電動車再生制動系統(tǒng)的仿真及試驗研究

王茹潔，武志斐

（太原理工大學車輛工程系，山西 太原 030024）

1 引言

電動自行車是一種在城市廣泛應用的新型自行車，由于行駛環(huán)境的特殊性，制動較頻繁，現有研究表明：在城市工況下，小型車輛在制動過程中消耗的制動能量約占總驅動能量的50%[1]。電動自行車具有能量來源可持續(xù)、零排放、輕巧便捷等優(yōu)點，逐漸成為研究熱點，但蓄電池充電時間長、續(xù)駛里程短等因素限制了電動自行車的推廣。目前，最需解決的問題是提高電動自行車的續(xù)駛里程。

文獻[2]分析了再生制動回收系統(tǒng)的可行性，試驗研究表明加裝制動回收系統(tǒng)的電動車在單次充滿電后提高行駛里程（5～20）%。

為解決試驗車續(xù)駛里程不足問題，文獻[3]將ADVISOR原有策略與模糊控制策略進行對比，得出后者回收率策略優(yōu)于前者。文獻[4]針對前后軸制動力保持固定的混合系統(tǒng)，提出了一種電機與機械制動力分配的優(yōu)化方法，得出制動能量回收率比模糊控制多16%。文獻[5]采用電機和帶ABS的并聯制動方式，得到能量回收效率為42.7%，但此方法復雜，只有改變制動狀態(tài)才能回收能量。文獻[6]將理想制動力I曲線和ECE法規(guī)結合進行制動力優(yōu)化分配，得出制動回收效率為24%。

針對富士達電動自行車，在Matlab/Simulink中建立模糊控制策略模型進行仿真；搭建試驗臺架并測試試驗車在緊急制動、中輕度制動及下長坡制動三種工況下回收的能量，比較分析試驗結果與仿真結果，驗證試驗的可行性。

2 電動自行車再生制動原理

電動自行車在制動過程中，車輪與路面之間摩擦生熱消耗部分制動能量，若將這部分能量回收利用，可增加試驗車的續(xù)駛里程。

當前后輪同時抱死，同步附著系數等于制動強度。Fbf、Fbr[7]為前后輪總的制動力，公式如下：

式中：φ—路面附著系數；z—制動強度；Fz1、Fz2—前后輪的法向反作用力，N；Fb—總制動力，N。

式中：a—前輪距質心的距離，m；b—后輪距質心的距離，m；L—前、后輪之間的距離，m；hg—質心高度，m。

β[8]定義為驅動輪的制動力與總制動力的比值，如下式所示：

式中：Fre—后輪的再生制動力，N。

電機額定功率范圍內，回收的能量為下式：

式中：T—電機轉矩，N·m；n—電機轉速，r/min；η—電機效率。

制動能量回收率η可反映回收的能量，如下：

式中：Ec—電容回收的能量，J；ω1—制動初始速度，rad/s；ω2—制動終了速度，rad/s。

3 基于模糊控制的制動力分配

制動過程中，采取不同類型的控制策略分配制動力，會產生不同的能量回收效果。為了更佳的分配機械制動力與再生制動力，確保前后輪協調配合，高效運行，選取模糊控制策略[9-10]。

3.1 模糊控制總體結構

模糊控制器的總體結構，如圖1所示。由圖知，輸入量為：制動強度、蓄電池SOC、電機轉速n；輸出量為再生制動力占總制動力的比值k。

圖1 模糊控制器結構Fig.1 Fuzzy Controller Structure

3.2 模糊控制器設計

首先，確定模糊控制器三個輸入量和輸出量的模糊子集都為｛high，middle，low｝。n的論域為［-1，1］，制動強度和 SOC 模糊論域為［0，1］。隸屬度函數均為高斯型，輸入、輸出量的分布，如圖2所示。

圖2 制動強度z、蓄電池SOC、電機轉速n和再生制動力占總制動力比值K的隸屬度函數Fig.2 The Membership Function of the Brake Strength z，Battery SOC，Motor Speed n and Regenerative Braking Force in Total Braking Force Ratio K

然后，根據模糊變量之間的關系表示出模糊控制規(guī)則，將其導入計算機內控制再生制動力的比值。最后，將模糊輸出量進行解模糊化，采用加權平均法，即：

式中：βi—第i條規(guī)則輸出結果；Ki—在第i條規(guī)則中電機制動力所占比例；K—總輸出量。

再生制動力所占比值k與z、SOC以及n之間的關系如圖3所示。由圖 3（a）知，當 z減小，n 增大時，k 逐漸增大；由圖 3（b）知，當z和SOC都減小時，k逐漸增大；由圖3（c）知，當soc減小，n增大時，再生制動比例k逐漸增大。由此可知，z減小，SOC減小，n增大，k值就增大。z>0.4，soc>0.4，n>-0.5 時，k基本保持在0.5附近。

