電動汽車能量再生制動系統(tǒng)的研究

電動汽車能量再生制動系統(tǒng)的研究摘要隨著21世紀(jì)的到來，能源緊缺和環(huán)境污染問題對人類的日常生活和社會的良性發(fā)展所造成的負(fù)面影響愈發(fā)嚴(yán)重。其中，交通工具在給人類帶來方便的同時，也給環(huán)境造成極大負(fù)擔(dān)。純電動汽車的出現(xiàn)可以較好的解決由燃油汽車所帶來的環(huán)境污染和資源匱乏的問題。然而當(dāng)前對電動汽車技術(shù)的研究還存在很多問題，尤其是對電池容量的研究遲遲未能取得較大的進(jìn)展。而汽車制動能量回收再生系統(tǒng)的出現(xiàn)對汽車能量的利用率和續(xù)航能力都起到了不小的提升。本文選擇的研究對象是由長安汽車公司生產(chǎn)的某款微型純電動汽車。經(jīng)過對該汽車的制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后，對其原型車的并聯(lián)再生制動控制策略進(jìn)行理論分析，并對其不足之處提出改進(jìn)設(shè)想。在Simulink軟件中結(jié)合原有的并聯(lián)再生制動控制策略模型，增加一個在小制動強(qiáng)度時采用純電機(jī)制動的回收控制子模塊。同時為了進(jìn)一步提高制動能量的回收效率，考慮到電機(jī)電池的工作效率會影響能量回收效果。本文設(shè)想通過求取電機(jī)電池聯(lián)合高效工作曲線，并控制電機(jī)電池工作在較為理想的效率區(qū)域，建立了換擋控制策略子模塊。最后選取幾個不同的制動工況，對純電動汽車改進(jìn)后的再生制動控制策略進(jìn)行仿真分析。通過對能夠反映制動能量回收效果的評價指標(biāo)進(jìn)行對比，來驗證改進(jìn)設(shè)想的正確性。關(guān)鍵詞：電動汽車，制動能量回收，控制策略，仿真分析

AbstractWiththeadventofthe21stcentury,thenegativeimpactofenergyshortagesandenvironmentalpollutiononhumandailylifeandthehealthydevelopmentofsocietyhasbecomemoreserious.Amongthem,transportationbringsconveniencetohumanbeings,butalsoimposesagreatburdenontheenvironment.Theemergenceofpureelectricvehiclescanbettersolvetheenvironmentalpollutionandresourceshortagecausedbyfuelvehicles.However,therearestillmanyproblemsintheresearchofelectricvehicletechnology,especiallytheresearchonbatterycapacityhasnotmadegreatprogress.Theemergenceofthecarbrakeenergyrecoveryandregenerationsystemhasnotgreatlyimprovedtheutilizationandenduranceofthecar'senergy.TheresearchtargetmodelselectedinthispaperisaminiaturepureelectricvehicleproducedbyChanganAutomobileCompany.Afterstudyingthestructureofthebrakesystemofthecar,thetheoreticalanalysisoftheparallelregenerativebrakingcontrolstrategyoftheprototypeiscarriedout,andtheimprovementoftheshortcomingsisproposed.IntheSimulinksoftware,combinedwiththeoriginalparallelregenerativebrakingcontrolstrategymodel,arecoverycontrolsub-modulewithpuremotorbrakingatasmallbrakingintensityisadded.Atthesametime,inordertofurtherimprovetherecoveryefficiencyofbrakingenergy,itisconsideredthattheworkingefficiencyofthemotorbatterywillaffecttheenergyrecoveryeffect.Thispaperproposestoestablishashiftcontrolstrategysub-modulebyobtainingthecombinedhigh-efficiencyworkingcurveofthemotorbatteryandcontrollingthemotorbatterytoworkinamoreidealefficiencyarea.Finally,severaldifferentbrakingconditionsareselectedtosimulateandanalyzetheimprovedregenerativebrakingcontrolstrategyofpureelectricvehicles.Thecorrectnessoftheimprovedvisionisverifiedbycomparingtheevaluationindicatorsthatreflectthebrakingenergyrecoveryeffect.Keywords:electricvehicle,brakingenergyrecovery,controlstrategy,simulationanalysis目錄TOC\h\z\t"-章標(biāo)題-,1,-節(jié)標(biāo)題-,2,-條標(biāo)題-,3"1 緒論 [15]。這里所建立的再生制動控制模型有比較大的限制，尚不能對所有的制動性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析。所以在制動性能方面，這里只選擇對制動效能中的制動距離進(jìn)行分析。根據(jù)汽車?yán)碚搶ζ囍苿泳嚯x的定義：在汽車的行駛速度為v0時，從駕駛員開始操縱制動裝置到汽車完全停住為止車輛所駛過的距離稱之為汽車的制動距離。主要是由兩部分組成這個汽車制動過程中的制動距離，分別是制動器起作用階段汽車駛過的距離s1和制動器持續(xù)制動階段汽車駛過的距離s2。對s1s1=s對s2進(jìn)行計算s2=車輛制動過程中的總距離s：s=s1+因為τ1''很小，所以省去abmaxτ1''224項，s=s1+表4.1上述式子中部分字符釋義最大制動減速度（m/sa制動力增長階段經(jīng)過的時間（s）τ制動初速度（km/h）u制動器開始響應(yīng)階段結(jié)束的時間（s）τ制動力開始增長階段駛過的距離（m）s制動器開始響應(yīng)階段駛過的距離（m）s制動器起作用階段駛過的距離（m）s=2\*GB3②制動能量回收效果。為了定量的分析制動能量回收效果，引入制動能量回收量Er和制動能量回收率ηr。循環(huán)工況過程中，在每一時刻對蓄電池充放電功率進(jìn)行積分計算可以獲得制動能量回收量Er如下式4.25所示Er=P最終回收到電池中的能量Er與汽車整個行駛過程中所消耗能量E的比值，我們稱之為制動能量回收率ηηr=4.3常規(guī)制動工況下的計算分析由于這里是通過數(shù)學(xué)方法，定量的分析車輛在制動過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，所以默認(rèn)電池SOC值在整個制動過程中都能夠滿足再生制動的要求。分別選取初始制動車速為30km/h，50km/h和80km/h三種情況在小制動強(qiáng)度z=0.1，即采取電機(jī)單獨制動時，對車輛的再生制動距離以及制動能量回收率進(jìn)行計算分析。4.3.1初始車速為30，50，80km/h時的計算結(jié)果這里通過定量分析的方法計算車輛在小制動強(qiáng)度z=0.1采用純電機(jī)制動的再生制動過程。并假設(shè)車輛的末速度為v1=0，且在平直良好路面上制動z=0.1時，汽車處于輕度制動模式，為純電機(jī)制動。所以Fu1=FuFre+F其中，由于汽車是在平直良好路面上制動，忽略此時汽車所受到的空氣阻力，坡度阻力及加速阻力，F(xiàn)wFzu=式中?為車輛滾動系數(shù)，?=0.0076+0.000056v0v1vdv，F(xiàn)re=z式中，z為制動強(qiáng)度，汽車再生制動過程中，制動距離S與車速v的關(guān)系為：S=1000由于車輛處于純電機(jī)制動狀態(tài)，所以前后輪摩擦制動器所耗散的熱能等于0。由能量關(guān)系可得再生制動能量：Er考慮到電機(jī)電池工作效率，這里取其聯(lián)合效率為0.8，所以實際制動能量回收率（ηr）ηr=ErE分別代入v0=30km/h，50km/h，80km/h到上述式子，得到的計算結(jié)果如下表4.2所示。表4.2在不同制動初始車速下的計算結(jié)果制動初始車速（km/h）305080制動距離(m)59135347制動能量回收率(%)49.353.152.74.3.2常規(guī)制動工況計算結(jié)果分析從計算結(jié)果可以看出，在z=0.1時采用在小制動強(qiáng)度時使用純電機(jī)制動的能量回收率為50%左右遠(yuǎn)遠(yuǎn)比機(jī)械制動與電機(jī)制動并行制動的6%左右的回收率要高。同時，分析對比以上不同車速在小制動強(qiáng)度時的計算結(jié)果可以看出，無論制動時的初始車速是大是小，制動能量回收率都處于一個較高的水平。這說明，在滿足ECE法規(guī)的要求條件下，當(dāng)車輛所需的制動強(qiáng)度較小時（z≤0.1），采用純電機(jī)再生制動，可以較為穩(wěn)定的回收一定量的制動能量且此時的回收效率也比較高。