電動(dòng)汽車再生制動(dòng)技術(shù)研究

山西中北大學(xué)研究生院車輛工程系 成龍 崔俊杰

1 引言

再生制動(dòng)是電動(dòng)汽車[1,2,3,4,5]最重要的特性之一。再生制動(dòng)[1,2,3]是指在車輛減速或制動(dòng)時(shí)，將其中一部分能量（車輛行駛動(dòng)能和坡路上汽車具有的勢(shì)能）轉(zhuǎn)化為其他形式能量存儲(chǔ)到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中以備驅(qū)動(dòng)時(shí)使用的過程。通常，電動(dòng)汽車借助二次元件電動(dòng)機(jī)被控制作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，在不增加輔助裝置的前提下，方便實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。這相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車而言更有優(yōu)勢(shì)，而其研究目前正處于起步階段，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

2 再生制動(dòng)的節(jié)能分析

傳統(tǒng)汽車的制動(dòng)原理[2]即利用制動(dòng)裝置把汽車行駛的動(dòng)能通過機(jī)械摩擦方式轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)掉，以達(dá)到使汽車制動(dòng)或減速的目的。制動(dòng)消耗的能量占到驅(qū)動(dòng)能量的很大一部分，如果能將這部分能量進(jìn)行回收，無疑將極大地提高汽車的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。再生制動(dòng)技術(shù)做到了這一點(diǎn)，其理論節(jié)能分析如下：

當(dāng)汽車在平直無坡道路上行駛時(shí)，其功率P表達(dá)式為：

式中：m為汽車總質(zhì)量；g為重力加速度；f為汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)面積；v為行駛車速；δ為汽車旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ＞1。（注：P≥0時(shí)為驅(qū)動(dòng)功率，p＜0時(shí)為制動(dòng)功率）

需求總能量E表達(dá)式為：

當(dāng)E≥0時(shí)為驅(qū)動(dòng)能量[1,2,3,5]，則在驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，蓄電池需要消耗的能量E1表達(dá)式為：

當(dāng)E＜0時(shí)為制動(dòng)能量[1,2,3,5]，則在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，蓄電池需要回收的能量E2表達(dá)式為：

式中，η1為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率，η2為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的回收效率。

給定一組汽車參數(shù)：m=1540kg；f=0.048；Cd=0.19；A=1.8m2；δ=1.05；η1=0.75；η2=0.65。分別在幾種典型運(yùn)行循環(huán)的回收工況下進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。由表可知，采用再生制動(dòng)可獲得較高的能量回收率。因此，再生制動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車的節(jié)能研究有重要的價(jià)值。

表1 典型運(yùn)行循環(huán)能量回收對(duì)比

3 電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)原理

電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)原理[2]即為在電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，二次元件電動(dòng)機(jī)以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，將汽車行駛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能保存至電能存儲(chǔ)系統(tǒng)中。在此過程中，負(fù)的電樞電流產(chǎn)生制動(dòng)性的轉(zhuǎn)矩以降低汽車的行駛車速。

圖1 二象限D(zhuǎn)C-DC變換器控制直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖

圖1為實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)控制的二象限D(zhuǎn)C-DC變換器工作原理圖。圖中U1、U2為驅(qū)動(dòng)電源電壓，其大小相等，方向相反；T1、T2為絕緣柵晶體管；D1、D2為續(xù)流二極管；M為直流電動(dòng)機(jī)；U為蓄電池等效電壓；R為蓄電池等效電阻；C為外接電容。變換器的負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)的電樞?；趫D2所示，電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)原理可從以下三種狀態(tài)來進(jìn)行分析。

3.1 電動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，T1、D2交替導(dǎo)通，T2始終截止。T1導(dǎo)通時(shí)，蓄電池電壓加到電樞兩端，電流沿回路1流通；D2導(dǎo)通時(shí)，電流沿回路2續(xù)流。通過調(diào)節(jié)T1的導(dǎo)通占空比例δ（δ=Ud/U），可以改變電樞兩端平均電壓Ud的大小。

3.2 制動(dòng)狀態(tài)

制動(dòng)過程中，T2、D1交替導(dǎo)通，T1始終截止。T2導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E產(chǎn)生反向電流并沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)；D1導(dǎo)通時(shí)，反向電流沿回路4續(xù)流，對(duì)蓄電池充電。制動(dòng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的反向電流可獲得制動(dòng)性的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)。

3.3 電動(dòng)與制動(dòng)轉(zhuǎn)換狀態(tài)

在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)T1關(guān)斷后，電流沿回路2短暫續(xù)流。當(dāng)電流衰減到0時(shí)，D2兩端壓差降為0，此時(shí)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E使T2飽和導(dǎo)通，產(chǎn)生沿回路3的反向電流，形成短時(shí)間的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)T2關(guān)斷時(shí)，反向電流沿回路4短暫續(xù)流。同樣，若反向電流衰減到0時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)E驅(qū)使T1導(dǎo)通，從而產(chǎn)生沿回路1的正向電流。所以，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)T1、D2、T2、D1輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)與制動(dòng)狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