圖3 z、SOC、n與k的關系Fig.3 The Relationship Between z、SOC、N and k

4 試驗臺架設計

4.1 試驗臺總體結構

試驗臺零部件包括：富士達電動自行車，45齒和15齒鏈輪，傳動軸，帶座軸承，電磁離合器，12V蓄電池，發(fā)電機，整流器（6只二極管組成），超級電容及220Ω電阻。試驗車參數，如表1所示。

表1 電動自行車參數Tab.1 Electric Bicycle Parameters

制動過程中，放開轉把，電磁離合器與12V蓄電池立即接通，使得離合器左右兩側吸合，將驅動輪的動能傳遞給發(fā)電機來回收電能；加速過程中，轉動轉把，電磁離合器與蓄電池斷開，不回收能量。臺架模型，如圖4所示。

圖4 臺架模型Fig.4 Bench Model

為了直觀的表示制動過程中回收的能量，首先將45齒鏈輪固定在自行車后輪上，通過鏈傳動傳遞給15齒鏈輪，帶動電磁離合器一側轉動；然后接通蓄電池，使電磁離合器兩側吸合，通過聯軸器將動能傳遞給發(fā)電機；最后發(fā)電機將動能轉化為電能存儲到超級電容。

4.2 試驗臺工作原理

試驗臺是在試驗車的基礎上進行改進和擴充，目標是測試多種工況下能量回收性能，為優(yōu)化控制策略提供良好的試驗平臺。

電動自行車轉把轉角可分為三等分，分別代表高速、中速和低速，以此來模擬緊急制動、中輕度制動和下長坡制動工況。當轉把轉到某一工況時，松開轉把，接通12V蓄電池，驅動輪將慣性能通過鏈傳動傳遞給發(fā)電機，再經整流器將不穩(wěn)定的交流電轉變?yōu)橹绷麟姡厥盏匠夒娙葜?。分別測量三種工況下超級電容兩端電壓及驅動輪轉速，電壓用TBS1064示波器測量，轉速用無線扭矩節(jié)點測量，如圖5、圖6所示。

圖5 超級電容兩端電壓Fig.5 Super Capacitor Voltage

圖6 電動自行車驅動輪轉速Fig.6 Speed of Driving Wheel of Electric Bicycle

制動過程中，驅動輪五秒左右停止，超級電容由于充放電時間短作為儲能裝置，而仿真過程將電池作為儲能裝置。試驗過程沒有考慮車輪與路面之間的摩擦，主要是為了驗證制動慣性能量轉化為電能的最大效率。機械制動力主要是輪轂電機內部摩擦產生，再生制動力由發(fā)電機產生。

制動結束時，超級電容兩端的電壓在三種工況下分別為10.2V、7.4V和2.6V；驅動輪轉速分別為399r/min、315r/min和224r/min。三種工況下最大制動強度z分別為0.7020、0.2161、0.4412，中輕度制動工況下z最小，則再生制動力所占比例最小。

5 仿真與試驗結果分析

5.1 simulink模型

為驗證控制策略可行性，在Matlab/Simulink中建立控制模型，如圖7所示。在確保安全性和可靠性的同時，合理分配試驗車兩個輪的再生制動力與機械制動力，提高能量回收效率。

圖7 simulink模糊控制模型Fig.7 Simulink Fuzzy Control Model

試驗車自定義三種工況，即緊急制動、中輕度制動、下長坡制動，制動初始速度分別為7.445m/s、5.861m/s、4.169m/s。分別對三種工況進行仿真驗證，得出電池SOC提升了3.22%、1.56%、0.36%。

5.2 比較分析

試驗車仿真與試驗能量回收效果，如表2所示。由此可知，在緊急制動、中輕度制動、下長坡制動三種工況下，仿真的能量回收率分別高于試驗2.85%、1.54%、2.48%。因為試驗過程中鏈條自重消耗能量較多，導致能量回收效果低。其中，安裝在后輪的鏈輪質量為2.3kg，半徑為0.116 m。

表2 試驗車能量回收效果對比Tab.2 Comparison of Test Vehicle Energy Recovery

6 結論

根據再生制動原理，選取模糊控制策略來分配試驗車前后輪的機械制動力和再生制動力，并在MATLAB/simulink中進行仿真；然后用富士達自行車搭建實驗臺架，將不同工況下制動初始的慣性能通過鏈傳動傳遞給發(fā)電機，再將能量存儲到超級電容中進行驗證；最后，對比分析緊急制動、中輕度制動、下長坡制動三種工況下的能量回收率，仿真結果分別高出試驗2.85%、1.54%、2.48%。