電動汽車制動能量回收控制策略解析

　電動汽車（EV）的研究是在環(huán)境保護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，提高能量的儲備與利用率是迫切需要解決的兩個問題。盡管蓄電池技術(shù)有了長足進步，但由于受安全性、經(jīng)濟性等因素的制約，近期不會有大的突破。因此如何提高EV能量利用率是一個非常關(guān)鍵的問題。
　　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(qū)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(guān)重要的。國外有關(guān)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(nèi)關(guān)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(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題。研制一種既具有實際效用、又符合司機操作習(xí)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(jié)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(yīng)采用不同的控制策略。
　　1.1 急剎車
　　急剎車對應(yīng)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(yīng)以機械為主，電剎車同時作用。在急剎車時，可根據(jù)初始速度的不同，由車上ABS控制提供相應(yīng)的機械制動力。
　　1.2 中輕度剎車
　　中輕度剎車對應(yīng)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(fù)責(zé)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(xiàn)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(yīng)滿足以下要求：
　?。?）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(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似，這將保證在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)有吸引力，可以為大眾所接受。
　?。?）考慮驅(qū)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(yīng)異步電機，應(yīng)針對不同的電機的發(fā)電效率特性，采取相應(yīng)的控制手段。
　?。?）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：
　?。?）根據(jù)電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。
　?。?）電池可接受的最大充電時間。
　?。?）能量回收停止時電機的轉(zhuǎn)速及與此相對應(yīng)的充電電流值。
　　本項目原型車為XL型純電動車，驅(qū)動采用異步交流電機，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，可持續(xù)安全充電。實驗表明，在電機轉(zhuǎn)速為500r/min時，充電電流小于6A。可設(shè)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(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(yīng)于短時間（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。對于電機來說，在制動過程中，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(guān)。在滿足制動時間要求的前提下，通過調(diào)節(jié)電機制動轉(zhuǎn)矩可以控制電機轉(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)制動力，使回收的能量達(dá)到最大，即電流對時間的積分達(dá)到最大。為了與平常的剎車習(xí)慣相符合，令制動力隨剎車時間呈線性增長，即Fj=Fo+Kt。問題轉(zhuǎn)換為尋找最優(yōu)的制動力初值Fo和制動力增長系數(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(yīng)電機轉(zhuǎn)速為4500r/min），電制動結(jié)束速度為5.4km/h（對應(yīng)電機轉(zhuǎn)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(rèn)為電池單體端電壓為12.5V，總電壓等于300V。據(jù)此假設(shè)，計算所得的充電電流誤差不超過6%。