電動汽車再生制動平順性及能量探究
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摘要：針對電動機(jī)再生制動的加入影響電動汽車制動平順性，采用并聯(lián)制動方式，制定整車制動力分配策略和整車控制策略，建立恒定充電電流和電樞電流控制策略，利用軟件建立復(fù)合制動仿真模型。結(jié)果表明：采用恒定電樞電流策略的汽車制動平順性優(yōu)于恒定充電電流策略，汽車能量回收效率較差。
0引言
電動汽車在制動過程中，將部分制動能量轉(zhuǎn)化電能，并對蓄電池進(jìn)行充電，這種過程稱之再生制動[1]。在該過程中，再生制動的加入引起汽車原有的制動結(jié)構(gòu)改變，從而引起汽車制動力矩的改變，影響整車的制動平順性[1]。因此對于電動汽車而言，我們在保證制動效能和制動穩(wěn)定性時，確保在制動過程中乘客的舒適性并兼顧能量的回收。燕山大學(xué)汪運鵬在《電液復(fù)合制動系統(tǒng)模式切換過程車輛平順性控制》一文中提出基于路面識別的邏輯門限控制策略，并結(jié)合PID控制策略，制定相應(yīng)的復(fù)合制動防抱死策略，但目標(biāo)比較單一，沒有考慮再生制動的綜合因素。福州大學(xué)謝文科提出了一種基于模糊控制，在一定制動強(qiáng)度范圍內(nèi)在保證制動舒適性的前提下盡可能多的回收制動能量的控制策略，該方法使得前輪制動力矩增大，容易出現(xiàn)抱死現(xiàn)象。本文為了研究電動汽車的制動平順性，在不改變汽車原有汽車制動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出一種采用并聯(lián)制動策略，通過控制通過蓄電池充電電流和電機(jī)電樞電流來研究汽車制動能量回收效率以及制動平順性的變化情況。
1數(shù)學(xué)模型
1.1電機(jī)模型
電動汽車選用永磁直流電機(jī)，再生制動系統(tǒng)電路采用二象限型符合直流斬波器[2]。其等效電路如圖1所示。電機(jī)可以在發(fā)電模式和電動機(jī)模式下工作，因此，電機(jī)輸出的電壓和電流之間的關(guān)系如式（1）所示，電樞反電動勢關(guān)系式如式（2），電磁轉(zhuǎn)矩如式（3）Te=KtIa（3）式中：Ea為電機(jī)電樞反電動勢，V；V為電池電壓，Ra為電樞電阻，Ω；Ia為電樞電流，A；Ke為電壓常數(shù)；ωe為電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s；Kt為電機(jī)扭矩常數(shù)。
1.2能量回收效率
電動汽車儲能裝置采用鋰離子蓄電池，回收的能量關(guān)系如式（4），汽車制動過程中產(chǎn)生的能量大小如式（5），能量回收效率計算如式（6）所示（4）（5）（6）式中：Eb為蓄電池的總能量，J；v0為汽車初始速度；m/s。1.3汽車減速度變化率汽車制動過程中，制動平順性評價指標(biāo)為汽車的沖擊度，即減速度的變化率dadt，汽車減速度的變化率計算公式如式（7）。（7）式中：a—汽車的縱向減速度，m/s2；v—車體縱向速度，m/s。
2再生制動控制策略
2.1恒定充電電流策略
汽車制動時，制動踏板的開度不同對應(yīng)不同的充電流，當(dāng)制動踏板開度恒定時，蓄電池充電電流不變，有利于提高能量回收效率[3]。根據(jù)電動機(jī)的制動原理，隨著汽車轉(zhuǎn)速降低，電動機(jī)的反電動勢也會下降，引起電樞電流上升，從而電氣再生制動力增大，加劇汽車制動減速度的波動，降低制動平順性。
2.2恒定電樞電流策略
汽車在制動時，電樞電流的大小和制動踏板開度成正比，恒定的制動踏板開度意味著不變的電樞電流，也就保持再生制動力矩的恒定，這樣有利于減少汽車減速度的波動，提高制動穩(wěn)定性。在這種策略下，隨著汽車轉(zhuǎn)速下降，蓄電池充電電流也會下降，不利于能量的有效回收。
3整車制動控制策略
3.1整車制動力分配策略
電動汽車采用并聯(lián)制動力分配策略，車輛在減速制動過程中，液壓制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)相互獨立，互不影響，再生制動力矩的加入會改變原有前后軸制動力分配曲線。因此液壓制動力的分配曲線與加入再生制動力后的實際制動力分配曲線變化曲線如圖1所示。其中I曲線是汽車?yán)硐胫苿恿Ψ峙淝€，β線是汽車液壓制動力矩前后軸分配曲線，β′線是加入再生制動力矩后的前后軸制動力分配曲線。在制動初始階段，汽車在液壓制動力和再生制動力的作用下進(jìn)行制動，隨著車速的下降，汽車的再生制動力矩也隨之下降，最后汽車在液壓制動力矩的作用下實現(xiàn)停車。
