的负荷得到减轻，从而降低了制动过程中对机械制动器摩擦片的磨损程度，大大提高了摩擦片的使用寿命。本文的主要工作内容及研究成果如下：1总结分析了纯电动汽车应用的优点和缺点，并对其未来发展趋势进行展望。收集再生制动这项重要汽车技术的国内外研究现状的信息。2对汽车再生制动的影响因素及限制条件进行详细的分析。针对车辆在进行再生制动时会额外增加前轴的制动力，对整车的制动力分配造成影响。为保证纯电动汽车的制动安全性，在理论上分析计算出纯电动汽车制动力分配系数的合理变化范围。3为了能够使电动汽车的制动能量回收率得到进一步的提高，针对该车型提出在小制动强度时采取由电机单独制动的控制策略。同时为使制动能量的回收更为高效，在对电机和电池工作效率方面进行了理论研究的基础上，求取了电机电池联合高效工作曲线，并在理论上制定合理的换挡机制。4采用理论建模与数值建模相结合的方法，在Simulink软件中建立了纯电动汽车再生制动系统仿真模型中的部分子模块。结合Advisor原有的部分电动汽车电池和电机模型搭建了电动汽车的再生制动系统仿真模型。5在常规制动工况和ECE循环工况下，对所建立的再生制动系统模型进行了仿真分析。最后的仿真及计算结果表明，改进的再生制动控制策略确实能够有效的提高汽车的制动能量回收率。由此证明了本文所提出改进设想的合理性。参考文献李彭熙.车辆电液混合动力传动系统研究[D].重庆大学,2016.张子英,张保成.车辆制动能量回收再利用技术研究[J].节能技术,2010,28(03):213-217+235.叶永贞.电动汽车制动能量回收系统研究[D].青岛理工大学,2013.侯涛,徐佳.试论新能源汽车与能量回收技术[J].汽车与驾驶维修(维修版),2018(09):116-117.蒋励.基于理想制动力分配曲线的复合制动设计[J].汽车科技,2006(04):19-22.YiminGaoandMehrdadEhsani.ElectronicBrakingSystemofEVandHEV——IntegrationofRegenerationBraking,AutomaticBrakingForceControlandABS.SAEpaper,2001-01-2478.陈志朴.插电式CVT混合动力汽车再生制动控制策略研究[D].重庆大学,2014.王松涛.轮边驱动增程式电动客车扭矩协调控制策略研究[D].北京交通大学,2016.陈斌.纯电动汽车再生制动研究[D].重庆大学,2011.MichaelPanagiotidis,GeorgeDelagrammatikasandDennisAssanis.DevelopmentandUseofaRegenerativeBrakingModelforaParallelHybri