??? 摘? 要: 電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電狀態(tài)時(shí),既可以提供制動(dòng)力,又可以給電池充電回收車體動(dòng)能,從而延長電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程。對(duì)制動(dòng)模式進(jìn)行了分類,并詳細(xì)探討了中輕度剎車時(shí)制動(dòng)能量回收的機(jī)制和影響因素,。提出了制動(dòng)能量回收的最優(yōu)控制策略" title="控制策略">控制策略,給出了仿真模型" title="仿真模型">仿真模型及結(jié)果,最后基于仿真模型及XL型純電動(dòng)車對(duì)控制算法的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià),。?
??? 關(guān)鍵詞: 制動(dòng)能量回收? 電動(dòng)汽車? 鎳氫電池" title="鎳氫電池">鎳氫電池? Simulink模型
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??? 電動(dòng)汽車(EV)的研究是在環(huán)境保護(hù)問題及能源問題日益受到關(guān)注的情況下興起的。在EV性能提高并逐步邁向產(chǎn)業(yè)化的過程中,提高能量的儲(chǔ)備與利用率是迫切需要解決的兩個(gè)問題,。盡管蓄電池技術(shù)有了長足進(jìn)步,但由于受安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素的制約,近期不會(huì)有大的突破,。因此如何提高EV能量利用率是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題,。?
??? 制動(dòng)能量回收問題對(duì)于提高EV的能量利用率具有重要意義。電動(dòng)汽車采用電制動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài),將汽車的部分動(dòng)能回饋給蓄電池以對(duì)其充電,對(duì)延長電動(dòng)汽車的行駛距離是至關(guān)重要的,。國外有關(guān)研究表明,在存在較頻繁的制動(dòng)與起動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下,有效地回收制動(dòng)能量,可使電動(dòng)汽車的行駛距離延長百分之十到百分之三十,。?
??? 目前國內(nèi)關(guān)于制動(dòng)能量回收的研究還處在初級(jí)階段。制動(dòng)能量回收要綜合考慮汽車動(dòng)力學(xué)特性,、電機(jī)發(fā)電特性,、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。研制一種既具有實(shí)際效用,、又符合司機(jī)操作習(xí)慣的系統(tǒng)是有一定難度的,。本文對(duì)上述問題作了一些積極的探索,并得出了一些有益的結(jié)論。?
1 制動(dòng)模式?
??? 電動(dòng)汽車制動(dòng)可分為以下三種模式,對(duì)不同情況應(yīng)采用不同的控制策略,。?
1.1 急剎車?
??? 急剎車對(duì)應(yīng)于制動(dòng)加速度大于2m/s2的過程,。出于安全性方面的考慮,急剎車應(yīng)以機(jī)械為主,電剎車同時(shí)作用。在急剎車時(shí),可根據(jù)初始速度的不同,由車上ABS控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動(dòng)力,。?
1.2 中輕度剎車?
??? 中輕度剎車對(duì)應(yīng)于汽車在正常工況下的制動(dòng)過程,可分為減速過程與停止過程,。電剎車負(fù)責(zé)減速過程,停止過程由機(jī)械剎車完成,。兩種剎車的切換點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性確定。?
1.3 汽車長下坡時(shí)的剎車?
??? 汽車長下坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時(shí),。在制動(dòng)力要求不大時(shí),可完全由電剎車提供,。其充電特點(diǎn)表現(xiàn)為回饋電流較小但充電時(shí)間較長。限制因素主要為電池的最大" title="最大">最大可充電時(shí)間,。?
??? 由于電動(dòng)汽車主要工作在城市工況下,所以本文將研究重點(diǎn)放在中輕度電剎車上,。?
2 制動(dòng)能量回收的約束條件?
??? 實(shí)用的能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求:?
??? (1)滿足剎車的安全要求,符合駕駛員的剎車習(xí)慣。?
??? 剎車過程中,對(duì)安全的要求是第一位的,。需要找到電剎車和機(jī)械剎車的最佳覆蓋區(qū)間,在確保安全的前提下,盡可能多地回收能量,。具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的剎車過程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似,這將保證在實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)有吸引力,可以為大眾所接受。?
??? (2)考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力,。?
??? 電動(dòng)汽車中常用的是永磁直流電機(jī)或感應(yīng)異步電機(jī),應(yīng)針對(duì)不同的電機(jī)的發(fā)電效率特性,采取相應(yīng)的控制手段,。?
??? (3)確保電池組在充電過程中的安全,防止過充。?
??? 電動(dòng)汽車中常用的電池為鎳氫電池,、鋰電池和鉛酸電池,。充電時(shí),避免因充電電流過大或充電時(shí)間過長而損害電池。?
??? 由以上分析可得能量回收的約束條件:?
??? (1)根據(jù)電池放電深度的不同,電池可接受的最大充電電流,。?
