纯电动汽车制动能量回收策略

纯电动汽车制动能量回收策略摘要：纯电动汽车作为一种解决能源短缺问题和环境污染问题的一项主要技术，其续航能力的不足严重影响了发展和实际应用，而制动能量回收技术作为解决纯电动汽车续航不足问题的最为有力策略，近年来得到了学术界的广泛关注。基于此，本文在对制动能力回收基本进行简要介绍的基础上，提出了一种基于 ECE R13 法规要求的定比并联制动控制策略，并进行了仿真。最后，希望本文的研究能够具备一定的借鉴价值。关键词：纯电动汽车 ECE R13 再生制动 控制策略当前汽车已经成为人们日常出行的必备交通工具，然而传统汽车的普及也进一步加速了石油资源的消耗，从而带来了较为严重的环境污染问题。相关数据研究表明：2017年我国汽车销售量为3012.84万辆，同比增长18.36%，环比增长9.43个百分点1。因此，为了实现我国经济的可持续发展，以节能、环保为特点的电动汽车将会成为未来研究的重点领域。电动汽车作为一种零排放的交通工具，不但能够替代传统的内燃汽车可以有效解决环境污染的问题，而且还能够节能减排，极大程度的来减缓全球所面临的能源危机问题。那么，对于电动汽车来讲，其研究的重点为则为能量储备技术的改进以及储备利用率的提升问题，解决能量储备问题的关键点在电池方面，但是从当前的技术现状来看，蓄电池能力存储技术不会在较短的时间内实现大的突破，那么如何提高能量利用率就成为了电动汽车产业化发展过程的重中之重。所谓提高能力利用率其实就是指提高电池的使用期限，即电池管理系统。本文所研究的重点则是电池管理系统中一项非常重要的问题，即电动汽车制动能量的回收控制策略2。1制动能量回收基本原理制动能量回收也被称为再生制动，主主要内涵是指电机在发电状态下，将动能转化为电能后进行储存，为汽车的制动系统提供能量，这样就能够实现能能量的循环利用3。对于纯电动汽车来讲，其制动能能量的回收系统如图1.1所示：图1.1纯电动汽车制动能能量回收系统示意图从上图可以看出，纯电动汽车制动能量回收系统主要由整车控电池组、能量管理系统、整车控制器、变换器、电机控制单元等部分组成4。其中整车控制器的主要功能为控制能量管理系统，电池组和变换器作为能量管理系统的子系统控制电机的发电模式，从而对汽车的形式进行制动。纯电动汽车在正常行驶过程中，其整车控制器根据接受到的加速信号对DC变换器实现控制，其控制的主要工作是变换器的对于蓄电池的升压，以此来驱动电机正常工作。在处于制动状态下，整车控制器通过车的行使速度以及踏板等信号通过对逆变器的控制历来控制电机状态的控制，并且根据其运行速度对逆变器的电压进行调节，在这个过程中电机也同时提供制动力矩。最后整车控制器通过对变换器的控制来稳定电压，而且将制动能力信号反馈给电池控制其进行充电工作5。同时，整车控制器根据制动能量回收策略对于液压机和电动机进行动态调整，从而来满足电动汽车的制动需求。笔者根据纯电动汽车能量回收的基本结构绘制出了系统控制电路，如图1.2所示：图1.2 系统控制电路图从系统控制电路图中可以看出汽车在行驶过程中的负载供电与制动充电都要是由整车控制器通过控制双向逆变器来实现的。2纯电动汽车制动能量回收控制策略当前纯电动汽车制动能量回收控制策略有三种：理想动力分配控制策略、最佳制动能量回收控制策略以及并联制动能量回收控制策略6。理想制动力分配控制策略进行控制的过程需要对纯电动汽车制动数据的精确性要求比较高，其过程相当繁杂，因而实际操作起来相当困难，而并联制动能量回收控制策略由于其控制过程比较简单，不需要精确的控制机械制动力，只需要通过控制阀进行调节即可，且具有较高的安全性，因此，本文基于并联法设计纯电动汽车制动能力回收控制策略。2.1制动能量回收的一般约束条件再生制动需要满足以下几个方面的条件：首先，要能够满足电动汽车对于刹车的安全性要求。这是由于安全性是刹车的第一要素，再生制动的基本前提是要能够找到电刹车与机械刹车之间的最佳结合点，以安全性为前提条件来最大限度的回收能量7。