電動(dòng)汽車再生制動(dòng)平順性及能量探究

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摘要：針對電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)的加入影響電動(dòng)汽車制動(dòng)平順性，采用并聯(lián)制動(dòng)方式，制定整車制動(dòng)力分配策略和整車控制策略，建立恒定充電電流和電樞電流控制策略，利用軟件建立復(fù)合制動(dòng)仿真模型。結(jié)果表明：采用恒定電樞電流策略的汽車制動(dòng)平順性優(yōu)于恒定充電電流策略，汽車能量回收效率較差。

關(guān)鍵詞：再生制動(dòng)；制動(dòng)平順性；能量回收

0引言

電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中，將部分制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化電能，并對蓄電池進(jìn)行充電，這種過程稱之再生制動(dòng)[1]。在該過程中，再生制動(dòng)的加入引起汽車原有的制動(dòng)結(jié)構(gòu)改變，從而引起汽車制動(dòng)力矩的改變，影響整車的制動(dòng)平順性[1]。因此對于電動(dòng)汽車而言，我們在保證制動(dòng)效能和制動(dòng)穩(wěn)定性時(shí)，確保在制動(dòng)過程中乘客的舒適性并兼顧能量的回收。燕山大學(xué)汪運(yùn)鵬在《電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模式切換過程車輛平順性控制》一文中提出基于路面識(shí)別的邏輯門限控制策略，并結(jié)合PID控制策略，制定相應(yīng)的復(fù)合制動(dòng)防抱死策略，但目標(biāo)比較單一，沒有考慮再生制動(dòng)的綜合因素。福州大學(xué)謝文科提出了一種基于模糊控制，在一定制動(dòng)強(qiáng)度范圍內(nèi)在保證制動(dòng)舒適性的前提下盡可能多的回收制動(dòng)能量的控制策略，該方法使得前輪制動(dòng)力矩增大，容易出現(xiàn)抱死現(xiàn)象。本文為了研究電動(dòng)汽車的制動(dòng)平順性，在不改變汽車原有汽車制動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出一種采用并聯(lián)制動(dòng)策略，通過控制通過蓄電池充電電流和電機(jī)電樞電流來研究汽車制動(dòng)能量回收效率以及制動(dòng)平順性的變化情況。

1數(shù)學(xué)模型

1.1電機(jī)模型

電動(dòng)汽車選用永磁直流電機(jī)，再生制動(dòng)系統(tǒng)電路采用二象限型符合直流斬波器[2]。其等效電路如圖1所示。電機(jī)可以在發(fā)電模式和電動(dòng)機(jī)模式下工作，因此，電機(jī)輸出的電壓和電流之間的關(guān)系如式（1）所示，電樞反電動(dòng)勢關(guān)系式如式（2），電磁轉(zhuǎn)矩如式（3）Te=KtIa（3）式中：Ea為電機(jī)電樞反電動(dòng)勢，V；V為電池電壓，Ra為電樞電阻，Ω；Ia為電樞電流，A；Ke為電壓常數(shù)；ωe為電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s；Kt為電機(jī)扭矩常數(shù)。

1.2能量回收效率

電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置采用鋰離子蓄電池，回收的能量關(guān)系如式（4），汽車制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量大小如式（5），能量回收效率計(jì)算如式（6）所示（4）（5）（6）式中：Eb為蓄電池的總能量，J；v0為汽車初始速度；m/s。1.3汽車減速度變化率汽車制動(dòng)過程中，制動(dòng)平順性評價(jià)指標(biāo)為汽車的沖擊度，即減速度的變化率dadt，汽車減速度的變化率計(jì)算公式如式（7）。（7）式中：a—汽車的縱向減速度，m/s2；v—車體縱向速度，m/s。

2再生制動(dòng)控制策略

2.1恒定充電電流策略

汽車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板的開度不同對應(yīng)不同的充電流，當(dāng)制動(dòng)踏板開度恒定時(shí)，蓄電池充電電流不變，有利于提高能量回收效率[3]。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)原理，隨著汽車轉(zhuǎn)速降低，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢也會(huì)下降，引起電樞電流上升，從而電氣再生制動(dòng)力增大，加劇汽車制動(dòng)減速度的波動(dòng)，降低制動(dòng)平順性。

2.2恒定電樞電流策略

汽車在制動(dòng)時(shí)，電樞電流的大小和制動(dòng)踏板開度成正比，恒定的制動(dòng)踏板開度意味著不變的電樞電流，也就保持再生制動(dòng)力矩的恒定，這樣有利于減少汽車減速度的波動(dòng)，提高制動(dòng)穩(wěn)定性。在這種策略下，隨著汽車轉(zhuǎn)速下降，蓄電池充電電流也會(huì)下降，不利于能量的有效回收。

