第五章 純電動汽車制動能量回收系統(tǒng)

第五章

純電動汽車制動能量回收系統(tǒng)1一、制動能量回收系統(tǒng)組成與原理制動能量回收是把汽車制動時的一部分動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲存起來，在減速或制動的同時達(dá)到回收制動能量的目的，然后在汽車起步或加速時又釋放儲存的能量。組成電機(jī)再生制動部分和傳統(tǒng)液壓摩擦制動兩部分，該制動系統(tǒng)可以視為機(jī)電復(fù)合制動系統(tǒng)。原理電動汽車再生制動是利用電機(jī)的電動機(jī)/發(fā)電機(jī)可逆性原理來實(shí)現(xiàn)的。在電動汽車需要減速或者滑行時，可以利用驅(qū)動電機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行，使減速制動時的能量轉(zhuǎn)換成對蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。從保證制動安全和提高能量利用率的角度來考慮，再生-液壓混合制動系統(tǒng)是最適合電動汽車的綜合制動系統(tǒng)。要求電機(jī)再生制動雖然可以回收制動能量并向車輪提供部分制動力，但是其無法使得車輪完全停止轉(zhuǎn)動，制動效果受到電機(jī)、電池和速度等諸多條件的限制，在緊急制動和高強(qiáng)度制動條件下不能獨(dú)立完成制動要求，因此，為了保證汽車的制動安全性能，在采用電機(jī)再生制動的同時，必須使用傳統(tǒng)的液壓摩擦制動作為輔助，從而達(dá)到既保證汽車的制動安全性，又回收可觀的能量的目的。一、制動能量回收系統(tǒng)組成與原理1四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動的純電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。2電動汽車的制動過程是在液壓摩擦制動與電機(jī)再生制動協(xié)調(diào)作用完成的。3再生制動系統(tǒng)主要是由輪轂電機(jī)、電機(jī)控制器、逆變器、制動控制器和動力電池等主要部件組成。4汽車進(jìn)行制動時，制動控制器根據(jù)不同的制動工況發(fā)出不同的指令，通過電機(jī)控制器控制輪轂電機(jī)，進(jìn)行再生制動。電動汽車制動系統(tǒng)：為雙回路液壓制動系統(tǒng)+電動真空助力+電機(jī)再生制動。制動過程制動控制器根據(jù)制動踏板的開度（實(shí)際為主缸壓力）?，判斷整車的制動強(qiáng)度，確定相應(yīng)的摩擦制動和再生制動的分配關(guān)系前后軸的摩擦制動分配關(guān)系由液壓系統(tǒng)對前后輪的分配關(guān)系實(shí)現(xiàn)制動控制器根據(jù)制動強(qiáng)度和電池的SOC值確定可以輸出的制動轉(zhuǎn)矩并對前后軸進(jìn)行分配，然后通過電機(jī)控制器控制驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行再生制動在整個制動的過程中，要保證電動汽車的制動穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，并盡可能多地回收制動能量，延長電動汽車?yán)m(xù)駛里程一、制動能量回收系統(tǒng)組成與原理制動開始時能量管理系統(tǒng)將動力電池SOC值發(fā)送給制動控制器，當(dāng)SOC>0.8時，取消能量回收；當(dāng)0.7≤SOC≤0.8時，制動能量回收受動力電池允許的最大充電電流制約；當(dāng)SOC<0.7時，制動能量回收不受動力電池允許的最大充電電流制約1制動控制器接收由壓力變送器傳送的主缸壓力信號，并計(jì)算出需求的電機(jī)再生制動強(qiáng)度上限2制動控制器根據(jù)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算輪轂電機(jī)實(shí)際能夠提供的制動強(qiáng)度3比較需求的電機(jī)再生制動強(qiáng)度上限和輪轂電機(