并且还要能够充分的考虑到驾驶员的感受，要确保再生制动系统能够在实际应用时被广泛认可。其次，要能够满足电机发电的特性与输出能量。要根据电动汽车使用的电机的发电效率采用相应的回收控制策略。再次，要能够确保电池组在充电过程中的安全性能。需要深入研究其充电和放电特性，杜绝充电的电流过大或者充电的时间太长。通过以上介绍可以看出，纯电动汽车的约束条件包括：（1）根据电池的负荷状态确定可接收的最大电流量；（2）电池的最大充电时间；（3）在能量回收完成后的电机转速以及相应的充电电流。2.2整车建模的基本参数本文以单电机集中前轴驱动纯电动汽车为研究对象，该车型的基本参数如下：表2.1 整车基本参数2.3基于ECE R13 的并联定比制动能量回收约束条件纯电动汽车在进行制动时其制动力的大小随着行驶速度、电池SOC值的变化而变化，因而为了确保纯电动汽车的安全特性，其前后轮制动力分配需要满足相应的法规要求8。ECE R13对纯电动汽车前后轮制动力分做出了具体的规定，如图2.2所示：图2.1纯电动汽车前后轮动力分配从上图可以看出汽车路面附着系数在0.2-0.8之间时，其制动强度Z0.1+0.80（-0.1）。此时为了杜绝汽车后轮侧滑，其后轮附着系数曲线的系数应处在前轮附着系数曲线位置以下9。当制动强度Z=0.4-0.6时，纯电动汽车后轮的附着系数曲线应处在曲线=Z+0.05区间以下，后轮附着系数曲线可在前轮附着系数曲线之上。根据 ECE R13 法规建立前后轮附着 系数曲线模型 （2.1）根据汽车理论知识可知前后轮的利用附着系数公式为： （2.2）上式中：轴动力分配系数；hg轴心高度；b轴间距；a质心与轴间距的距离；将公式2.2代入到公式2.1中可得到纯电动汽车的轴间距制动力分配系数的范围： （2.3）将整车参数代入上式可得到动力系数分配区域，如图2.3所示：图2.2制动力分配系数变化曲线上图中A曲线的为制动力系数分配的上限，当制动力系数分配区域处于曲线A以下时，其前轴符合系数符合ECE R13法规，C曲线为制动力分配系数的下限，当分配系数处于C曲线之上时，其后轴利用附着系数符合ECE R13法规；因此，纯电动汽车动力分配系数应当处在曲线A与曲线C之间的区域。A曲线方程为： （2.4）对上式中的Z进行求导得： （2.5）对上式取零得，也就是说时，曲线A为最小值，则可推出的上限值，即最大值： （2.6）那么的曲线方程为： （2.7）然后将整车参数代入公式2.5和公式2.7可得到：0.68740.8662根据汽车理论知识机械制动力中动力分配系数为： （2.8）前轮驱动时的动力分配系数为： （2.9） 在上式中： Fn总机械制动力； Fu1前轮机械制动力； Freg电机再生制动力； 对公式2.8和公式2.9进行化简后就可得到 ECE R13法规条件下纯电动汽车制动能量回收控制的约束条件： （2.10）2.4基于ECER13 的并联定比制动能量回收策略在ECER13法规下，笔者设计出了一种并联定比制动分配曲线，如图2.3所示：图2.3联定比控制策略原理图在图2.3中，OACDGI23为前后轮制动力分配关系曲线，AB为后轮轴间制动力分配系数上限区域，OG为轴间制动力分配系数下限，OFG为轴间摩擦制动分配曲线，点A代表在制动强度为0.1时的制动力。从上图中点0、F、G的坐标值能够计算出曲线OF与OG的方程,分别为：0.58922Fu1(0Z0.5); Fu2=0.302271Fu1+1721.6348(0.4Z0.7125);在上式中，Fu1表示前轴摩擦制动力，Fu2为后轴摩擦制动力，Fu11表示前轴摩擦制动力与电动机之和。通过A点坐标与C点坐标计算出曲线AC方程，通过前轮抱死曲线f计算出CD曲线方程，分别为：;=6.5528Fu11-68245.45(0.5525Z0.6245)对于纯电动汽车制动力分配是以其制动力强度来为主要依据，其分配过程可分为以下三个阶段：第一个阶段为电机制动阶段(0Z0.1),在该阶段，纯电动汽车的制动强度小。