3.2整車控制策略
如圖3所示為整車制動控制策略，駕駛員根據(jù)車速控制制動踏板力和位移，制動位移決定液壓制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)的參與方式，根據(jù)并聯(lián)策略，液壓制動力矩按照固定比例分配方式作用于前輪和后輪，再生制動力矩僅作用于前輪，在兩者的共同作用下，實現(xiàn)汽車制動[4]。在電機(jī)再生制動過程中，控制充電電流或電樞電流，調(diào)節(jié)再生制動力矩，當(dāng)采集到的蓄電池SOC超過臨界閾值時，為了保護(hù)蓄電池，切斷再生制動系統(tǒng)。
4建模及仿真分析
4.1仿真建模
根據(jù)上述的兩種再生制動控制策略以及整車控制策略，在Simulink軟件中建立再生制動系統(tǒng)模型，包含電機(jī)模型，電池模型、制動意圖識別模型，PID控制模型，在AMESIM軟件中建立液壓制動系統(tǒng)系統(tǒng)模型，包含輪胎模型，整車模型，制動盤模型以及位移、速度傳感器模型等，兩種系統(tǒng)模型通過Simulink軟件中的S-Function接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，構(gòu)成復(fù)合制動系統(tǒng)模型。圖4為整車再生制動系統(tǒng)模型。再生制動模型中的電機(jī)產(chǎn)生的再生制動扭矩和外部制動強(qiáng)度作為液壓制動系統(tǒng)模型的輸入，而從整車制動模型中反饋回的汽車速度作為再生制動模型的輸入，從而實現(xiàn)模型中的數(shù)據(jù)傳遞過程，汽車在兩種模型的相互作用下實現(xiàn)減速過程。根據(jù)再生制動控制策略，再生制動模型將輸入的制動強(qiáng)度經(jīng)計算轉(zhuǎn)化成電機(jī)電樞電流值，并與電動機(jī)反饋的電流值進(jìn)行比較，得到電流偏差，并采取PID策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到使電樞電流值恒定的目的，恒定充電電流的調(diào)節(jié)控制方法和上述類似。
4.2仿真工況
仿真工況采用在非緊急制動時，初始速度選取v=60km/h，蓄電池SOC為0.4時，分析兩種再生制動策略對于制動減速度變化率的影響，并評價制動過程中的平順性和能量回收效率。緊急制動時，首要保證制動安全，因此不再研究。
4.3仿真分析
圖5、圖6分別恒定充電電流再生制動系統(tǒng)、恒定電樞電流控制策略的汽車減速度變化率變化曲線?？梢钥闯鲈谲囕v減速初期，伴隨制動力矩的不斷提高，制動減速度的變化率有部分波動，當(dāng)液壓制動力穩(wěn)定不變，減速度變化率變化僅由再生制動力矩的變化引起。當(dāng)汽車速度無法提供產(chǎn)生電機(jī)再生制動的最低速度時，再生制動力矩變?yōu)榱?，造成減速度的變化率突變，對汽車有一定沖擊。從曲線變化來看，恒定電樞電流策略優(yōu)于恒定充電電流策略。如圖7為兩種策略下的蓄電池SOC變化曲線，可以看出，恒定充電電路和電樞電流策略下的SOC分別為0.4016和0.4012，前者側(cè)充電效率略優(yōu)于后者，且充電后期斜率較大，表明充電速度更快。
5結(jié)論
本次設(shè)計基于恒定充電電流和恒定電樞策略建立的復(fù)合制動系統(tǒng)，利用AMESim-Simulink軟件建立復(fù)合仿真模型，仿真結(jié)果表明：采用恒定電樞電流策略的汽車制動平順性優(yōu)于恒定充電電流策略，能量回收效率較差，兩者均存在當(dāng)汽車速度下降時，再生制動力矩變化的情況，為后期的進(jìn)一步改進(jìn)提供實踐基礎(chǔ)。
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作者:魏進(jìn) 單位:陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院