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電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)電機運行在再生發(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(chē)體動(dòng)能,從而延長(cháng)電動(dòng)車(chē)續駛里程｡對制動(dòng)模式進(jìn)行了分類(lèi),并詳細探討了中輕度剎車(chē)時(shí)制動(dòng)能量回收的機制和影響因素｡提出了制動(dòng)能量回收的最優(yōu)控制策略,給出了仿真模型及結果,最后基于仿真模型及XL型純電動(dòng)車(chē)對控制算法的效果進(jìn)行了評價(jià)｡ 電動(dòng)汽車(chē)(EV)的研究是在環(huán)境保護問(wèn)題及能源問(wèn)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(guò)程中,提高能量的儲備與利用率是迫切需要解決的兩個(gè)問(wèn)題｡盡管蓄電池技術(shù)有了長(cháng)足進(jìn)步,但由于受安全性､經(jīng)濟性等因素的制約,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(wèn)題｡ 制動(dòng)能量回收問(wèn)題對于提高EV的能量利用率具有重要意義｡電動(dòng)汽車(chē)采用電制動(dòng)時(shí),驅動(dòng)電機運行在發(fā)電狀態(tài),將汽車(chē)的部分動(dòng)能回饋給蓄電池以對其充電,對延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)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)的城市工況運行條件下,有效地回收制動(dòng)能量,可使電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離延長(cháng)百分之十到百分之三十｡ 目前國內關(guān)于制動(dòng)能量回收的研究還處在初級階段｡制動(dòng)能量回收要綜合考慮汽車(chē)動(dòng)力學(xué)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(wèn)題｡研制一種既具有實(shí)際效用､又符合司機操作習慣的系統是有一定難度的｡本文對上述問(wèn)題作了一些積極的探索,并得出了一些有益的結論｡ 1 制動(dòng)模式 電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)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(chē) 急剎車(chē)對應于制動(dòng)加速度大于2m/s2的過(guò)程｡出于安全性方面的考慮,急剎車(chē)應以機械為主,電剎車(chē)同時(shí)作用｡在急剎車(chē)時(shí),可根據初始速度的不同,由車(chē)上ABS控制提供相應的機械制動(dòng)力｡ 1.2 中輕度剎車(chē) 中輕度剎車(chē)對應于汽車(chē)在正常工況下的制動(dòng)過(guò)程,可分為減速過(guò)程與停止過(guò)程｡電剎車(chē)負責減速過(guò)程,停止過(guò)程由機械剎車(chē)完成｡兩種剎車(chē)的切換點(diǎn)由電機發(fā)電特性確定｡ 1.3 汽車(chē)長(cháng)下坡時(shí)的剎車(chē) 汽車(chē)長(cháng)下坡一般發(fā)生在盤(pán)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(chē)提供｡其充電特點(diǎn)表現為回饋電流較小但充電時(shí)間較長(cháng)｡限制因素主要為電池的最大可充電時(shí)間｡ 由于電動(dòng)汽車(chē)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(chē)上｡ 2 制動(dòng)能量回收的約束條件 實(shí)用的能量回收系統應滿(mǎn)足以下要求: (1)滿(mǎn)足剎車(chē)的安全要求,符合駕駛員的剎車(chē)習慣｡ 剎車(chē)過(guò)程中,對安全的要求是第一位的｡需要找到電剎車(chē)和機械剎車(chē)的最佳覆蓋區間,在確保安全的前提下,盡可能多地回收能量｡具有能量回收系統的電動(dòng)汽車(chē)的剎車(chē)過(guò)程應盡可能地與傳統的剎車(chē)過(guò)程近似,這將保證在實(shí)際應用中,系統有吸引力,可以為大眾所接受｡ (2)考慮驅動(dòng)電機的發(fā)電工作特性和輸出能力｡ 電動(dòng)汽車(chē)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(guò)程中的安全,防止過(guò)充｡ 電動(dòng)汽車(chē)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(guò)大或充電時(shí)間過(guò)長(cháng)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(shí)間｡ (3)能量回收停止時(shí)電機的轉速及與此相對應的充電電流值｡ 本項目原型車(chē)為XL型純電動(dòng)車(chē),驅動(dòng)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,持續輸出三倍額定轉矩時(shí)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100Ah鎳氫電池,其瞬時(shí)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(shí),可持續安全充電｡實(shí)驗表明,在電機轉速為500r/min時(shí),充電電流小于6A｡可設此點(diǎn)為電剎車(chē)與機械剎車(chē)的切換點(diǎn)｡ 3 制動(dòng)能量回收控制算法 3.1制動(dòng)過(guò)程分析 經(jīng)推導可得,一次剎車(chē)回收能量E=K1K2K3(ΔW-FfS)｡ 特定剎車(chē)過(guò)程中,車(chē)體動(dòng)能衰減ΔW為定值｡特定車(chē)型的機械傳動(dòng)效率K1和滾動(dòng)摩擦力Ff基本上是固定的｡