基于最優(yōu)能量回收的再生制動(dòng)控制策略

劉新天 王昊 何耀 鄭昕昕 曾國(guó)建

合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院 安徽省合肥市 230009

1 引言

純電動(dòng)汽車作為一種新型綠色環(huán)保交通工具，以蓄電池、超級(jí)電容等代替化石燃料提供能量，減少化石能源消耗，同時(shí)降低了對(duì)環(huán)境的污染[1]-[2]。但是電動(dòng)汽車的續(xù)航里程問(wèn)題成為限制它發(fā)展的障礙。電動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)就是在進(jìn)行制動(dòng)過(guò)程中能夠進(jìn)行能量的回收利用。大大提高了能源利用率同時(shí)提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程[3]。文獻(xiàn)[4]介紹一種電液復(fù)合制動(dòng)控制策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該制動(dòng)策略可以回收5.34%的制動(dòng)能量。文獻(xiàn)[5]通過(guò)分析ECE法規(guī)和I曲線設(shè)計(jì)了三種不同控制策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證續(xù)航里程較無(wú)能量回收提高35.3%。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于模糊控制的電動(dòng)汽車機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力分配策略，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車再生制動(dòng)力分配模糊控制器，計(jì)算前后輪上分別加載的機(jī)電復(fù)合制動(dòng)力大小。

但是，目前的再生制動(dòng)分配方式仍有部分能量未回收利用。因此本文提出一種最優(yōu)能量回收控制策略，通過(guò)分析電機(jī)轉(zhuǎn)矩與需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系得到最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能夠充分回收利用制動(dòng)能量，同時(shí)保證制動(dòng)安全性。

2 動(dòng)力學(xué)模型

2.1 電動(dòng)汽車受力分析

電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中所收到的各種力的作用，其中包括輪胎與地面的滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、上坡阻力Fi、加速阻力Fa。行駛動(dòng)力由電機(jī)轉(zhuǎn)矩提供，因此汽車的受力方程為：

2.1.1 滾動(dòng)阻力

車輛在硬地面上，輪胎的滾動(dòng)阻力基本起因于輪胎材料的滯變作用，它是在輪胎滾動(dòng)時(shí)，由于輪胎刻撓曲所產(chǎn)生的作用。計(jì)算公式如下：

其中，M為汽車質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)系數(shù)。

2.1.2 空氣阻力

汽車在行駛過(guò)程中由于空氣動(dòng)力的作用受到的阻力稱為空氣阻力。

其中，Ρ為空氣密度；c為風(fēng)阻系數(shù)；S為迎風(fēng)面積；V為汽車速度。

2.1.3 上坡阻力

汽車在上坡過(guò)程中重力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下坡方向的力，稱為上坡阻力。

其中，α為路面傾斜角。

2.1.4 加速阻力

汽車在加速行駛時(shí)用來(lái)克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，稱為加速阻力。

其中，δm為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

2.2 電機(jī)運(yùn)行特性

電動(dòng)汽車在進(jìn)行再生制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速n大于額定轉(zhuǎn)速nN時(shí)，此時(shí)電

機(jī)以額定功率制動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n小于等于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)矩制動(dòng)[7]-[9]。因此電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

其中，TN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；PN為電機(jī)額定功率；nN為額定轉(zhuǎn)速。

3 最優(yōu)能量回收效率的再生制動(dòng)控制策略

根據(jù)以上分析提出一種最優(yōu)能量回收效率的再生制動(dòng)控制策略。該控制策略如圖1所示。

根據(jù)制動(dòng)踏板位置計(jì)算得到駕駛員需求的總制動(dòng)力，再根據(jù)當(dāng)前車速計(jì)算此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步得到電機(jī)所能提供最大再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)需求轉(zhuǎn)矩與電機(jī)所能提供的最大值制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較，若電機(jī)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于需求轉(zhuǎn)矩，則再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為需求轉(zhuǎn)矩。若電機(jī)最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于需求轉(zhuǎn)矩，則再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其余轉(zhuǎn)矩由其他制動(dòng)力矩提供。

圖1 最優(yōu)能量回收控制策略

4 結(jié)語(yǔ)

分析電動(dòng)汽車制動(dòng)過(guò)程中的受力狀況，建立了電動(dòng)汽車的動(dòng)力學(xué)模型，并且通過(guò)分析電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性提出了種最優(yōu)能量回收制動(dòng)策略，該控制策略通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與需求制動(dòng)力矩進(jìn)行比較得到制動(dòng)力矩，在保證安全性的基礎(chǔ)上能夠最大的回收利用制動(dòng)能量。