??? (2)電池可接受的最大充電時(shí)間,。?
??? (3)能量回收停止時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及與此相對(duì)應(yīng)的充電電流值。?
??? 本項(xiàng)目原型車為XL型純電動(dòng)車,驅(qū)動(dòng)采用異步交流電機(jī),額定功率為20kW,峰值功率為60kW,額定轉(zhuǎn)矩為53Nm,峰值轉(zhuǎn)矩為290Nm,持續(xù)輸出三倍額定轉(zhuǎn)矩時(shí)間不小于30s,額定轉(zhuǎn)速為3600r/min,最高轉(zhuǎn)速為9000r/min,。蓄電池采用24節(jié)100Ah鎳氫電池,其瞬時(shí)充電電流可達(dá)1.5C(C為電池放電倍率),即150A,。在充電電流為0.5C時(shí),可持續(xù)安全充電。實(shí)驗(yàn)表明,在電機(jī)轉(zhuǎn)速" title="電機(jī)轉(zhuǎn)速">電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí),充電電流小于6A,?？稍O(shè)此點(diǎn)為電剎車與機(jī)械剎車的切換點(diǎn)。?
3 制動(dòng)能量回收控制算法?
3.1制動(dòng)過程分析?
??? 經(jīng)推導(dǎo)可得,一次剎車回收能量E=K1K2K3(ΔW-FfS),。?
??? 特定剎車過程中,車體動(dòng)能衰減ΔW為定值,。特定車型的機(jī)械傳動(dòng)效率K1和滾動(dòng)摩擦力Ff基本上是固定的。對(duì)蓄電池來說,制動(dòng)能量回收對(duì)應(yīng)于短時(shí)間(不超過20s),、大電流(可達(dá)100A)充電,因此能量回收約束條件(2)可忽略,充電效率K3也可認(rèn)為恒定,。對(duì)于電機(jī)來說,在制動(dòng)過程中,其發(fā)電效率K2隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化而變化。制動(dòng)距離S取決于制動(dòng)力的大小和制動(dòng)時(shí)間的長短,。?
??? 由以上分析可知,如果電池狀態(tài)(包括放電深度,、初始充電電流強(qiáng)度)允許,回收能量只與發(fā)電機(jī)發(fā)電效率和剎車距離有關(guān)。在滿足制動(dòng)時(shí)間要求的前提下,通過調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,。?
3.2 控制算法?
??? 控制策略可描述為:在滿足剎車要求的情況下(由中輕度剎車檔位決定),根據(jù)能量回收約束條件(1)和(3)的不同值,確定最優(yōu)制動(dòng)力,使回收的能量達(dá)到最大,即電流對(duì)時(shí)間的積分達(dá)到最大,。為了與平常的剎車習(xí)慣相符合,令制動(dòng)力隨剎車時(shí)間呈線性增長,即Fj=Fo+Kt。問題轉(zhuǎn)換為尋找最優(yōu)的制動(dòng)力初值Fo和制動(dòng)力增長系數(shù)K,。?
??? 我國常用的轎車循環(huán)25工況[1]規(guī)定,汽車最高速度不超過60km/h,加速度變化范圍為-1.5m/s2～1.5m/s2,。為了體現(xiàn)城市工況下汽車制動(dòng)的典型性,同時(shí)保證安全性和平穩(wěn)性,考察如下制動(dòng)過程:電制動(dòng)初始速度為60km/h(對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min),電制動(dòng)結(jié)束速度為5.4km/h(對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min),要求加速度的絕對(duì)值小于2m/s2,速度曲線盡量平滑,。中度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為8s～12s,輕度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為12s～18s。下面只討論中度檔位剎車情況,輕度檔位剎車情況與之類似,。?
??? 鎳氫電池(100Ah)在常溫以0.5C放電時(shí),電池單體電壓變化范圍為12～15V,但電池主要工作于平臺(tái)段,即12.2～13V,。為討論問題方便,認(rèn)為電池單體端電壓為12.5V,總電壓等于300V。據(jù)此假設(shè),計(jì)算所得的充電電流誤差不超過6%,。?
??? 電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí),實(shí)測的效率曲線類似指數(shù)函數(shù),。為了處理方便,可將效率曲線分三段線性擬合成如下函數(shù)(擬合誤差不超過5%,其中n為電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速):??
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??? 與此相對(duì)應(yīng),可將制動(dòng)過程分成三個(gè)階段:?
??? 第一階段:電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為4500r/min～3600r/min,電機(jī)發(fā)電效率為0.9,要求制動(dòng)時(shí)間t1≤3s。?
??? 取制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為60Nm,即F0=1860N,K=20,可得t1=2.62s,平均加速度約為-1.29m/s2,。計(jì)算可知,充電電流I單調(diào)減小,IMax=It=0=75.75A,。?
