基于分布式線控制動(dòng)系統(tǒng)的能量回收技術(shù)研究

盧明宇, 李 進(jìn)*, 王 磊, 司志遠(yuǎn), 苑鳳霞, 高 宇

(1.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;2.安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院,安徽 蚌埠 233030)

隨著能源危機(jī)加劇,全球陷入能源恐慌,加之環(huán)保因素,電動(dòng)汽車得到了人們的重視,但是續(xù)航能力制約了其發(fā)展速度,所以針對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航問題的研究是當(dāng)下迫切需要解決的一個(gè)重要問題[1]。研究表明,電動(dòng)汽車能量回收能有效地提升其續(xù)航能力[2]。對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展而言,能量回收已是當(dāng)下最為迫切需要解決的問題。制動(dòng)能量是指汽車制動(dòng)時(shí)已輸出的機(jī)械能;回收是指將汽車行駛時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式(主要是電儲(chǔ)能[3]：即通過電機(jī)儲(chǔ)存在電池中的能量)的能量?jī)?chǔ)存起來,以便轉(zhuǎn)化使用。所以電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收是通過駕駛員制動(dòng)汽車時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)行機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化,并通過分布式電機(jī)的反轉(zhuǎn)將汽車穩(wěn)定減速或停止下來,同時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)化給電池,達(dá)到電池充電狀態(tài),以增加其續(xù)航能力[4]。研究表明,通過能量制動(dòng)回收可以提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力10%～30%。

目前已有學(xué)者針對(duì)制動(dòng)能量回收做出相應(yīng)研究,梁修天等[5]提出一種基于分布式驅(qū)動(dòng)電機(jī)失效補(bǔ)償法,能有效提升汽車穩(wěn)定性,增加能量回收效果,但各部分傳輸效果還需提高。李明等[6]利用分布式線控制動(dòng)能有效地提升制動(dòng)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的信息傳遞,提升控制的容錯(cuò)性,增加制動(dòng)的安全性,增加制動(dòng)能量回收效果。朱文靜等[7]利用分布式線控制動(dòng)策略,提升制動(dòng)效果,增加制動(dòng)的安全性。陳贊等[8]在確保制動(dòng)安全性的前提下,從車速和電池荷電狀態(tài)的角度研究制動(dòng)能量的回收情況,通過研究發(fā)現(xiàn),車速、電池核電荷狀態(tài)對(duì)能量回收有一定程度的影響。常九健等[9]從制動(dòng)強(qiáng)度入手,研究不同制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)能量回收率的影響,得出電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)不僅反應(yīng)快,且回收的制動(dòng)能量相對(duì)較多,但此研究考慮到制動(dòng)強(qiáng)度變量相對(duì)單一,需增加多因素變量研究。陳勇等[10]通過電機(jī)回收力矩研究對(duì)電池電量以及汽車?yán)m(xù)航里程的影響,得出頻繁制動(dòng)工況下,能量回收更大。

由此可知,分布式線控制動(dòng)技術(shù)能有效地提升能量回收效果。同時(shí)由上述分析可推測(cè)車速、電池SOC、制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)能量回收有較大影響,需進(jìn)一步研究制動(dòng)能量回收率的問題,本研究基于分布式制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車能量回收進(jìn)行研究,在確保制動(dòng)穩(wěn)定的前提下,對(duì)制動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)力研究,以及車速對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的力矩與能量回收的影響進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)出制動(dòng)策略。通過研究,對(duì)分布式線控制系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)能量回收的效果進(jìn)行分析與探討。

1 分布式線控制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

1.1 分布式線控制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)延遲性、能量損失問題,本研究利用控制器、傳感器、電機(jī)、電池組設(shè)計(jì)出制動(dòng)能量回收系統(tǒng)[11-12]。

通過導(dǎo)線、控制器、傳感器將制動(dòng)踏板與電機(jī)、電池組連接起來,形成一個(gè)制動(dòng)、能量回收環(huán),以達(dá)到制動(dòng)穩(wěn)定的能量回收系統(tǒng)。區(qū)別于傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng),電信號(hào)傳遞速度相對(duì)較快,控制器能精確地計(jì)算出制動(dòng)力的大小,并將制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行前、后軸分配,實(shí)現(xiàn)高效性工作。線控制動(dòng)系統(tǒng)能夠減少?gòu)?fù)雜的機(jī)械及液壓結(jié)構(gòu),降低傳遞過程中能量的損耗,同時(shí)降低汽車自重,節(jié)約自身消耗能量問題;另外通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化,使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí),踩下制動(dòng)踏板,位移傳感器采集踏板的制動(dòng)信息,將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳遞給控制器。控制器將識(shí)別駕駛員的控制意圖,并將控制意圖傳遞給上層控制器[13]。上層控制器進(jìn)行制動(dòng)強(qiáng)度的識(shí)別以及制動(dòng)模式的選擇,將處理后的信息傳遞給下層制動(dòng)器[14]。下層制動(dòng)器利用制動(dòng)策略進(jìn)行制動(dòng)力分配,達(dá)到制動(dòng)效果;同時(shí)通過車輪傳感器傳遞制動(dòng)速度、上層控制器傳遞的制動(dòng)強(qiáng)度以及電池組反饋的電池容量(SOC)的大小,確定制動(dòng)能量回收強(qiáng)度。

