多輪轂電機(jī)電動汽車制動能量回收策略研究

摘 要：自19世紀(jì)末以來，汽車作為一種革命性的交通工具開始進(jìn)入人們的生活，并迅速普及開來；伴隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，礦物燃料等非再生能源的消耗量也顯著增加，隨之而來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，制動能量回收技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)通過合理分配制動功率，降低系統(tǒng)熱衰減和能量損失，并在制動過程中回收部分能量，從而提高汽車的續(xù)駛能力。本研究將從多輪轂電機(jī)電動汽車制動能量回收的基本理論，詳細(xì)介紹其工作原理和技術(shù)背景。對制動能量回收的控制方法進(jìn)行了深入研究，探討不同制動強(qiáng)度級別的劃分及其在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。通過理論分析和實(shí)證研究，本研究為提升多輪轂電機(jī)電動汽車能效提供了新的思路和方法，對推動汽車工業(yè)的環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：多輪轂電機(jī) 電動汽車 制動能量回收

0 引言

汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。隨著新能源汽車的發(fā)展，再加上政府對新能源汽車的補(bǔ)貼力度不斷增加，國內(nèi)新能源汽車的需求量也在不斷增加。純電動汽車是一種新型的以電池為能源的新型車輛，它的傳動部件以電動機(jī)為主，它在向車輪輸送功率的過程中損耗很小，并且無噪音、無振動。電動汽車具有能源潔凈、動力效率高、行駛環(huán)境智能化等優(yōu)勢，但由于動力電池的研發(fā)、電池管理等方面的限制，在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨續(xù)航里程低、電池壽命短、更換成本高、中小城市充電樁普及困難等問題。

多輪轂電機(jī)電動汽車是一種新型的電動汽車，并且有更高的能源利用率[1]。另外，與傳統(tǒng)的前驅(qū)和后驅(qū)車型相比，多輪轂電機(jī)電動汽車具有更豐富的整車操控手段。由于輪轂與輪轂電機(jī)的獨(dú)立控制，使得該方法更適合于能量回饋制動、線性控制等先進(jìn)控制方法的實(shí)用化，對其控制方法的研究與應(yīng)用也有較大需求。

1 制動能量回收

1.1 基本原理

圖1是制動能量回收能量流的簡化原理圖，在電動車執(zhí)行制動的時候，可以將驅(qū)動電機(jī)切換成發(fā)電機(jī)模式，將一部分動能轉(zhuǎn)化為電能，并將其儲存起來，并且通過提供制動扭矩來輔助制動[2]。在制動完成后，能量儲存單元持續(xù)將電力傳送給驅(qū)動馬達(dá)，并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再傳送至車輪或車橋，以維持車輛的正常行駛。

在常規(guī)駕駛模式下，電動汽車以電機(jī)為動力，在制動過程中，通過改變電動機(jī)的電磁扭矩，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)生剎車扭矩。在此過程中，電動勢與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化，即在電機(jī)起動過程中通過交流電流形成交流磁場，從而產(chǎn)生電動機(jī)的輸出扭矩。

在圖2中展示出了電動汽車的制動能量恢復(fù)原理。

當(dāng)車輛發(fā)生制動反應(yīng)時，開關(guān)S斷開，電路中的電流會出現(xiàn)突然的變化，因此，使感應(yīng)電動勢迅速增加，當(dāng)其值增加到或等于供電電動勢時，電動機(jī)將反轉(zhuǎn)起動，產(chǎn)生一種再生制動反饋電流，將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為動力電池等儲能裝置充電，實(shí)現(xiàn)制動能量的回收。

式中，E為逆電動勢（V），U為電源電壓（V）;R1為電樞的電阻（Ω）R3為等效電阻（Ω）。

當(dāng)車輛通過剎車起動后，電動機(jī)就會進(jìn)入發(fā)電機(jī)模式，此時仍有剩余磁場，即“剩磁”。轉(zhuǎn)子在電動機(jī)的驅(qū)動下發(fā)生再生制動，并在定子兩端形成感應(yīng)電位，當(dāng)電池上的電壓降至感應(yīng)電位以下時，通過定子對電池進(jìn)行充電，以獲得可再生的充電電流[3]。隨著車輛制動過程的繼續(xù)，轉(zhuǎn)子線圈的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率等都會減小，因此，回送到電池的電流幅度也會減小，因此，通過制動收集的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的速度也會減小。

