电动轿车制动能量管理论文

摘要：电动轿车的驱动电机运转在再生发电状况时，既能够提供制动力，又能够给电池充电收回车体动能，然后延伸电动车续驶路程。对制动形式进行了分类，并详细探讨了中轻度刹车时制动能量收回的机制和影响要素。提出了制动能量收回的最优操控策略，给出了仿真模型及成果，最后依据仿真模型及XL型纯电动车对操控算法的作用进行了点评。

要害词：制动能量收回电动轿车镍氢电池Simulink模型

电动轿车（EV）的研讨是在环境保护问题及动力问题日益遭到关注的状况下兴起的。在EV性能进步并逐渐迈向产业化的进程中，进步能量的储备与利用率是迫切需求处理的两个问题。尽管蓄电池技能有了长足进步，但因为受安全性、经济性等要素的限制，近期不会有大的打破。因而如何进步EV能量利用率是一个非常要害的问题。

制动能量收回问题关于进步EV的能量利用率具有重要意义。电动轿车选用电制动时，驱动电机运转在发电状况，将轿车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延伸电动轿车的行驶间隔是至关重要的。国外有关研讨标明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运转条件下，有效地收回制动能量，可使电动轿车的行驶间隔延伸百分之十到百分之三十。

目前国内关于制动能量收回的研讨还处在初级阶段。制动能量收回要综合考虑轿车动力学特性、电机发电特性、电池安全确保与充电特性等多方面的问题。研发一种既具有实践效用、又契合司机操作习气的体系是有一定难度的。本文对上述问题作了一些积极的探究，并得出了一些有益的定论。

1制动形式

电动轿车制动可分为以下三种形式，对不同状况应选用不同的操控策略。

1.1急刹车

急刹车对应于制动加速度大于2m／s2的进程。出于安全性方面的考虑，急刹车应以机械为主，电刹车一起作用。在急刹车时，可依据初始速度的不同，由车上ABS操控提供相应的机械制动力。

1.2中轻度刹车

中轻度刹车对应于轿车在正常工况下的制动进程，可分为减速进程与中止进程。电刹车担任减速进程，中止进程由机械刹车完结。两种刹车的切换点由电机发电特性确定。

1.3轿车长下坡时的刹车

轿车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时。在制动力要求不大时，可完全由电刹车提供。其充电特色表现为回馈电流较小但充电时刻较长。限制要素首要为电池的最大可充电时刻。

因为电动轿车首要作业在城市工况下，所以本文将研讨重点放在中轻度电刹车上。

2制动能量收回的约束条件

有用的能量收回体系应满意以下要求：

(1)满意刹车的安全要求，契合驾驶员的刹车习气。

刹车进程中，对安全的要求是第一位的。需求找到电刹车和机械刹车的最佳掩盖区间，在确保安全的前提下，尽或许多地收回能量。具有能量收回体系的电动轿车的刹车进程应尽或许地与传统的刹车进程近似，这将确保在实践应用中，体系有吸引力，能够为大众所承受。

（2）考虑驱动电机的发电作业特性和输出才能。

电动轿车中常用的是永磁直流电机或感应异步电机，应针对不同的电机的发电功率特性，采取相应的操控手法。

（3）确保电池组在充电进程中的安全，防止过充。

电动轿车中常用的电池为镍氢电池、锂电池和铅酸电池。充电时，防止因充电电流过大或充电时刻过长而损害电池。

由以上剖析可得能量收回的约束条件：

（1）依据电池放电深度的不同，电池可承受的最大充电电流。

（2）电池可承受的最大充电时刻。

（3）能量收回中止时电机的转速及与此相对应的充电电流值。

本项目原型车为XL型纯电动车，驱动选用异步交流电机，额定功率为20kW，峰值功率为60kW，额定转矩为53Nm，峰值转矩为290Nm，继续输出三倍额定转矩时刻不小于30s，额定转速为3600r／min，最高转速为9000r／min。蓄电池选用24节100Ah镍氢电池，其瞬时充电电流可达1．5C（C为电池放电倍率），即150A。在充电电流为0．5C时，可继续安全充电。试验标明，在电机转速为500r／min时，充电电流小于6A。可设此点为电刹车与机械刹车的切换点。

3制动能量收回操控算法

3．1制动进程剖析

经推导可得，一次刹车收回能量E＝K1K2K3（ΔW－FfS）。

特定刹车进程中，车体动能衰减ΔW为定值。特定车型的机械传动功率K1和翻滚摩擦力Ff基本上是固定的。对蓄电池来说，制动能量收回对应于短时刻（不超越20s）、大电流（可达100A）充电，因而能量收回约束条件（2）可疏忽，充电功率K3也能够为稳定。关于电机来说，在制动进程中，其发电功率K2随转速和转矩的改变而改变。制动间隔S取决于制动力的巨细和制动时刻的长短。

由以上剖析可知，假如电池状况（包含放电深度、初始充电电流强度）答应，收回能量只与发电机发电功率和刹车间隔有关。在满意制动时刻要求的前提下，经过调节电机制动转矩能够操控电机转速。

3．2操控算法

操控策略可描绘为：在满意刹车要求的状况下（由中轻度刹车档位决议），依据能量收回约束条件（1）和（3）的不同值，确定最优制动力，使收回的能量到达最大，即电流对时刻的积分到达最大。为了与平常的刹车习气相契合，令制动力随刹车时刻呈线性添加，即Fj＝Fo＋Kt。问题转换为寻觅最优的制动力初值Fo和制动力添加系数K。

我国常用的轿车循环25工况规则，轿车最高速度不超越60km／h，加速度改变规模为－1．5m／s2～1．5m／s2。为了表现城市工况下轿车制动的典型性，一起确保安全性和平稳性，调查如下制动进程：电制动初始速度为60km／h（对应电机转速为4500r／min），电制动完毕速度为5．4km／h（对应电机转速为500r／min），要求加速度的绝对值小于2m／s2，速度曲线尽量平滑。中度档位刹车时规则制动时刻为8s～12s，轻度档位刹车时规则制动时刻为12s～18s。下面只评论中度档位刹车状况，轻度档位刹车状况与之类似。

镍氢电池（100Ah）在常温以0．5C放电时，电池单体电压改变规模为12～15V，但电池首要作业于渠道段，即12．2～13V。为评论问题方便，以为电池单体端电压为12．5V，总电压等于300V。据此假定，核算所得的充电电流差错不超越6％。

电机在不同的转速与转矩运转时，实测的功率曲线类似指数函数。为了处理方便，可将功率曲线分三段线性拟合成如下函数（拟合差错不超越5％，其间n为电机瞬时转速）：

与此相对应，可将制动进程分红三个阶段：

第一阶段：电机转速改变规模为4500r／min～3600r／min，电机发电功率为0．9，要求制动时刻t1≤3s。

取制动转矩为60Nm，即F0＝1860N，K＝20，可得t1＝2．62s，均匀加速度约为－1．29m／s2。核算可知，充电电流I单调减小，IMax＝It＝0＝75．75A。

第二阶段：电机转速改变规模为3600r／min～1500r／min，电机的发电功率改变规模为0．9～0．82，要求制动时刻t2≤5s。

此刻问题归结为在约束条件下的最优操控问题。经仿真核算可知，收回能量值随F0、K的添加而单调添加，并且首要由F0决议。当F0较小时，K的改变对制动时刻的影响较大。因为电机可运转在三倍过载（140Nm）的状况下，可得最大制动力为4300N。当F0＝4300N、K＝30时，收回能量取最大值，为274．3（单位：安秒／As），均匀加速度为－2．83m／s2。为了满意刹车平稳性的要求，取F0＝2300N、K＝50。制动时刻为4．71s，此刻收回能量为262．8As，较最大值削减4．2％，而均匀加速度为－1．68m／s2，仅为最大值的59．3％。此阶段充电电流最大值为76．9A。为了精确描绘能量收回的作用；引入了一个新的单位“安秒／As”（即时刻以秒为单位对电流的积分）来衡量能量的巨细。

第三阶段：电机转速改变规模为1500r／min～500r／min，电机的发电功率改变规模为0．82～0．6，要求制动时刻t3≤2s。

仿照第二阶段的剖析办法可得，取F0＝3000N、K＝30时，制动时刻为1．88s，收回能量为42．1As，均匀加速度为－2．01m／s2。此刻收回能量较最大值削减2．3％，而均匀加速度为最大值的74．1％，此阶段充电电流最大值为35．9A。

4仿真模型及成果

依据轿车动力学理论并结合其它相关方程可得仿真模型：

驱动力合力：Ft＝Ff＋Fj＋Fi＋Fw

其间,Ft为作用于车轮上的驱动力合力，Ff为翻滚摩擦力，Fj为加速阻力，Fi为斜度阻力，Fw为空气阻力。在城市工况下，Fi和Fw可疏忽。

其间，车体质量为M，瞬时车速为V，制动初始车速为V0，电制动完毕时车速为V1，充电电流为I，电池端电压为U。其它符号含义与前相同。

在Simulink环境下树立仿真模型，可得电机转速曲线如图1所示，充电电流曲线如图2所示，收回能量曲线如图3所示。

5制动能量收回操控算法功效的点评

以初始速度为60km／h的电制动典型进程为例，经仿真核算可得，收回能量占车体总动能的65．4％，其他的34．6％为机械刹车和电刹车进程中的损耗。以我国轿车25循环工况为例，考虑到摩擦阻力及各部分功率的问题，收回能量占总耗能的23．3％。

试验证明，本文提出的制动能量收回操控策略是简洁有效的。在典型城市工况下，装备能量收回体系的XL型纯电动轿车运转牢靠，能够延伸续驶路程10％以上。

6其它相关问题的评论

锂电池因为比能量高，也是EV常用的动力源。试验证明国内研发的锂电池瞬时（20s）充电电流上限可达1C，对常用的80Ah锂电池而言，其最大充电电流为80A左右。但是出于安全方面的考虑，假如把制动能量收回体系用于锂电池体系，需求严格的限流措施或将电刹车与机械刹车一起作用。

制动能量收回的另一种状况是轿车下长缓坡。我国规则城市道路斜度不超越8％，在此条件下，假如EV下坡速度为30km／h（n＝2200r／min，功率＝0．847），则制动充电电流为37．6A，对镍氢电池来说不到0．4C，能够安全地继续充电。

尽管本课题针对纯电动车，但因为混合动力车与纯电动车的能量收回规则类似，因而以上评论同样适用于各种混合动力车，首要区别在于电池放电倍率巨细不同。