4.4ECE循環(huán)工況下的仿真結(jié)果與分析4.4.1并聯(lián)再生制動控制策略仿真結(jié)果設(shè)定電池初始SOC值為0.9，對并聯(lián)再生制動控制策略進(jìn)行仿真。如圖4.18所示為電池SOC值、電池回收能量、總制動能量隨時間的變化情況。該圖片中各曲線的變化趨勢皆為在ECE循環(huán)工況下對并聯(lián)再生制動控制策略進(jìn)行仿真所得到的結(jié)果。圖4.18ECE工況下的仿真結(jié)果從仿真結(jié)果可以知道，在經(jīng)過一個完整的ECE循環(huán)工況后，電池的SOC值由設(shè)定的初始值0.9變?yōu)榻Y(jié)束時的0.8718。而車輛經(jīng)由制動再生系統(tǒng)所回收到的能量Er在經(jīng)過一個完整的ECE循環(huán)工況后電池SOC的變化值為：?SOC=SOC始該車型的電池容量C為17.3kwh，將其換算為以焦耳為單位則有：C=17.3×1000×3600=62280000J（4.34）所以在一個完整的ECE循環(huán)工況中車輛所消耗的能量為：E=?SOC×C=1756296J由制動能量回收率的定義可知此時整車的制動能量回收率為：ηr=表4.2ECE工況下并聯(lián)再生制動控制策略制動能量回收仿真結(jié)果工況初始SOC結(jié)束SOC回收能量（KJ）能量回收率（%）ECE0.90.871831.752在一個完整的ECE循環(huán)工況中，由仿真和計算結(jié)果可以得出結(jié)論：采用并聯(lián)再生制動控制策略在汽車行駛過程中進(jìn)行制動能量回收，能量的回收效果不夠理想，回收率比較低。造成這一結(jié)果的原因是，沒有充分利用電機(jī)進(jìn)行再生制動。因為當(dāng)汽車制動時采用并聯(lián)再生制動控制策略意味著機(jī)械制動力始終參與車輛制動，從而使電機(jī)所發(fā)揮的作用十分有限。4.4.2再生制動控制策略改進(jìn)方案仿真結(jié)果從對并聯(lián)再生制動控制策略的能量回收仿真結(jié)果可以看出，該控制策略對制動過程中制動能量的回收效果并不理想。而我們所研究的車型所采用的再生制動控制策略是無論在整車所需要的制動強(qiáng)度是大是小都采取有機(jī)械制動力和再生制動力共同作用的并聯(lián)再生制動控制策略。這里提出的改進(jìn)方案是在當(dāng)車輛所需制動力較小，即制動強(qiáng)度小于一定數(shù)值時，采用電機(jī)單獨制動。而據(jù)相關(guān)研究表明在多數(shù)循環(huán)工況下車輛的制動強(qiáng)度都比較小?？紤]到在制動強(qiáng)度z≤0.1時，ECE法規(guī)對汽車前后軸制動力分配沒有做任何要求。所以本文考慮在制動強(qiáng)度z≤0.1的時候，采用由電機(jī)單獨提供制動力，此時只有在車輛前軸才存在制動力，而車輛后軸不存在任何制動力。在此做如下設(shè)計：取消原本車輛所存在的制動踏板空行程，取而代之的是在踏板空行程范圍內(nèi)使用電機(jī)單獨制動并規(guī)定在此范圍中的制動強(qiáng)度z≤0.1，這個時候駕駛員只需輕踩制動踏板，此時無機(jī)械制動力參與制動。當(dāng)整車所需要的制動力進(jìn)一步增大即此時z>0.1，繼續(xù)踩下制動踏板，則車輛制動由電機(jī)單獨制動模式進(jìn)入并聯(lián)再生制動控制模式，這個時候機(jī)械制動也會參與到車輛的制動過程中并與電機(jī)制動共同發(fā)揮制動作用。經(jīng)過這樣的改變可以對電機(jī)的再生制動能力的使用更加充分，同時為提高能量的回收效果增加了使電機(jī)電池更加高效工作的換擋機(jī)制。將改進(jìn)后的再生制動控制策略的仿真結(jié)果與原車輛的控制策略仿真結(jié)果集合到同一個圖中進(jìn)行對比，可以得到一個ECE工況循環(huán)的電池SOC變化和電池回收能量變化圖如圖4.19。圖4.19ECE工況下的仿真結(jié)果從仿真結(jié)果可以知道，在經(jīng)過一個完整的ECE循環(huán)工況后，改進(jìn)后的再生制動控制系統(tǒng)的電池的SOC值由設(shè)定的初始值0.9變?yōu)榻Y(jié)束時的0.8810。而車輛經(jīng)由制動再生系統(tǒng)所回收到的能量Er為211562焦耳。結(jié)合式（4.33），（4.34），（4.35）及（4.36）可以計算得出改進(jìn)后的制動能量回收率為18%。表4.3為表4.3ECE工況下兩個不同制動再生控制策略的仿真結(jié)果對比ECE工況初始SOC結(jié)束SOC回收能量（KJ）能量回收率%并聯(lián)再生制動控制策略0.90.871831.752改進(jìn)制動再生控制策略0.90.8810211.56218由以上的仿真結(jié)果可知，采用單一的并聯(lián)再生制動控制策略作為車輛的制動再生策略對制動能量的回收非常低效，回收率僅為2%。而本文所提出的對原車輛的再生制動控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案效果十分顯著，能夠有效地提高制動能量回收率，回收率為18%。