3整車制動(dòng)控制策略

3.1整車制動(dòng)力分配策略

電動(dòng)汽車采用并聯(lián)制動(dòng)力分配策略，車輛在減速制動(dòng)過程中，液壓制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)相互獨(dú)立，互不影響，再生制動(dòng)力矩的加入會(huì)改變原有前后軸制動(dòng)力分配曲線。因此液壓制動(dòng)力的分配曲線與加入再生制動(dòng)力后的實(shí)際制動(dòng)力分配曲線變化曲線如圖1所示。其中I曲線是汽車?yán)硐胫苿?dòng)力分配曲線，β線是汽車液壓制動(dòng)力矩前后軸分配曲線，β′線是加入再生制動(dòng)力矩后的前后軸制動(dòng)力分配曲線。在制動(dòng)初始階段，汽車在液壓制動(dòng)力和再生制動(dòng)力的作用下進(jìn)行制動(dòng)，隨著車速的下降，汽車的再生制動(dòng)力矩也隨之下降，最后汽車在液壓制動(dòng)力矩的作用下實(shí)現(xiàn)停車。

3.2整車控制策略

如圖3所示為整車制動(dòng)控制策略，駕駛員根據(jù)車速控制制動(dòng)踏板力和位移，制動(dòng)位移決定液壓制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)的參與方式，根據(jù)并聯(lián)策略，液壓制動(dòng)力矩按照固定比例分配方式作用于前輪和后輪，再生制動(dòng)力矩僅作用于前輪，在兩者的共同作用下，實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)[4]。在電機(jī)再生制動(dòng)過程中，控制充電電流或電樞電流，調(diào)節(jié)再生制動(dòng)力矩，當(dāng)采集到的蓄電池SOC超過臨界閾值時(shí)，為了保護(hù)蓄電池，切斷再生制動(dòng)系統(tǒng)。

4建模及仿真分析

4.1仿真建模

根據(jù)上述的兩種再生制動(dòng)控制策略以及整車控制策略，在Simulink軟件中建立再生制動(dòng)系統(tǒng)模型，包含電機(jī)模型，電池模型、制動(dòng)意圖識(shí)別模型，PID控制模型，在AMESIM軟件中建立液壓制動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)模型，包含輪胎模型，整車模型，制動(dòng)盤模型以及位移、速度傳感器模型等，兩種系統(tǒng)模型通過Simulink軟件中的S-Function接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，構(gòu)成復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)模型。圖4為整車再生制動(dòng)系統(tǒng)模型。再生制動(dòng)模型中的電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)扭矩和外部制動(dòng)強(qiáng)度作為液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型的輸入，而從整車制動(dòng)模型中反饋回的汽車速度作為再生制動(dòng)模型的輸入，從而實(shí)現(xiàn)模型中的數(shù)據(jù)傳遞過程，汽車在兩種模型的相互作用下實(shí)現(xiàn)減速過程。根據(jù)再生制動(dòng)控制策略，再生制動(dòng)模型將輸入的制動(dòng)強(qiáng)度經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化成電機(jī)電樞電流值，并與電動(dòng)機(jī)反饋的電流值進(jìn)行比較，得到電流偏差，并采取PID策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到使電樞電流值恒定的目的，恒定充電電流的調(diào)節(jié)控制方法和上述類似。

4.2仿真工況

仿真工況采用在非緊急制動(dòng)時(shí)，初始速度選取v=60km/h，蓄電池SOC為0.4時(shí)，分析兩種再生制動(dòng)策略對于制動(dòng)減速度變化率的影響，并評價(jià)制動(dòng)過程中的平順性和能量回收效率。緊急制動(dòng)時(shí)，首要保證制動(dòng)安全，因此不再研究。

4.3仿真分析

圖5、圖6分別恒定充電電流再生制動(dòng)系統(tǒng)、恒定電樞電流控制策略的汽車減速度變化率變化曲線?？梢钥闯鲈谲囕v減速初期，伴隨制動(dòng)力矩的不斷提高，制動(dòng)減速度的變化率有部分波動(dòng)，當(dāng)液壓制動(dòng)力穩(wěn)定不變，減速度變化率變化僅由再生制動(dòng)力矩的變化引起。當(dāng)汽車速度無法提供產(chǎn)生電機(jī)再生制動(dòng)的最低速度時(shí)，再生制動(dòng)力矩變?yōu)榱?，造成減速度的變化率突變，對汽車有一定沖擊。從曲線變化來看，恒定電樞電流策略優(yōu)于恒定充電電流策略。如圖7為兩種策略下的蓄電池SOC變化曲線，可以看出，恒定充電電路和電樞電流策略下的SOC分別為0.4016和0.4012，前者側(cè)充電效率略優(yōu)于后者，且充電后期斜率較大，表明充電速度更快。

5結(jié)論

本次設(shè)計(jì)基于恒定充電電流和恒定電樞策略建立的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，利用AMESim-Simulink軟件建立復(fù)合仿真模型，仿真結(jié)果表明：采用恒定電樞電流策略的汽車制動(dòng)平順性優(yōu)于恒定充電電流策略，能量回收效率較差，兩者均存在當(dāng)汽車速度下降時(shí)，再生制動(dòng)力矩變化的情況，為后期的進(jìn)一步改進(jìn)提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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作者:魏進(jìn) 單位:陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院