對蓄電池來(lái)說(shuō),制動(dòng)能量回收對應于短時(shí)間(不超過(guò)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(lái)說(shuō),在制動(dòng)過(guò)程中,其發(fā)電效率K2隨轉速和轉矩的變化而變化｡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(cháng)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(chē)距離有關(guān)｡在滿(mǎn)足制動(dòng)時(shí)間要求的前提下,通過(guò)調節電機制動(dòng)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(mǎn)足剎車(chē)要求的情況下(由中輕度剎車(chē)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(dòng)力,使回收的能量達到最大,即電流對時(shí)間的積分達到最大｡為了與平常的剎車(chē)習慣相符合,令制動(dòng)力隨剎車(chē)時(shí)間呈線(xiàn)性增長(cháng),即Fj=Fo+Kt｡問(wèn)題轉換為尋找最優(yōu)的制動(dòng)力初值Fo和制動(dòng)力增長(cháng)系數K｡ 我國常用的轎車(chē)循環(huán)25工況規定,汽車(chē)最高速度不超過(guò)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(chē)制動(dòng)的典型性,同時(shí)保證安全性和平穩性,考察如下制動(dòng)過(guò)程:電制動(dòng)初始速度為60km/h(對應電機轉速為4500r/min),電制動(dòng)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(xiàn)盡量平滑｡中度檔位剎車(chē)時(shí)規定制動(dòng)時(shí)間為8s~12s,輕度檔位剎車(chē)時(shí)規定制動(dòng)時(shí)間為12s~18s｡下面只討論中度檔位剎車(chē)情況,輕度檔位剎車(chē)情況與之類(lèi)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段,即12.2~13V｡為討論問(wèn)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(guò)6%｡ 電機在不同的轉速與轉矩運行時(shí),實(shí)測的效率曲線(xiàn)類(lèi)似指數函數｡為了處理方便,可將效率曲線(xiàn)分三段線(xiàn)性擬合成如下函數(擬合誤差不超過(guò)5%,其中n為電機瞬時(shí)轉速): 與此相對應,可將制動(dòng)過(guò)程分成三個(gè)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(dòng)時(shí)間t1≤3s｡ 取制動(dòng)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(dòng)時(shí)間t2≤5s｡ 此時(shí)問(wèn)題歸結為在約束條件下的最優(yōu)控制問(wèn)題｡經(jīng)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(shí),K的變化對制動(dòng)時(shí)間的影響較大｡由于電機可運行在三倍過(guò)載(140Nm)的情況下,可得最大制動(dòng)力為4300N｡當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(mǎn)足剎車(chē)平穩性的要求,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)間以秒為單位對電流的積分)來(lái)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(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 仿真模型及結果 根據汽車(chē)動(dòng)力學(xué)理論并結合其它相關(guān)方程可得仿真模型: 驅動(dòng)力合力:Ft=Ff+Fj+Fi+Fw 其中,Ft為作用于車(chē)輪上的驅動(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｡ 其中,車(chē)體質(zhì)量為M,瞬時(shí)車(chē)速為V,制動(dòng)初始車(chē)速為V0,電制動(dòng)結束時(shí)車(chē)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(xiàn)如圖1所示,充電電流曲線(xiàn)如圖2所示,回收能量曲線(xiàn)如圖3所示｡ 5 制動(dòng)能量回收控制算法功效的評價(jià) 以初始速度為60km/h的電制動(dòng)典型過(guò)程為例,經(jīng)仿真計算可得,回收能量占車(chē)體總動(dòng)能的65.4%,其余的34.6%為機械剎車(chē)和電剎車(chē)過(guò)程中的損耗｡以我國轎車(chē)25循環(huán)工況為例,考慮到摩擦阻力及各部分效率的問(wèn)題,回收能量占總耗能的23.3%｡ 實(shí)驗證明,本文提出的制動(dòng)能量回收控制策略是簡(jiǎn)潔有效的｡在典型城市工況下,配備能量回收系統的XL型純電動(dòng)轎車(chē)運行可靠,可以延長(cháng)續駛里程10%以上｡ 6 其它相關(guān)問(wèn)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)驗證明國內研制的鋰電池瞬時(shí)(20s)充電電流上限可達1C,對常用的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)能量回收系統用于鋰電池系統,需要嚴格的限流措施或將電剎車(chē)與機械剎車(chē)同時(shí)作用｡ 制動(dòng)能量回收的另一種情況是汽車(chē)下長(cháng)緩坡｡我國規定城市道路坡度不超過(guò)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,對鎳氫電池來(lái)說(shuō)不到0.4C,可以安全地持續充電｡ 盡管本課題針對純電動(dòng)車(chē),但由于混合動(dòng)力車(chē)與純電動(dòng)車(chē)的能量回收規律相似,因此以上討論同樣適用于各種混合動(dòng)力車(chē),主要區別在于電池放電倍率大小不同｡ |