圖1 分布式制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of distributed braking system

1.2 再生制動(dòng)力分配設(shè)計(jì)

下層控制器進(jìn)行制動(dòng)強(qiáng)度信息處理時(shí),為確保制動(dòng)的穩(wěn)定性,將每個(gè)車輪的制動(dòng)力按照轎車制動(dòng)力分配曲線進(jìn)行分配[15],由此可對(duì)前后車輪進(jìn)行受力分析表達(dá),如式(1)所示：

(1)

其中,F1為前軸法向反作用力(N);F2為后軸法向反作用力(N);G為整車重力(N);L為前后軸距(m);a為前軸到質(zhì)心距(m);b為后軸到質(zhì)心距(m);φ為汽車的利用附著系數(shù);h為質(zhì)心高(m)。

當(dāng)前后輪抱死狀況下,其表達(dá)式如式(2)：

(2)

其中,F3為前軸制動(dòng)力(N);F4為后軸制動(dòng)力(N);T1為制動(dòng)力矩(Nhm);R為車輪半徑(m)。

將上式進(jìn)行整理可以得出F4與F3之間關(guān)系,如式(3)：

(3)

其中,制動(dòng)力矩T1與前、后制動(dòng)力之間關(guān)系如式(4)：

T1=(F3+F4)R

(4)

制動(dòng)強(qiáng)度Z與制動(dòng)力矩T1之間的關(guān)系如式(5)：

(5)

結(jié)合式(3)～(5)可以看出,在汽車制動(dòng)過程中,制動(dòng)強(qiáng)度Z隨著前、后制動(dòng)力改變而改變。

為確保制動(dòng)過程中的安全性,結(jié)合ECE R13制動(dòng)法規(guī)[16],在制動(dòng)時(shí)對(duì)前、后制動(dòng)力進(jìn)行分配,結(jié)合計(jì)算,本研究中前、后制動(dòng)強(qiáng)度Z取0.1～0.6。

2 制動(dòng)能量回收研究

2.1 電機(jī)模型設(shè)計(jì)

由圖1知,在線控制動(dòng)能量回收的整個(gè)過程中,電機(jī)是能量轉(zhuǎn)化中核心部件之一。其正反轉(zhuǎn)的不同決定著電機(jī)是驅(qū)動(dòng)的能量輸出,還是制動(dòng)的能量回收,以及制動(dòng)能量回收的效果。所以對(duì)電機(jī)的分析至關(guān)重要。

無論是在汽車行駛過程中還是在制動(dòng)過程中,電機(jī)的功率決定著驅(qū)動(dòng)能耗和制動(dòng)能量的回收效果。因此在分析汽車能量回收時(shí),從電機(jī)功率切入,分析制動(dòng)再生能量在制動(dòng)過程中的回收情況,從而找出影響能量回收的相關(guān)因素。

電壓、電阻、轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著電機(jī)回收功率,其表達(dá)式如式(6)：

(6)

其中,P為電機(jī)功率(W);R為等效電阻(Ω);U為充電電壓(V);K1為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù);n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/s)。

由功率的定義知,制動(dòng)能量可以通過制動(dòng)功率對(duì)時(shí)間的疊加來計(jì)算,如式(7)所示：

(7)

將式(6)代入式(7)得式(8)：

(8)

電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式如式(9)：

(9)

其中,v為制動(dòng)速度(m/s);s為車輪滑移率;v0為制動(dòng)初速度(m/s);r為車輪半徑(m)。

(10)

(11)

當(dāng)確定好研究方向時(shí),車型與工況基本已確定,即K1、r、R、s已是定量,本研究為提升制動(dòng)能量回收效果,由式(11)得知,當(dāng)制動(dòng)初始速度>10 km/h時(shí),能量回收更加顯著。

2.2 電池模型

在研究電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)能量回收時(shí),汽車無論是在行駛還是在制動(dòng)的過程中,電池都在做無差別地放電或充電的工作。但研究發(fā)現(xiàn)[17-18],當(dāng)電池的容量(SOC)在10%～90%時(shí),電池提供穩(wěn)定的工作電壓,此階段最適合對(duì)電池進(jìn)行充電,也是最適合進(jìn)行制動(dòng)能量回收的階段;當(dāng)SOC>90%或SOC<10%時(shí),由于電壓不穩(wěn)定,為了保護(hù)電池的使用壽命和增加電池的續(xù)航能力,不宜對(duì)電池進(jìn)行充電,故此階段下層控制器要進(jìn)行能量回收系統(tǒng)控制,不再進(jìn)行制動(dòng)能量回收[19-20]。