綜上所述，在一個(gè)周期內(nèi)的0＜t≤δT區(qū)間，蓄電池電壓通過T1或D1導(dǎo)通加在電樞兩端；在δT≤t＜T區(qū)間，電動(dòng)機(jī)電樞通過T2或D2導(dǎo)通續(xù)流。因此，電動(dòng)機(jī)電樞電流始終流通，其端電壓為0，其平均電樞電流表達(dá)式為：

相應(yīng)的蓄電池充電平均電流表達(dá)式為：

回饋蓄電池的功率表達(dá)式為：

回饋蓄電池的功率對(duì)制動(dòng)功率的效率表達(dá)式為：

由上述公式可知，控制管T1的導(dǎo)通占空比δ，使之滿足0＜δ＜E/U，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。

4 電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)策略

保證整車制動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，最大限度地回收制動(dòng)能量，這是電動(dòng)汽車制動(dòng)策略的總體目標(biāo)。具體到實(shí)際結(jié)構(gòu)，就必須考慮汽車的總制動(dòng)力需求、電動(dòng)機(jī)所能提供的最大功率和能量存儲(chǔ)裝置的充、放電限制等因素，并結(jié)合控制的難易程度及成本，來制定再生制動(dòng)的控制方法。

4.1 最大回饋功率制動(dòng)策略[2]

該控制策略通過對(duì)制動(dòng)過程中電樞電流的控制，以使回收功率達(dá)到最大。該策略的充電電流和回饋功率由公式(7)，令 dP/dδ=0，得：

由上式可知，該策略的充電電流和回饋功率達(dá)到最大，回饋能量的最大效率≤50%。但該策略在車速較高時(shí)，蓄電池的充電電流和電樞電流往往會(huì)超過限值。

4.2 最大回饋效率制動(dòng)策略[2]

整車回饋效率[2]為：取dηv/d Id=0，得最大回饋效率制動(dòng)策略的電動(dòng)機(jī)

電樞電流表達(dá)式為：

式中，Tv為電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，k為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，ω為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，R為電動(dòng)機(jī)等效內(nèi)阻。

這種控制方法對(duì)電樞電流的控制，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛阻力，增加了控制的不確定性，實(shí)用性較差。

4.3 恒定充電電流制動(dòng)策略[2]

為避免過大充電電流對(duì)蓄電池造成損害，現(xiàn)提出一種更實(shí)用的控制策略。即在制動(dòng)過程中，以蓄電池充電電流為被控對(duì)象，所選取的蓄電池充電電流必須滿足：

該策略雖然能保證蓄電池的安全充電，但隨著車速的降低，電樞電流持續(xù)上升，有可能超過電樞允許最大電流，所以必須對(duì)充電電流的大小加以限制。另外，當(dāng)制動(dòng)踏板的開度與充電電流相對(duì)應(yīng)時(shí)，在相同的踏板開度下，隨著車速的降低，汽車將獲得逐漸增大的制動(dòng)力，這種現(xiàn)象不符合駕駛員的操作習(xí)慣。

4.4 恒定力矩制動(dòng)策略[2]

綜上四種制動(dòng)控制策略的分析可知，對(duì)于電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)駕駛員制動(dòng)感覺與駕駛?cè)加推嚨囊恢滦?、最大化的能量回收和制?dòng)安全性，可以考慮來自制動(dòng)踏板的制動(dòng)需求、車速、電動(dòng)機(jī)和蓄電池的電流限制等因素，綜合采用各種電動(dòng)機(jī)制動(dòng)方法。

5 結(jié)語

面對(duì)能源和環(huán)境的壓力，發(fā)展電動(dòng)汽車，實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能與能量回收，在國(guó)際上已經(jīng)形成了廣泛共識(shí)。今后，對(duì)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)技術(shù)的研究主要有三個(gè)重點(diǎn)。重點(diǎn)一是能量回收，這是再生制動(dòng)技術(shù)的根本出發(fā)點(diǎn)。重點(diǎn)二是制動(dòng)防抱死功能。重點(diǎn)三是穩(wěn)定性控制。如何運(yùn)用現(xiàn)代智能控制方法，在兼顧制動(dòng)穩(wěn)定和安全性以及能量回收的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)用方便的再生制動(dòng)系統(tǒng)，是其研究方向之一。再生制動(dòng)技術(shù)作為汽車尤其是電動(dòng)汽車技術(shù)的重要組成部分，它的進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)對(duì)汽車技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生推動(dòng)力。

[1]張子英.車輛電儲(chǔ)能制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究 [D].中北大學(xué),2011.

[2]葉敏,郭金剛.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)及其控制技術(shù) [M].人民交通出版社,北京.2013.

[3]張鵬.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) [D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[4]萬里翔.汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究 [D].西南交通大學(xué),2008.

[5]Mehrdad Ehsani等著,倪光正等譯.現(xiàn)代電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池車—基本原理、理論和設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010.