??? 第二階段:電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為3600r/min～1500r/min,電機(jī)的發(fā)電效率變化范圍為0.9～0.82,要求制動(dòng)時(shí)間t2≤5s。?
??? 此時(shí)問題歸結(jié)為在約束條件下的最優(yōu)控制問題,。經(jīng)仿真計(jì)算可知,回收能量值隨F0,、K的增加而單調(diào)增加,并且主要由F0決定。當(dāng)F0較小時(shí),K的變化對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響較大,。由于電機(jī)可運(yùn)行在三倍過載(140Nm)的情況下,可得最大制動(dòng)力為4300N,。當(dāng)F0=4300N、K=30時(shí),回收能量取最大值,為274.3(單位:安秒/As),平均加速度為-2.83m/s2,。為了滿足剎車平穩(wěn)性的要求,取F0=2300N,、K=50。制動(dòng)時(shí)間為4.71s,此時(shí)回收能量為262.8As,較最大值減少4.2%,而平均加速度為-1.68m/s2,僅為最大值的59.3%,。此階段充電電流最大值為76.9A,。為了準(zhǔn)確描述能量回收的效果,引入了一個(gè)新的單位“安秒/As”(即時(shí)間以秒為單位對(duì)電流的積分)來衡量能量的大小。?
??? 第三階段:電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為1500r/min～500r/min,電機(jī)的發(fā)電效率變化范圍為0.82～0.6,要求制動(dòng)時(shí)間t3≤2s,。?
??? 仿照第二階段的分析方法可得,取F0=3000N,、K=30時(shí),制動(dòng)時(shí)間為1.88s,回收能量為42.1As,平均加速度為-2.01m/s2。此時(shí)回收能量較最大值減少2.3%,而平均加速度為最大值的74.1%,此階段充電電流最大值為35.9A,。?
4 仿真模型及結(jié)果?
??? 根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)理論[2]并結(jié)合其它相關(guān)方程可得仿真模型:?
??? 驅(qū)動(dòng)力合力:Ft=Ff+Fj+Fi+Fw?
其中,Ft為作用于車輪上的驅(qū)動(dòng)力合力,Ff為滾動(dòng)摩擦力,Fj為加速阻力,Fi為坡度阻力,Fw為空氣阻力,。在城市工況下,Fi和Fw可忽略,。?
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??? 其中,車體質(zhì)量為M,瞬時(shí)車速為V,制動(dòng)初始車速為V0,電制動(dòng)結(jié)束時(shí)車速為V1,充電電流為I,電池端電壓為U,。其它符號(hào)含義與前相同。?
??? 在Simulink環(huán)境下建立仿真模型,可得電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖1所示,充電電流曲線如圖2所示,回收能量曲線如圖3所示,。?
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5 制動(dòng)能量回收控制算法功效的評(píng)價(jià)?
??? 以初始速度為60km/h的電制動(dòng)典型過程為例,經(jīng)仿真計(jì)算可得,回收能量占車體總動(dòng)能的65.4%,其余的34.6%為機(jī)械剎車和電剎車過程中的損耗,。以我國轎車25循環(huán)工況為例,考慮到摩擦阻力及各部分效率的問題,回收能量占總耗能的23.3%。?
??? 實(shí)驗(yàn)證明,本文提出的制動(dòng)能量回收控制策略是簡潔有效的,。在典型城市工況下,配備能量回收系統(tǒng)的XL型純電動(dòng)轎車運(yùn)行可靠,可以延長續(xù)駛里程10%以上,。?
6 其它相關(guān)問題的討論?
??? 鋰電池由于比能量高,也是EV常用的動(dòng)力源。實(shí)驗(yàn)證明國內(nèi)研制的鋰電池瞬時(shí)(20s)充電電流上限可達(dá)1C,對(duì)常用的80Ah鋰電池而言,其最大充電電流為80A左右,。但是出于安全方面的考慮,如果把制動(dòng)能量回收系統(tǒng)用于鋰電池系統(tǒng),需要嚴(yán)格的限流措施或?qū)㈦妱x車與機(jī)械剎車同時(shí)作用,。?
??? 制動(dòng)能量回收的另一種情況是汽車下長緩坡,。我國規(guī)定城市道路坡度不超過8%,在此條件下,如果EV下坡速度為30km/h(n=2200r/min,效率=0.847),則制動(dòng)充電電流為37.6A,對(duì)鎳氫電池來說不到0.4C,可以安全地持續(xù)充電。?
??? 盡管本課題針對(duì)純電動(dòng)車,但由于混合動(dòng)力車與純電動(dòng)車的能量回收規(guī)律相似,因此以上討論同樣適用于各種混合動(dòng)力車,主要區(qū)別在于電池放電倍率大小不同,。?
參考文獻(xiàn)?
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