1.2 制動能量回收系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖3是一種利用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)整車控制器與輪轂電機(jī)、蓄電池、液壓系統(tǒng)、剎車踏板等系統(tǒng)間的信息傳輸和交互的系統(tǒng)。整車控制器主要負(fù)責(zé)對各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而保證汽車安全運(yùn)行。多輪轂電動汽車的制動系統(tǒng)可以劃分為兩個部分：一是液壓制動，二是電動機(jī)負(fù)反饋?；谠撃Ｐ?，對電液復(fù)合制動系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。剎車踏板所生成的液壓通過諸如液壓管路之類的串聯(lián)機(jī)構(gòu)傳遞到制動器，由此生成由輪轂電機(jī)再生制動系統(tǒng)生成的再生制動轉(zhuǎn)矩和摩擦制動轉(zhuǎn)矩動態(tài)耦合的摩擦制動轉(zhuǎn)矩，以幫助電動車完成制動。在剎車時，中心馬達(dá)起到發(fā)電機(jī)的作用。將輸出的電能反饋給蓄電池，從而提升蓄電池的儲能能力，提高蓄電池的能源利用率，延長續(xù)航里程。

1.3 制動能量回收影響因素

對電動汽車進(jìn)行制動能量回收，可以有效地降低能耗，延長續(xù)航時間，提高其實(shí)用性。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，由于制動能量在傳輸過程中會產(chǎn)生各種損失，導(dǎo)致制動能量回收的理論效率較低[4]。因此，為了使制動能量回收達(dá)到最大值，應(yīng)從多個方面對制動能量的回收進(jìn)行綜合考慮。

制動能量回收的效果受如下四個因素的影響：

1.3.1 駕駛條件

汽車的運(yùn)行狀態(tài)是影響其能量回饋效率的重要因素，在城市道路交通擁擠環(huán)境中，由于制動次數(shù)多，制動功率低，制動能有效回收。汽車在路況良好的公路上行駛時，制動次數(shù)很少，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，制動能回收效率低。

1.3.2 電機(jī)

電機(jī)的工作狀態(tài)受到扭矩、速度等因素的限制，使得電機(jī)在不同的扭矩、速度下表現(xiàn)出不同的特性。為改善制動效能，需增加馬達(dá)的介入時間，并避免因高負(fù)荷運(yùn)行及過充而造成的損失。

1.3.3 能量存儲設(shè)備

儲能器件作為電動車的主要能源，其本身性能對其能量回收效果有很大的影響。以動力電池的充電狀況為例，在 SOC非常高的情況下，蓄電池的充電狀態(tài)幾乎達(dá)到飽和，這時應(yīng)該立即切斷生閘，以避免蓄電池過度充電造成的損害；在車輛荷電狀態(tài)較低的情況下，可以通過增大回收制動的比率來對蓄電池進(jìn)行充電，從而增加續(xù)航里程。

1.3.4 運(yùn)載工具的構(gòu)造參數(shù)

汽車本身的一些關(guān)鍵參數(shù)，例如整備質(zhì)量、質(zhì)心高度、空氣阻力系數(shù)等，都會影響到制動能量回收的效果。如果對汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，能夠有效降低汽車在行駛過程中所受的空氣阻力和摩擦阻力，將有助于提高汽車制動的能量回收效率。此外，車輛的行駛方式、控制方式等都會對車輛的能量回饋造成一定的影響。

2 能量回收控制策略

2.1 并行制動能量回收策略

并行制動能量回收控制方法將制動力和液壓制動力按一定比例進(jìn)行分配，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于實(shí)施，但其制動能量回收效率一般，僅能回收有限的制動能量。在多輪轂電機(jī)電動汽車制動力總量不大的情況下，利用單純的輪轂式回饋制動使制動能量最大化；在多輪轂電機(jī)電動汽車的制動力總量很大的情況下，采用電動機(jī)與液壓控制相結(jié)合的方式對制動能量進(jìn)行回收；在多輪轂電機(jī)電動汽車緊急制動狀態(tài)下，為確保汽車的安全性，必須關(guān)閉再生制動，只能使用機(jī)械式摩擦煞車。在圖4中可以看到。

