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電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收控制策略的研究
摘要：電動(dòng)汽車(chē)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(chē)體動(dòng)能，從而延長(zhǎng)電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程。對(duì)制動(dòng)模式進(jìn)行了分類(lèi)，并詳細(xì)探討了中輕度剎車(chē)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，給出了仿真模型及結(jié)果，最后基于仿真模型及ＸＬ型純電動(dòng)車(chē)對(duì)控制算法的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。電動(dòng)汽車(chē)（ＥＶ）的研究是在環(huán)境保護(hù)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(chǔ)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(zhǎng)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(wèn)題。
制動(dòng)能量回收問(wèn)題對(duì)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(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(duì)其充電，對(duì)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離是至關(guān)重要的。國(guó)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(chē)的行駛距離延長(zhǎng)百分之十到百分之三十。
目前國(guó)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(chē)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(wèn)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(wèn)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(chē)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(chē)
急剎車(chē)對(duì)應(yīng)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(yīng)以機(jī)械為主，電剎車(chē)同時(shí)作用。在急剎車(chē)時(shí)，可根據(jù)初始速度的不同，由車(chē)上ＡＢＳ控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動(dòng)力。
１.２ 中輕度剎車(chē)
中輕度剎車(chē)對(duì)應(yīng)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(fù)責(zé)減速過(guò)程，停止過(guò)程由機(jī)械剎車(chē)完成。兩種剎車(chē)的切換點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性確定。
１.３ 汽車(chē)長(zhǎng)下坡時(shí)的剎車(chē)
汽車(chē)長(zhǎng)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(xiàn)為回饋電流較小但充電時(shí)間較長(zhǎng)。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(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：
(１)滿足剎車(chē)的安全要求，符合駕駛員的剎車(chē)習(xí)慣。
剎車(chē)過(guò)程中，對(duì)安全的要求是第一位的。需要找到電剎車(chē)和機(jī)械剎車(chē)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(chē)的剎車(chē)過(guò)程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車(chē)過(guò)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(chē)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(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(zhǎng)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(chē)為ＸＬ型純電動(dòng)車(chē)，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)速為５００ｒ／ｍｉｎ時(shí)，充電電流小于６Ａ。可設(shè)此點(diǎn)為電剎車(chē)與機(jī)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(dǎo)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(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(lái)說(shuō)，制動(dòng)能量回收對(duì)應(yīng)于短時(shí)間（不超過(guò)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(lái)說(shuō)，在制動(dòng)過(guò)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(zhǎng)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(chē)距離有關(guān)。在滿足制動(dòng)時(shí)間要求的前提下，通過(guò)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(chē)要求的情況下（由中輕度剎車(chē)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(chē)習(xí)慣相符合，令制動(dòng)力隨剎車(chē)時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，即Ｆｊ＝Ｆｏ＋
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