jī)實(shí)際能夠提供的制動強(qiáng)度，并將結(jié)果作為電信號發(fā)送給電機(jī)控制器4此時的輪轂電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下，可以提供電壓恒定流向的電流，再通過逆變器限制電機(jī)產(chǎn)生的最高電壓和對電壓進(jìn)行升壓，以便滿足電流輸出要求，充到動力電池組中5為了對動力電池進(jìn)行保護(hù)，能量管理系統(tǒng)需要時刻檢測電池溫度，當(dāng)溫度過高則停止制動能量回收6制動能量回收六大過程二、制動能量回收控制策略影響制動能量回收的因素制動能量回收的過程是把驅(qū)動輪的部分動能通過電機(jī)回饋到動力電池組中，因此整車控制系統(tǒng)的各個模塊和各模塊的使用環(huán)境對制動能量回收有較大的影響。影響電動汽車能量回收的因素主要有以下4個方面。當(dāng)進(jìn)行制動能量回收時，電機(jī)工作在再生制動模式，電機(jī)的最大制動轉(zhuǎn)矩影響著能夠提供的電制動力大小。向電池組充電功率的大小由電機(jī)的發(fā)電功率決定，同時在制定能量回收策略時也要考慮電機(jī)的工作溫度等因素電機(jī)特性1當(dāng)蓄電池剩余電量較高時，只能進(jìn)行小電流充電或不回收制動能量；當(dāng)蓄電池剩余電量較低時，在不影響安全的前提下可適當(dāng)提高制動能量所占比例。充電時間過長或充電電流過大影響蓄電池性能，蓄電池應(yīng)該具有高的充放電循環(huán)次數(shù)和快速充放電能力。此外蓄電池的充電內(nèi)阻影響蓄電池的充電功率，因此要選用內(nèi)阻小電池蓄電池特性2車輛在不同工況行駛時，純電動汽車的制動頻率和制動強(qiáng)度不同，當(dāng)制動越頻繁或制動強(qiáng)度越低時，電動汽車可以回收的制動能量就越多，例如在車輛頻繁起步與停車的城市工況下。在高速公路行駛工況下制動頻率較低，所以回收的制動能量也相對較少車輛行駛工況3當(dāng)車輛進(jìn)行制動時，首先需要考慮的是制動系統(tǒng)要滿足駕駛員的制動需求和制動時車輛的穩(wěn)定性，只有在滿足這些要求的前提下才能夠考慮回收制動能量的多少。在有些情況下雖然電機(jī)能夠提供足夠大的制動力，但是為了防止車輪抱死也必須減少電制動力的大小來保證行車安全制動的安全性4二、制動能量回收控制策略常見的制動能量回收控制策略常見的電動汽車主要是采取前輪驅(qū)動的形式，因此相應(yīng)的制動能量回收的控制策略主要關(guān)注前、后輪制動器提供的制動力和前輪電機(jī)提供的再生制動力三部分之間的關(guān)系。由此得到的基于電機(jī)再生制動的能量回收控制策略主要有前后軸制動力理想分配時的控制策略、前后軸制動力比例分配時的控制策略和最優(yōu)能量回收控制策略。需要的總制動力較小時，全部由再生制動力提供；當(dāng)需要的減速度增大時，電機(jī)再生制動力所占的比例逐漸減??；機(jī)械制動力開始起作用；當(dāng)總制動力大于一定值時意味著這是一個緊急制動，再生制動力減小到零，機(jī)械制動提供所有的制動力；當(dāng)所需的制動減速度在兩者之間時，再生制動與機(jī)械制動共同作用前后軸制動力比例分配時的控制策略當(dāng)減速度要求較小時，僅電機(jī)再生制動系統(tǒng)工作。隨著制動減速度逐漸增大，前后軸制動力將被控制在理想制動力分配曲線上。其中前軸制動力等于再生制動力和機(jī)械制動力總和。當(dāng)控制系統(tǒng)得到駕駛員的減速度要求時，將根據(jù)制動電機(jī)的特性和車載蓄電池SOC值來決定驅(qū)動軸制動力由再生制動系統(tǒng)單獨(dú)提供，還是由機(jī)械制動系統(tǒng)和再生制動系統(tǒng)共同提供前后軸制動力理想分配時的控制策略當(dāng)總制動力需求小于此時能提供的最大再生制動力時，僅由再生制動力起作用；當(dāng)總制動力大于此時能提供的最大再生制動力時，總制動力減去最大再生制動力是應(yīng)該提供的機(jī)械制動力，剩余的需提供的機(jī)械制動力將分配為前輪機(jī)械制動力和后輪機(jī)械制動力。