2.2 最大制動能量回收策略

最大制動能量回饋控制技術(shù)優(yōu)勢在于能夠最大限度地提高能量回收效率，但同時也會以安全與穩(wěn)定為代價，難以在工程中推廣。

若多輪轂電動汽車的最大恢復(fù)制動力大于車輛傳動軸所能承載的最大制動力，則在剎車時，由馬達(dá)提供全部的制動力；如果電機(jī)的最大反饋制動力比驅(qū)動軸允許的最大制動力小，應(yīng)當(dāng)分兩種情形進(jìn)行論述：如果在該圖中，在同樣的制動強(qiáng)度下，多輪轂電機(jī)的最大制動力（點(diǎn)C）比它在同樣的制動強(qiáng)度下（點(diǎn)B）的多輪轂電機(jī)電動汽車傳動軸制動力大，那么電動機(jī)提供所有的制動力；反之，當(dāng)電動機(jī)的最大回饋制動力在圖中A點(diǎn)處表示，且比傳動軸的制動力小時，則前、后兩軸的制動力都要按照點(diǎn) B來分配，而這一差異，將通過機(jī)械摩擦力進(jìn)行補(bǔ)償。若圖中的連接系數(shù)（E點(diǎn)）大于所需制動強(qiáng)度（點(diǎn)D），則在制動過程中，多輪轂電機(jī)電動汽車會受到粘著因子的限制，此時，制動強(qiáng)度等于粘著因子的幅值，并且沿理想的制動力分布曲線來分布，并且根據(jù)電動機(jī)的再生制動力來判定機(jī)械摩擦制動力的大小。

3 基于模糊控制的制動力回收策略

模糊控制具有良好的魯棒性和適應(yīng)性，特別適合于復(fù)雜的系統(tǒng)建模困難的場合，常被用來求解非線性問題[5]。

（1）模糊化界面：模糊化界面提供給模糊控制系統(tǒng)的一個輸入變量，并把輸入變量的具體數(shù)值轉(zhuǎn)化成模糊向量。模糊程度一般為2～7個，級別越高，計(jì)算、推理的復(fù)雜度就越高，控制難度也就越大。

（2）模糊知識庫：這個知識庫是在長期的過程中，由專家或技術(shù)人員積累起來的一套知識與經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)成了一個用于進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的知識庫。通過對各輸入、輸出變量的模糊化和模糊化，得到其隸屬度矢量，并將其存入數(shù)據(jù)庫的模糊子集中。

（3）模糊推理引擎：該引擎以模糊推理引擎為主體，依據(jù)知識庫內(nèi)的模糊控制法則，對該模型進(jìn)行求解，并進(jìn)行模糊推理，最后輸出一個模糊控制量。

（4）去模糊化：通過模糊控制器對輸入變量進(jìn)行處理，產(chǎn)生了一個不能直接成為被控目標(biāo)的模糊集量，去模糊化的關(guān)鍵就是把這些特定的輸出信號轉(zhuǎn)換成可以被分析的具體數(shù)量，從而保證了模糊控制的實(shí)現(xiàn)。對電動機(jī)制動力和機(jī)械制動力進(jìn)行了模糊控制，以確保汽車制動過程中的穩(wěn)定與安全，提高制動能量的回收效率。

對前后軸制動力進(jìn)行優(yōu)化，將該反饋制動力分配因子轉(zhuǎn)換成基于模糊準(zhǔn)則的反饋制動力分配因子，對整車施加分配好的電機(jī)和機(jī)械制動力，實(shí)現(xiàn)制動功能和制動能量回收。

4 結(jié)語

在介紹制動能量反饋基本原理的基礎(chǔ)上，簡要介紹了多輪轂電機(jī)電動汽車的制動能量回收系統(tǒng)，分析了各因素對其的影響。研究復(fù)合制動系統(tǒng)中的反饋式制動力分配方法，以確保電機(jī)及蓄電池的使用壽命。本文的研究成果將為解決當(dāng)前多輪轂電機(jī)電動汽車儲能能力低的問題提供一種新的思路。多輪轂電機(jī)電動汽車的輪轂電機(jī)都具有制動功能，制動時對制動能進(jìn)行回收，能夠最大限度地回收多輪轂電機(jī)電動汽車的動能，達(dá)到能源轉(zhuǎn)換的目的，從而提升電動車的能量回收效率。

參考文獻(xiàn)：

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