纯电动轿车制动能量回收系统研究

纯电动轿车制动能量回收系统研究 摘要 目前国内对于电动汽车回收制动能量的技术还处于初级研究阶段 具备能量回收的电动汽车上的制动系统 要求在最大限度回收制动能量的同时 还得保证汽车良好的制动性能 因此 需要综合考虑汽车动力学特性 电机发电 特性和蓄电池安全充电等多方面的问题 研制一种具有实际效用的制动系统具 有一定的难度 本文主要对纯电动轿车制动能量回收系统进行了分析研究 关键词 纯电动汽车 制动能量回收 测试 一 制动能量回收系统的结构及原理 电动汽车的制动能量回收系统是将制动时的动能转换成电能回馈给电池充 电 使得能量能够被再生利用 该功能是由驱动电机的控制电路实现的 因此 电动汽车上的制动系统是再生 液压混合制动系统 本文以此为例介绍混合制动 系统的结构和原理 如图 1 所示 图 1 是典型的再生 液压混合制动系统 此系统中将前轮的制动能量进行 回收 电机产生的再生制动力与传统制动系统产生的摩擦制动力共同作用实现 对前轮的制动 再生制动力和传统制动系统产生的液压制动力的大小是由制动 控制器与电机控制器协同工作确定的 制动能量由再生制动控制模块回收并回 馈给电池 电动汽车仍装有 ABS 其作用与传统燃油车上的相同 图 1 再生 液压混合制动系统的结构 再生制动系统的基本原理是通过电机驱动的自感电动式 反电动势将存储在 电枢中的磁场能量以及车体的动能保存至蓄电池中 二 制动能量回收的影响因素分析 影响制动能量回收的因素有以下四个方面 1 电机的制动能力与可回收 的能量多少有重要关系 电机的制动能力越强 可以回收的制动能量就越多 续驶里程提高的就越多 电机的外特性决定了电机在当前转速下可输出的最大 再生制动比例 如图 2 所示 电机在转速较高时处于恒功率发电状态 转速较 低时处于恒转矩发电状态 其次电机的发电能力直接制约再生能量的多少 图 2 再生制动时电动机外特性 2 能否对制动能量进行回收及回收的多少取决于电池的荷电状态 SOC 值和温度 若制动过程中电池的 SOC 值很高 例如 0 85 以上 或温度过高 高于 55 不能进行制动能量的回收或减小充电电流以保护电池及延长电 池的使用寿命 3 如图 3 所示 从电池充电倍率与充电时间的关系可看出 电池的充 电倍率上限为最大充电倍率 图 3 电池充电特性示意图 4 车辆制动时 车速越高 制动力矩越大 但是当变速器置于高档位时 电机再生制动不能满足制动要求 档位越低 制动时所需扭矩越小 但此时电 机的制动扭矩过剩 三 控制策略设计 本文所选用的控制策略为并行制动控制策略 见图 4 这种制动力分配控 制策略是在传统汽车定比例制动力分配控制策略思想的基础上发展起来的 能 够弥补最佳制动能量回收控制策略和理想制动力分配控制策略实现较复杂的缺 陷 整车制动系统的动态响应较快 是一种具有工程应用价值的制动力分配控 制策略 传统汽车前后制动器制动力分配关系 1 式中 Fbf 前轴制动力 Fbr 后轴制动力 Fb 整车总制 动力 前后轴制动力分配系数 本文研究的纯电动轿车为前置前驱车型 可在前轴加入电机制动力 引入 电机制动力分配系数 reg 定义如下 2 式中 Freg 电机制动力 Fbff 前轴液压制动力 根据式 1 和式 2 可确定纯电动轿车的总制动力为 3 在确保制动安全性和驾驶员踏板感的前提下 制动力分配控制策略设计如 下 1 0 z 0 1g 整车制动力全部由电机产生 以回收尽可能多的制动能 量 整车制动模式为前轴电机制动模式 即 Fb Freg 2 0 1g0 7g 紧急制动工况 必须保证 制动安全性 电机制动力退出 整车制动力完全由液压制动产生的模式 前轴 液压制动 后轴液压制动 即 Fb Fbf Fbr 图 4 制动能量回收控制策略 四 动汽车整车制动能量回收测试 1 试验车辆选定 利用搭建的制动能量回收系统测试平台和数据处理方法 对某电动汽车的 制动能量回收进行研究分析 