電動汽車(EV)制動能量回收問題

制動能量回收問題對于提高EV的能量利用率具有重要意義。電動汽車采用電制動時,驅動電機運行在發(fā)電狀態(tài),將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電,對延長電動汽車的行駛距離是至關重要的。國外有關研究表明,在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下,有效地回收制動能量,可使電動汽車的行駛距離延長百分之十到百分之三十。

　　目前國內關于制動能量回收的研究還處在初級階段。制動能量回收要綜合考慮汽車動力學特性、電機發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。研制一種既具有實際效用、又符合司機操作習慣的系統(tǒng)是有一定難度的。本文對上述問題作了一些積極的探索,并得出了一些有益的結論。

　　1 制動模式

　　電動汽車制動可分為以下三種模式,對不同情況應采用不同的控制策略。

　　1.1 急剎車

　　急剎車對應于制動加速度大于2m/s2的過程。出于安全性方面的考慮,急剎車應以機械為主,電剎車同時作用。在急剎車時,可根據初始速度的不同,由車上ABS控制提供相應的機械制動力。

　　1.2 中輕度剎車

　　中輕度剎車對應于汽車在正常工況下的制動過程,可分為減速過程與停止過程。電剎車負責減速過程,停止過程由機械剎車完成。兩種剎車的切換點由電機發(fā)電特性確定。

　　1.3 汽車長下坡時的剎車

　　汽車長下坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時。在制動力要求不大時,可完全由電剎車提供。其充電特點表現為回饋電流較小但充電時間較長。限制因素主要為電池的最大可充電時間。

　　由于電動汽車主要工作在城市工況下,所以本文將研究重點放在中輕度電剎車上。

　　2 制動能量回收的約束條件

　　實用的能量回收系統(tǒng)應滿足以下要求:

　　(1)滿足剎車的安全要求,符合駕駛員的剎車習慣。

　　剎車過程中,對安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機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)的電動汽車的剎車過程應盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似,這將保證在實際應用中,系統(tǒng)有吸引力,可以為大眾所接受。

　　(2)考慮驅動電機的發(fā)電工作特性和輸出能力。

　　電動汽車中常用的是永磁直流電機或感應異步電機,應針對不同的電機的發(fā)電效率特性,采取相應的控制手段。

　　(3)確保電池組在充電過程中的安全,防止過充。

　　電動汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時,避免因充電電流過大或充電時間過長而損害電池。

　　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間。

　　(3)能量回收停止時電機的轉速及與此相對應的充電電流值。

　　本項目原型車為XL型純電動車,驅動采用異步交流電機,額定功率為20kW,峰值功率為60kW,額定轉矩為53Nm,峰值轉矩為290Nm,持續(xù)輸出三倍額定轉矩時間不小于30s,額定轉速為3600r/min,最高轉速為9000r/min。蓄電池采用24節(jié)100Ah鎳氫電池,其瞬時充電電流可達1.5C(C為電池放電倍率),即150A。在充電電流為0.5C時,可持續(xù)安全充電。實驗表明,在電機轉速為500r/min時,充電電流小于6A?？稍O此點為電剎車與機械剎車的切換點。3 制動能量回收控制算法

　　3.1制動過程分析

　　經推導可得,一次剎車回收能量E=K1K2K3(ΔW-FfS)。

　　特定剎車過程中,車體動能衰減ΔW為定值。特定車型的機械傳動效率K1和滾動摩擦力Ff基本上是固定的。對蓄電池來說,制動能量回收對應于短時間(不超過20s)、大電流(可達100A)充電,因此能量回收約束條件(2)可忽略,充電效率K3也可認為恒定。對于電機來說,在制動過程中,其發(fā)電效率K2隨轉速和轉矩的變化而變化。制動距離S取決于制動力的大小和制動時間的長短。

　　由以上分析可知,如果電池狀態(tài)(包括放電深度、初始充電電流強度)允許,回收能量只與發(fā)電機發(fā)電效率和剎車距離有關。在滿足制動時間要求的前提下,通過調節(jié)電機制動轉矩可以控制電機轉速。

　　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),根據能量回收約束條件(1)和(3)的不同值,確定最優(yōu)制動力,使回收的能量達到最大,即電流對時間的積分達到最大。為了與平常的剎車習慣相符合,令制動力隨剎車時間呈線性增長,即Fj=Fo+Kt。問題轉換為尋找最優(yōu)的制動力初值Fo和制動力增長系數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。為了體現城市工況下汽車制動的典型性,同時保證安全性和平穩(wěn)性,考察如下制動過程:電制動初始速度為60km/h(對應電機轉速為4500r/min),電制動結束速度為5.4km/h(對應電機轉速為500r/min),要求加速度的絕對值小于2m/s2,速度曲線盡量平滑。中度檔位剎車時規(guī)定制動時間為8s～12s,輕度檔位剎車時規(guī)定制動時間為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,電池單體電壓變化范圍為12～15V,但電池主要工作于平臺段,即12.2～13V。為討論問題方便,認為電池單體端電壓為12.5V,總電壓等于300V。據此假設,計算所得的充電電流誤差不超過6%。

　　電機在不同的轉速與轉矩運行時,實測的效率曲線類似指數函數。為了處理方便,可將效率曲線分三段線性擬合成如下函數(擬合誤差不超過5%,其中n為電機瞬時轉速):

　　與此相對應,可將制動過程分成三個階段:

　　第一階段:電機轉速變化范圍為4500r/min～3600r/min,電機發(fā)電效率為0.9,要求制動時間t1≤3s。

　　取制動轉矩為60Nm,即F0=1860N,K=20,可得t1=2.62s,平均加速度約為-1.29m/s2。計算可知,充電電流I單調減小,IMax=It=0=75.75A。

　　第二階段:電機轉速變化范圍為3600r/min～1500r/min,電機的發(fā)電效率變化范圍為0.9～0.82,要求制動時間t2≤5s。

　　此時問題歸結為在約束條件下的最優(yōu)控制問題。經仿真計算可知,回收能量值隨F0、K的增加而單調增加,并且主要由F0決定。當F0較小時,K的變化對制動時間的影響較大。由于電機可運行在三倍過載(140Nm)的情況下,可得最大制動力為4300N。當F0=4300N、K=30時,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。制動時間為4.71s,此時回收能量為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。為了準確描述能量回收的效果,引入了一個新的單位“安秒/As”(即時間以秒為單位對電流的積分)來衡量能量的大小。

　　第三階段:電機轉速變化范圍為1500r/min～500r/min,電機的發(fā)電效率變化范圍為0.82～0.6,要求制動時間t3≤2s。

　　仿照第二階段的分析方法可得,取F0=3000N、K=30時,制動時間為1.88s,回收能量為42.1As,平均加速度為-2.01m/s2。此時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 仿真模型及結果

　　根據汽車動力學理論[2]并結合其它相關方程可得仿真模型:

　　驅動力合力:Ft=Ff+Fj+Fi+Fw

　　其中,Ft為作用于車輪上的驅動力合力,Ff為滾動摩擦力,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。

　　其中,車體質量為M,瞬時車速為V,制動初始車速為V0,電制動結束時車速為V1,充電電流為I,電池端電壓為U。其它符號含義與前相同。

　　在Simulink環(huán)境下建立仿真模型,可得電機轉速曲線如圖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。