而且這種方法對原車的制動系統(tǒng)的改動較小，控制簡單且開發(fā)成本比較低，因此在實際的車輛應(yīng)用方面也是合理可行的。4.5本章小結(jié)結(jié)合汽車?yán)碚摵碗妱悠嚨认嚓P(guān)課本知識，本章在Simulink軟件中對純電動汽車再生制動系統(tǒng)進(jìn)行了在理論和數(shù)值上的框圖建模。根據(jù)所建立的模型對純電動汽車在常規(guī)制動工況和ECE循環(huán)工況下進(jìn)行了計算和仿真分析。針對本文所選車型的制動能量回收率低的情況，本文提出了兩種改進(jìn)方案：在一定條件下對車輛實行電機(jī)單獨制動和將原車輛使用的固定齒比單檔變速箱換成有兩個檔位的變速箱。由常規(guī)制動工況的計算結(jié)果和ECE循環(huán)工況仿真結(jié)果表明，所提出的兩種改進(jìn)方案在提高車輛的制動能量回收率方面有著較為明顯的效果。結(jié)論由于目前世人對純電動汽車詬病較多，尤其是對其車載能量少，且充電極不方便這兩個問題意見較大。而當(dāng)前在汽車蓄電池方面的研究又遲遲未取得重大突破。而純電動汽車的再生制動系統(tǒng)能夠提高純電動汽車蓄電池能量的利用率，降低整車的能耗，延長電動汽車的續(xù)駛里程。對電動汽車進(jìn)行再生制動不僅能夠有效的回收制動能量，還因為這項技術(shù)引入了電機(jī)制動力，使得機(jī)械制動器所受的負(fù)荷得到減輕，從而降低了制動過程中對機(jī)械制動器摩擦片的磨損程度，大大提高了摩擦片的使用壽命。本文的主要工作內(nèi)容及研究成果如下：1總結(jié)分析了純電動汽車應(yīng)用的優(yōu)點和缺點，并對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。收集再生制動這項重要汽車技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的信息。2對汽車再生制動的影響因素及限制條件進(jìn)行詳細(xì)的分析。針對車輛在進(jìn)行再生制動時會額外增加前軸的制動力，對整車的制動力分配造成影響。為保證純電動汽車的制動安全性，在理論上分析計算出純電動汽車制動力分配系數(shù)的合理變化范圍。3為了能夠使電動汽車的制動能量回收率得到進(jìn)一步的提高，針對該車型提出在小制動強(qiáng)度時采取由電機(jī)單獨制動的控制策略。同時為使制動能量的回收更為高效，在對電機(jī)和電池工作效率方面進(jìn)行了理論研究的基礎(chǔ)上，求取了電機(jī)電池聯(lián)合高效工作曲線，并在理論上制定合理的換擋機(jī)制。4采用理論建模與數(shù)值建模相結(jié)合的方法，在Simulink軟件中建立了純電動汽車再生制動系統(tǒng)仿真模型中的部分子模塊。結(jié)合Advisor原有的部分電動汽車電池和電機(jī)模型搭建了電動汽車的再生制動系統(tǒng)仿真模型。5在常規(guī)制動工況和ECE循環(huán)工況下，對所建立的再生制動系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真分析。最后的仿真及計算結(jié)果表明，改進(jìn)的再生制動控制策略確實能夠有效的提高汽車的制動能量回收率。由此證明了本文所提出改進(jìn)設(shè)想的合理性。參考文獻(xiàn)李彭熙.車輛電液混合動力傳動系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué),2016.張子英,張保成.車輛制動能量回收再利用技術(shù)研究[J].節(jié)能技術(shù),2010,28(03):213-217+235.葉永貞.電動汽車制動能量回收系統(tǒng)研究[D].青島理工大學(xué),2013.侯濤,徐佳.試論新能源汽車與能量回收技術(shù)[J].汽車與駕駛維修(維修版),2018(09):116-117.蔣勵.基于理想制動力分配曲線的復(fù)合制動設(shè)計[J].汽車科技,2006(04):19-22.YiminGaoandMehrdadEhsani.ElectronicBrakingSystemofEVandHEV——IntegrationofRegenerationBraking,AutomaticBrakingForceControlandABS.SAEpaper,2001-01-2478.陳志樸.插電式CVT混合動力汽車再生制動控制策略研究[D].重慶大學(xué),2014.王松濤.輪邊驅(qū)動增程式電動客車扭矩協(xié)調(diào)控制策略研究[D].北京交通大學(xué),2016.陳斌.純電動汽車再生制動研究[D].重慶大學(xué),2011.MichaelPanagiotidis,GeorgeDelagrammatikasandDennisAssanis.DevelopmentandUseofaRegenerativeBrakingModelforaParallelHybri