2.3 控制策略設(shè)計(jì)

制動(dòng)能量的回收受到制動(dòng)強(qiáng)度、制動(dòng)初速度、電池SOC的影響[21-22]。本研究中制動(dòng)強(qiáng)度取0.1～0.6,宜開展制動(dòng)能量的回收,當(dāng)制動(dòng)初速度>10 km/h時(shí),制動(dòng)能量回收占比增大。據(jù)此進(jìn)行制動(dòng)策略的設(shè)計(jì),其流程如圖2所示,其制動(dòng)能量模型如圖3所示。

圖2 制動(dòng)控制能量回收流程圖Fig.2 Flow chart of brake control energy recovery

圖3 能量回收模型圖Fig.3 Energy recovery model

3 仿真分析

3.1 仿真搭建

為驗(yàn)證分布式線控制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制策略的效果,利用Simulink與CarSim進(jìn)行仿真。在不考慮線控傳遞過程中能量損失的情況下,對(duì)分布式模糊控制系統(tǒng)能量回收策略與改進(jìn)后的控制策略進(jìn)行對(duì)照,分別在不同路況下進(jìn)行仿真試驗(yàn),其中汽車模型參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 不同工況下速度分析 對(duì)ECE、CLTC-P、NEDC工況下進(jìn)行車速監(jiān)控,如圖4所示。

圖4 3種工況下速度監(jiān)控曲線圖Fig.4 Speed monitoring curve under three working conditions

3.2.2 控制策略優(yōu)化前后SOC變化 在3種不同路況下,相同的電池SOC,整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,隨著制動(dòng)策略的優(yōu)化,制動(dòng)過程中電池SOC變化對(duì)照仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種工況下電池SOC變化對(duì)照曲線圖Fig.5 Comparison curve of battery SOC change under three working conditions

3.2.3 控制策略優(yōu)化前后能量回收對(duì)比 3種路況下,控制策略優(yōu)化前、后能量回收對(duì)照仿真結(jié)果如圖6所示。由圖4～6可知,在運(yùn)動(dòng)循環(huán)工況下,隨著速度的變化,由能量回收變化示意圖可知,ECE工況下,在57 s時(shí),控制策略優(yōu)化前后制動(dòng)能量回收均增加,但差別不大。但在131 s后優(yōu)化后能量收回率比優(yōu)化前要好,在能量回收結(jié)束時(shí),優(yōu)化后的能量?jī)?chǔ)存是5.16×105J,優(yōu)化前是4.32×105J。CLTC-P工況下,在69 s時(shí),優(yōu)化前、后的方案都提升了對(duì)能量回收,在能量回收結(jié)束時(shí),優(yōu)化后的能量?jī)?chǔ)存是13.43×105J,優(yōu)化前是4.17×105J。NEDC工況下,在200 s時(shí),優(yōu)化前、后的方案都在提升對(duì)能量回收,在能量回收結(jié)束時(shí),優(yōu)化后的能量?jī)?chǔ)存是5.85×105J,優(yōu)化前是4.30×105J。按照設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),在制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間后,無論何種路況都能促進(jìn)制動(dòng)能量回收的效果。

圖6 3種工況下能量回收量對(duì)照曲線圖Fig.6 Comparison curve of energy recovery under three working conditions

4 結(jié)論

本研究提出在分布式線控制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化能量回收控制策略。通過分析電機(jī)對(duì)制動(dòng)能量回收的影響,以及汽車前、后軸制動(dòng)力的關(guān)系,在確保制動(dòng)穩(wěn)定的前提下,采取前、后制動(dòng)分配系數(shù)為0.6來提升制動(dòng)時(shí)能量的回收。

經(jīng)過對(duì)制動(dòng)能量影響因素的分析,建立優(yōu)化控制策略,通過Simulink與CarSim的聯(lián)合仿真進(jìn)行對(duì)照模擬試驗(yàn)。在ECE工況下,車速對(duì)制動(dòng)能量回收影響較大,通過優(yōu)化控制策略,提升制動(dòng)強(qiáng)度在一定程度上對(duì)能量回收有明顯效果;在CLTC-P工況下,隨著車速變化,制動(dòng)強(qiáng)度增大,優(yōu)化前后的電池SOC、能量回收差距明顯,說明制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)能量回收在速度變化較大的情況下,影響效果較大。在NEDC工況下,制動(dòng)強(qiáng)度一定時(shí),隨車速變化,可以看出,優(yōu)化前后的電池SOC、能量回收差距不明顯,這說明在制動(dòng)控制策略制動(dòng)效果受制動(dòng)強(qiáng)度影響。無論在何種工況下模擬試驗(yàn)都可以看出,優(yōu)化后的系統(tǒng)對(duì)能量回收效果要遠(yuǎn)高于優(yōu)化前。