前、后輪機(jī)械制動力的分配按照盡量使總的前、后輪制動力分配接近理想制動力分配曲線最優(yōu)能量回收控制策略三種常見制動能量回收控制策略的比較項(xiàng)目硬件組成的復(fù)雜程度制動穩(wěn)定性能量回收效率前、后軸制動力理想分配時的控制策略較復(fù)雜,需專門的制動力控制系統(tǒng)較高較高前、后軸制動力比例分配時的控制策略一般,改動較小中等中等最優(yōu)能量回收控制策略較復(fù)雜,需專門的制動力控制系統(tǒng)較低最高三種制動能量回收控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中，前、后軸制動力比例分配時的控制策略既能保證一定的能量回收效率，制動穩(wěn)定性較理想，而且結(jié)構(gòu)較簡單，是目前技術(shù)條件下的一種比較好的選擇二、制動能量回收控制策略四輪驅(qū)動下的制動能量回收控制策略單電機(jī)前輪驅(qū)動的電動汽車，能量回收只集中在電機(jī)所驅(qū)動的前輪上。汽車采用四輪驅(qū)動形式，前、后車輪都是由輪轂電機(jī)直接驅(qū)動的，所以制動能量回收在前輪和后輪同時存在。1摩擦制動力與電機(jī)再生制動力的分配關(guān)系2前后軸摩擦制動力的分配關(guān)系3前后軸電機(jī)再生制動力的分配關(guān)系四輪驅(qū)動下的制動能量回收控制策略主要考慮的三個關(guān)系控制邏輯中主要根據(jù)由液壓制動壓力所反映出的制動強(qiáng)度進(jìn)行邏輯控制當(dāng)需求制動強(qiáng)度z≤0.1時，僅由電機(jī)的再生制動力提供整車制動所需的力；隨著需求制動力的增加，摩擦制動力逐漸開始起作用，電機(jī)再生制動力所占比例逐漸減小當(dāng)需求制動強(qiáng)度z≥0.7時，此時認(rèn)為車輛進(jìn)行緊急制動，為了保證制動安全性，制動力完全由摩擦制動來提供當(dāng)需求制動強(qiáng)度介于兩者之間，即0.1<z<0.7時，整車的制動力由液壓摩擦制動力與電機(jī)再生制動力共同提供四輪驅(qū)動下的制動能量回收控制策略的邏輯四輪驅(qū)動下的制動能量回收控制策略O(shè)AB曲線所示為純液壓系統(tǒng)摩擦制動時前、后軸制動力的分配曲線；OACBD為再生-液壓制動系統(tǒng)的前、后軸制動力的分配曲線，前后軸的摩擦制動力分配是按照一定比例進(jìn)行的再生-液壓制動系統(tǒng)中，總再生制動強(qiáng)度是指總的電機(jī)再生制動力與整車重量的比值。由于四個輪轂電機(jī)是完全相同的，可以認(rèn)為它們的再生制動工況是相同的，即四個輪轂電機(jī)平均分配整車的再生制動力。四輪驅(qū)動下的制動能量回收控制策略的邏輯圖四輪驅(qū)動汽車再生制動能量回收控制算法控制算法的總輸入量為總制動力，由制動踏板力傳感器得到?？傇偕苿恿σ约扒啊⒑筌囕S的再生制動力由制動控制器中的再生制動力曲線得到，前、后輪摩擦制動力分配由制動回路中的高速開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)。控制算法的輸出量為前輪再生制動力、后輪再生制動力、前輪摩擦制動力和后輪摩擦制動力。所有的電機(jī)再生制動力都由電機(jī)控制器來實(shí)現(xiàn)控制。四輪驅(qū)動汽車再生制動能量回收控制算法總再生制動強(qiáng)度與整車制動強(qiáng)度的關(guān)系三、制動能量回收系統(tǒng)仿真10-15循環(huán)工況仿真在ADVISOR中建立某四輪驅(qū)動電動汽車的制動能量回收仿真模型，選擇公路行駛的10-15循環(huán)工況和典型的停車制動工況進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果考察制動過程中制動力的分配、能量回收效率和電池的充電電流等，對所建立的四輪輪轂驅(qū)動下的制動能量回收控制策略進(jìn)行評價。10-15循環(huán)工況總運(yùn)行時間為660s，平均車速為22.68km/h，最高行駛車速為70km/h，行駛過程中共停車7次。10-15循環(huán)工況下，汽車行駛速度變化較小，平均速度較低，制動平緩，符合城市循環(huán)過程仿真。10-15循環(huán)工況中汽車行駛速度圖制動時，前、后車輪獲得的再生制動力是相等的。