純電動(dòng)客車制動(dòng)電阻回饋方案設(shè)計(jì)

梁豐收， 林 超， 姜昆明， 楊 偉

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118)

純電動(dòng)客車在動(dòng)力電池滿電時(shí)為避免電池過充損壞，禁止回饋制動(dòng)，因此引發(fā)車輛的制動(dòng)性能下降，在不同SOC下的回饋制動(dòng)力一致性差。另外對(duì)于輪邊驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)的純電動(dòng)客車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車輪間無傳動(dòng)軸[1]，難以加裝緩速器，當(dāng)車輛滿電時(shí)，也無法執(zhí)行回饋制動(dòng)，不能滿足GB 12676—2014中IIA型試驗(yàn)(緩速制動(dòng)性能)要求[2]。有方案提出利用超級(jí)電容或大電感并聯(lián)在電池兩端以存儲(chǔ)回饋能量[3]。由于在IIA型試驗(yàn)中要求緩速制動(dòng)的平均回饋功率和回饋總電量要大，所以這種方案要匹配相應(yīng)等級(jí)的電容或電感在成本和體積上不可取，且該方案只能存儲(chǔ)能量，電容或電感無法消耗能量，還需提供額外途徑給其放電。

本文針對(duì)純電動(dòng)客車設(shè)計(jì)一種滿電回饋方式，利用制動(dòng)電阻釋放回饋電能，使車輛在全SOC范圍內(nèi)都能執(zhí)行回饋制動(dòng)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，提升制動(dòng)性能。

1 制動(dòng)電阻回饋方案

1.1 制動(dòng)電阻回饋原理

車輛執(zhí)行制動(dòng)回饋時(shí)，整車控制器將蓄電池不能吸收的回饋功率發(fā)送給電阻控制器，由制動(dòng)電阻釋放。電阻控制器通過IGBT管將制動(dòng)電阻接入電池回路，并由PWM波調(diào)節(jié)電阻兩端電壓控制釋放功率P的大?。?/p>

P=U2/R

(1)

式中：U為控制器輸出電壓端電壓，最高電壓為母線電壓；R為制動(dòng)電阻阻值。

制動(dòng)電阻回饋原理圖如圖1所示。

圖1 制動(dòng)電阻回饋原理圖

1.2 制動(dòng)電阻功率計(jì)算

在純電動(dòng)車的IIA型試驗(yàn)中，車輛依靠電機(jī)的回饋扭矩致使車輛在斜坡上受力平衡從而勻速下滑[4]。車重越大，所需電機(jī)回饋扭矩越大，產(chǎn)生的回饋功率也就越大[5]，因此需匹配相應(yīng)等級(jí)的制動(dòng)電阻來釋放回饋功率。

以某純電動(dòng)客車(質(zhì)量為9 700 kg)為例，根據(jù)GB 12676—2014中IIA型試驗(yàn)(緩速制動(dòng)性能)條件，計(jì)算出車重對(duì)應(yīng)的電機(jī)回饋扭矩和回饋功率[2]。

已知車輛在7%斜坡上受力平衡：

F+f1+f2=mgsinα

(2)

輪胎滾動(dòng)阻力：f1=μmgcosα

(3)

整車風(fēng)阻：f2=CAv2/21.15

(4)

電制動(dòng)回饋功率：PB=F·v

(5)

回饋扭矩：T=F·R·η/n

(6)

式中：α為試驗(yàn)坡度，tan α=0.07；μ為30 km/h車速下車輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)，值為0.006 51；A為車輛迎風(fēng)面積，值為7.44 m2；C為風(fēng)阻系數(shù)，值為0.62；η為機(jī)械軸的效率，值為0.913；v為試驗(yàn)要求的勻速速度，30 km/h；R為車輪滾動(dòng)半徑，值為0.513 m；n為減速器速比，值為8.5。

將相關(guān)參數(shù)代入以上各式求得：電機(jī)需提供回饋功率44.6 kW，回饋制動(dòng)扭矩322 N·m。試驗(yàn)中要求電池滿電，回饋能量須全部由制動(dòng)電阻釋放[6]，所以匹配制動(dòng)電阻的額定釋放功率應(yīng)不小于44.6 kW，本方案選取電阻額定釋放功率為44.6 kW。

1.3 回饋策略制定

引入制動(dòng)電阻使整車能執(zhí)行的回饋能力增加44.6 kW，即滿電時(shí)由制動(dòng)電阻釋放功率44.6 kW，非滿電下回饋能量?jī)?yōu)先由電池吸收，多余回饋能量由制動(dòng)電阻釋放。電池允許回饋功率P1由電池管理器BMS根據(jù)電池電荷量SOC值、電池狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算得到[7]，具體回饋策略如下：