试验车辆参数见表 1 表 1 试验车辆参数 2 试验方案 试验车辆在底盘测功机上运行 NEDC 工况 各传感器的布置情况 设定各 传感器的采样频率为 1 Hz NEDC 中制动工况是分别由 7 种不同的恒定减速 度构成的 且部分制动过程由多个不同减速度的连续制动工况组成 因此将 1 个或多个连续的制动工况看作一个制动片段进行研究 如表 2 和图 5 所示 表 2 NEDC 制动工况片段参数 图 5 NEDC 制动工况片段划分 3 试验结果分析 试验后对 NEDC 制动工况中 7 个制动片段的电池充电能量 半轴回收能 量及整车动能进行统计处理 结果见图 6 图 6 不同制动片段下的能量变化 由图 6 可看出 制动片段 A 的半轴回收能量和电池充电能量均为 0 3 kJ 左右 主要原因是片段 A 的制动初速度为 15 km h 整车动能的变化较 小 由地面摩擦和风阻等因素造成的动能变化与车辆本身的动能变化相当 电制动系统几乎不参与制动过程 因此造成半轴回收能量和电池充电能量均非 常低 在市区循环中 制动片段 B 片段 D 的制动初速度和减速度比较接近 因 此电池充电能量 半轴回收能量和整车动能基本保持平稳 随着制动初速度的 增加 市郊循环中制动片段 E 片段 F 的电池充电能量 半轴回收能量和整车 动能均有大幅度增加 特别是在制动片段 F 制动初速度为 120 km h 时各能 量均达到最大值 整体来看 3 种能量的变化趋势基本一致 即当动能变化量 较大时 半轴回收能量和电池充电能量也会随之增加 在制动初速度由 70 km h 提高到 120 km h 时 车辆的动能变化量最大 约提高了 5 倍 而半轴 上回收的能量和电池充电能量提高了 10 倍以上 图 7 为不同制动片段下的效率变化 由图 7 可看出 在不同的制动片段 下 车辆的制动转化率基本保持在 80 左右 主要原因是车辆的制动转化率主 要受车辆发电机和电池充电效率的影响 而车辆的行驶状态对其影响很小 因 此在测试循环中制动转化率基本保持不变 制动片段 A 的制动可回收率为 2 2 制动回收率为 1 8 这主要是由于片段 A 的制动初速度较低 发电 机在低转速时无法提供高的充电电压造成的 同时与车辆的制动控制策略相关 在制动片段 B 片段 E 下 制动可回收率和制动回收率基本保持在 18 20 而在制动片段 F 下制动可回收率和制动回收率分别达到 36 4 和 30 6 其主要原因是制动初速度高达 120 km h 同时制动减速度也明显高于其 它制动片段 图 7 不同制动片段下的效率变化 表 3 为整个 NEDC 工况下制动能量和转化率结果 表 3 NEDC 工况的制动能量和转化率 由表 3 可知 在整个 NEDC 工况下车辆的制动回收率约为 21 55 市郊 循环 Part2 的制动可回收率和制动回收率约是市区循环 Part1 的 2 倍 其 主要原因是 Part1 的制动初速度分布在 15 50km h 制动减速度为 0 52 0 92m s2 而 Part2 的制动初速度为 70 120km h 制动减速度为 0 69 1 34m s2 相对 Part1 Part2 的制动初速度和减速度均有大幅增加 且制动 工况的时间较长 从各制动片段和整个制动工况来看 制动初速度和减速度对 制动可回收率和制动回收率有很大的影响 而对制动转化率影响较小 此外 NEDC 制动工况中制动初速度和减速度相对比较单一 难以反映车 辆在各种制动初速度和减速度下制动能量和制动效率的分布特征 进而影响对 电动汽车制动能量回收系统的评价 因此建议开发一套适用于评价电动汽车制 动能量回收系统的测试工况 结束语 制动能量回收是纯电动车产品开发的关键技术之一 该系统开发需同时考 虑制动安全性 能量回收效率及驾驶舒适性 而控制策略是制动能量回收系统 的关键 控制策略的开发需要满足以下要求 首先 车辆各个车轮能提供足够 大的制动力和合理