电机提供整车所需要的全部动力，其前轴与后轴的摩擦制动力为零，其数学模型为：第二个阶段为机电制动的复合制动阶段(0.1Z0.72117)。在该阶段制动强度相较于上一阶段制动强度大，在进行制动的过程中，要确保电机能够在最短的时间内参与到制动过程中，那么其前后轮轴之间的制动力分配要能够满足曲线AC、曲线CD以及曲线DG之间的制动力分配关系10。在该阶段中又可分为以下三个阶段：（1）0.1Z0.5514在该阶段中纯电动汽车前后轴摩擦制动力与前后轴制动力分配关系符合曲线AC分配关系：Fu2=0.5834Fu1;Fu2=0.2455Fu11-627.2555;由于前轴的总制动力等于其摩擦制动力与电机制动力之和，并且前后轴制动力与整车质量以及制动力有如下关系，即：Fu11=Fu1+Freg；Fu2=0.2455Fu11-627.2555；联立上式得：同理可计算出该阶段电机制动力、前后轴摩擦制动力以及前后轴制动力。（2）0.5414Z0.6185（3）0.6185Z0.7337第三个阶段为机械制动阶段，在该阶段中制动强度最大，电机不再参与到制动的过程之中，制动主要依靠于机械摩擦力，此时其制动力分配公式为：3制动能量回收系统建模与仿真基于ECE R13并联定比制动能量回收控制策略, 笔者循环选取一个NEDC循环工况进行仿真，采用的仿真软件为CRUISE，仿真结果为图3.1-3.4：图3.1 ECE_EUDC_LOW 循环工况Fig3.1 ECE_EUDC_LOW driving cycle图3.2 电池的充电电流Fig.3.2Battery charging current图 3.3 电池的 SOC 值Fig3.3Battery SOC value图 3.4 制动能量回收曲线Fig10 Brake energy regeneration curve仿真结果表明：在一个NEDC 循环工况中，所有制动过程中 SOC 累加值为 0.019 86。所能够回收的制动能量为 7.26 106 J， 其总制动能量值是12.74106 J，整车消耗能量为 24.44106 J，制动能量额回收效率为 49.19%， 总能量回收效率为23.12%。基于ECE R13纯电动汽车的总能量回收效率高于 20%，其制动能量效果相当显著。结论本文提出了一种基于ECER13 的并联定比的纯电动汽车制动能量回收策略，并通过CRUISE软件进行了制动能量回收系统仿真分析，仿真结果表明了本文所提出的纯电动汽车制动能量回收控制策略能够在确保制动安全性的前提条件下回收制动能力的效果较为明显，从而有效的增加了纯电动汽车的能量回收利用率，使得其续驶里程的能力有所增强。参考文献1李玉芳，林逸，何洪文，陈陆华.电动汽车再生制动控制算法研究J.汽车工程，2007(Vo1.29)No.ll1059-1062. 1073.2航空发动机设计手册总编委会航空发动机设计手册M北京：航空工业出版社，20013王猛，孙泽昌，卓桂荣，等.电动汽车制动能量回收最大化影响因素分析J.同济大学学报:自然科学版，2012, 40(4):583-588.4张文普，丰镇平燃气轮机环形燃烧室内燃烧流动的数值模拟J动力工程，2004（1）：37405覃文隆，樊未军，张韬，等微型涡喷发动机蒸发管性能测试及燃烧室数值模拟J航空动力学报，2012（4）：8618676张奇，符晓玲，李柯等.纯电动汽车动力系统匹配优化与再生制动策略J.系统仿真学报2016, 28(3).7胡东海，何仁，俞剑波，等.基于电液复合制动系统的电动汽车再生制动控制策略研究J.公路交通科技，2014, 31(3):148-152.8靳立强，王庆年，宋传学.电动轮驱动汽车动力学最优PD控制仿真J.系统仿真学报，2007,19(10):2264-2268.9 Farzad Tahami, Reza Kazemi, Shahrokh Farhanghi. A Novel Driver Assist Stability System forAll