整車控制器通過車速、制動(dòng)踏板深度、電池狀態(tài)信息等計(jì)算出車輛當(dāng)前需要的總回饋功率P2，當(dāng)電池禁止回饋電量時(shí)，回饋功率P2全部由制動(dòng)電阻釋放；當(dāng)電池允許回饋電量時(shí)，若P2≤P1，總回饋功率P2全部由電池吸收儲(chǔ)存；若P2>P1，則制動(dòng)功率優(yōu)先回饋給電池P1，多余的回饋功率由制動(dòng)電阻釋放，即制動(dòng)電阻釋放功率為P2-P1[8]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)有額定44.6 kW的制動(dòng)電阻和電阻控制器，加裝在某純電動(dòng)客車上做IIA型制動(dòng)試驗(yàn)；另驗(yàn)證當(dāng)車輛回饋功率減小時(shí)，制動(dòng)電阻的釋放功率P是否跟隨回饋功率P2變化，使電阻工作時(shí)不額外損耗電池電量；及驗(yàn)證當(dāng)電池允許回饋下，整車是否分配回饋功率。

2.1 IIA型制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

整車控制器設(shè)定車輛在車速為30 km/h，雙電機(jī)執(zhí)行的回饋扭矩322 N·m剛好滿足車輛在斜坡上受力平衡的要求，試驗(yàn)時(shí)SOC值為100%，電池不允許回饋能量，用牽引車牽引車輛，模擬IIA型制動(dòng)試驗(yàn)工況。

如表1和圖2所示，車輛在外力的牽引下，車速穩(wěn)定在30 km/h，持續(xù)執(zhí)行制動(dòng)回饋，回饋功率和制動(dòng)電阻上釋放的功率均約為44.6 kW，持續(xù)時(shí)間大于12 min(試驗(yàn)距離大于6 km)，電機(jī)回饋扭矩與理論值相等，示波器測(cè)得母線無沖擊電壓、電池端無充電電流[9]，滿足IIA型試驗(yàn)要求，具備緩速制動(dòng)性能。

表1 車速、回饋扭矩和釋放功率測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖2 母線電壓、電阻電流、母線電流波形圖

2.2 制動(dòng)電阻釋放功率跟隨性驗(yàn)證

牽引車以25 km/h牽引車輛，然后將車速降至15 km/h，驗(yàn)證當(dāng)回饋功率變化時(shí)制動(dòng)電阻的釋放功率P能否及時(shí)響應(yīng)[9]。

如表2所示，在車速?gòu)?5 km/h變化至15 km/h的過程中，回饋扭矩跟隨車速變化，因此回饋功率P2也在變化。制動(dòng)電阻的釋放功率P與回饋功率P2保持一致，證明制動(dòng)電阻控制跟隨性良好，不會(huì)額外消耗電池電量。

表2 車速、回饋扭矩和釋放功率數(shù)據(jù)表

2.3 整車回饋功率分配試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)SOC值為60%電池允許回饋(一般SOC≥95%時(shí)電池禁止回饋)，車輛加速至55 km/h后，松油門，踩剎車。

如圖3所示，車輛執(zhí)行剎車回饋功率P2，當(dāng)P1≥P2時(shí)，回饋能量全部由電池吸收；當(dāng)P1

圖3 分配回饋功率波形圖

2.4 制動(dòng)電阻溫度測(cè)試

當(dāng)制動(dòng)電阻消耗回饋能量時(shí)，會(huì)大量發(fā)熱，試驗(yàn)全程監(jiān)測(cè)制動(dòng)電阻的溫度和出風(fēng)口溫度。

制動(dòng)電阻持續(xù)工作中內(nèi)部溫度持續(xù)升高，經(jīng)風(fēng)扇冷卻后溫度趨于穩(wěn)定，可持續(xù)工作；由于制動(dòng)電阻工作發(fā)熱量大，后續(xù)可開發(fā)水冷制動(dòng)電阻，以提升散熱性能。

3 結(jié)束語

引入制動(dòng)電阻單元可以解決純電動(dòng)車滿電不能回饋問題，使車輛在全SOC范圍內(nèi)都具有緩速制動(dòng)性能，滿足GB 12676—2014中IIA型制動(dòng)試驗(yàn)(緩速制動(dòng)性能)要求[10]。

在非試驗(yàn)條件，制動(dòng)電阻也可以參與制動(dòng)，提升整車在不同SOC下回饋制動(dòng)的一致性，改善駕駛員駕駛感受，減輕機(jī)械制動(dòng)負(fù)荷[11]。

電阻控制器響應(yīng)整車控制器命令，可以實(shí)時(shí)、無極調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻上的泄放功率，接入回路中不會(huì)額外損耗電池電量且智能分配回饋功率。