這與所制定的制動能量回收控制策略有關(guān)。車輪上再生制動力的大小還與循環(huán)中汽車速度變化的快慢有關(guān)。當(dāng)車速變化較大時，整車的制動強(qiáng)度增大，從而輪轂電機(jī)的再生制動強(qiáng)度也增大，再生制動力相應(yīng)增大。10-15循環(huán)工況前、后車輪再生制動力分配圖前、后車輪電機(jī)的再生制動力矩是相同的。10-15循環(huán)工況下，整車的制動強(qiáng)度較小，前、后車輪所負(fù)責(zé)的再生制動力相等，電機(jī)的再生制動轉(zhuǎn)矩也是相等的。10-15循環(huán)工況前、后車輪電機(jī)再生制動轉(zhuǎn)矩圖電動汽車采用全電驅(qū)動，在行駛過程中，電池向電機(jī)提供能量，SOC值逐漸減小。在再生制動作用下，電機(jī)向電池充電，電池的SOC值會有一定程度的升高，電機(jī)的再生制動轉(zhuǎn)矩越大，再生制動持續(xù)的時間越長，SOC值升高得越多。10-15循環(huán)工況電池的SOC值的變化曲線圖三、制動能量回收系統(tǒng)仿真10-15循環(huán)工況仿真在ADVISOR中建立某四輪驅(qū)動電動汽車的制動能量回收仿真模型，選擇公路行駛的10-15循環(huán)工況和典型的停車制動工況進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果考察制動過程中制動力的分配、能量回收效率和電池的充電電流等，對所建立的四輪輪轂驅(qū)動下的制動能量回收控制策略進(jìn)行評價。在再生制動過程中，電機(jī)因其電機(jī)/發(fā)電機(jī)可逆性，可以作為發(fā)電機(jī)將汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能，存儲在電池中，此時電池顯示負(fù)電流，表示向電池充電，此時的充電電流是四個電機(jī)所產(chǎn)生的電流的總和。充電電流的大小與電機(jī)的再生制動轉(zhuǎn)矩和再生制動時間有關(guān)10-15循環(huán)工況電池的充電電流當(dāng)電機(jī)進(jìn)行再生制動時，電機(jī)向動力電池充電，電池默認(rèn)為負(fù)能量。電機(jī)回收制動能量的數(shù)量與電機(jī)再生制動的強(qiáng)度以及再生制動持續(xù)的時間有關(guān)，強(qiáng)度越大，時間越長，所回收的能量也越多。除此之外，汽車的行駛車速以及電池的SOC值也都是影響能量回收的因素。10-15循環(huán)過程中制動能量回收曲線圖仿真結(jié)果表明，在一個10-15循環(huán)工況中，回收的制動能量為3.56×105J，總的制動能量為7.28×105J，整車消耗的總能量為1.58×106J，制動能量的回收效率為48.91％，總能量回收效率為22.5％。采用四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動時，總能量的回收效率高于20％，比前輪驅(qū)動下的總能量回收效率高。三、制動能量回收系統(tǒng)仿真停車制動工況仿真汽車從行駛到完全制動停止的過程中，汽車的動能通過摩擦制動而轉(zhuǎn)化為熱能逐步耗散在空氣中。電動汽車使用的是再生-液壓制動系統(tǒng)，制動過程中有一部分的制動動能可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能存儲在動力電池中。動能向電機(jī)傳輸?shù)倪^程中，有一部分消耗在機(jī)械摩擦過程中；電機(jī)向動力電池反充電的過程中，還要受到電池的充電電流、充電功率以及電池的SOC值等的限制。所以，只是一部分制動動能可以傳遞到動力電池中。常見的制動停車1緊急制動停車是在緊急狀況下，為了使汽車在較短的時間內(nèi)停止而采取的制動方式，需求的制動力大，制動時間短，制動強(qiáng)度較大緊急制動停車2緩速停車制動是指汽車逐步減慢車速，必要時通過制動使汽車速度逐步減小直至車輛完全停止的過程，這一過程一般時間較長，制動平緩，制動強(qiáng)度小，是常見的停車方式。緩速制動停車設(shè)置停車制動的初始速度為48km