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電動汽車制動能量回收技術(shù)研究

2019-06-12 23:34:17·  來源：EDC電驅(qū)未來  作者：胡建國  
　
汽車行駛的過程中，根據(jù)行駛工況的不同，約有35%～80%的能量損失在制動過程中。為了降低汽車行駛能量消耗率，將汽車的制動過程能量回收從新利用，能帶來明顯的經(jīng)
汽車行駛的過程中，根據(jù)行駛工況的不同，約有35%～80%的能量損失在制動過程中。為了降低汽車行駛能量消耗率，將汽車的制動過程能量回收從新利用，能帶來明顯的經(jīng)濟效益?？赡芰炕厥盏膽壹芟到y(tǒng)可以將汽車在顛簸路上的振動能量回收利用，但相比將汽車行駛動能回收，其經(jīng)濟效益更小，且成本高。在純電動汽車逐漸普及的情況下，分析研究制動能量回收的原理及影響因素，對進一步提高汽車制動能量回收利用率具有重大的意義。因此，本文研究制動能量回收系統(tǒng)。

汽車制動能量回收的方式有很多，根據(jù)回收儲能裝置的不同，可以分為超級電容、鋰離子動力電池、飛輪、機械發(fā)條等形式。而當(dāng)前技術(shù)成熟且能大規(guī)模應(yīng)用的混合動力汽車后純電動汽車，儲能單元大多是鋰離子動力電池。因此，本文研究的是鋰離子動力電池為儲能單元的制動能量回收系統(tǒng)。

根據(jù)制動力分配形式不同，可分為疊加式（部分文獻稱為并聯(lián)式）與協(xié)調(diào)式（部分文獻稱為串聯(lián)式）能量回收系統(tǒng)。協(xié)調(diào)式能量回收比疊加式硬件上增加一個制動踏板開度傳感器，在軟件上增加了一套制動分配力控制策略，成本更高，但能提高汽車制動能量的回收利用率。在未來的可能量回收制動系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)式能量回收將成為主要的方向。因此，本文重點研究協(xié)調(diào)式能量回收系統(tǒng)。

本文研究鋰離子動力電池為儲能系統(tǒng)且采用協(xié)調(diào)式制動策略的純電動汽車。本文首先研究該類汽車的能量流，再研究制動策略的力矩分配及其受限因素，最后確定各因素與能量回收利用率的定量關(guān)系及其經(jīng)驗公式。

1、汽車制動過程能量流分析

汽車制動過程與汽車驅(qū)動過程涉及的能源部件相同，都要流經(jīng)從輪邊到儲能原件中。區(qū)別是，制動能量回收相比驅(qū)動過程更為復(fù)雜，涉及到制動力矩分配問題。這類似于混合動力汽車驅(qū)動力矩的分配。從制動工況上看，純電動汽車可看成是電能回收和機械制動器的混合動力汽車。如圖1所示是制動過程的能流方向及其涉及汽車部件的示意圖。

圖1 電動汽車制動能量回收能流示意

由圖1可知，汽車制動能量需要從車輪依次經(jīng)過機械制動器、傳動軸、差速器、減速器、電機、電機控制器、動力蓄電池環(huán)節(jié)。其中，參與控制能量回收的單元是BMS、VCU、加速踏板和制動踏板。部分控制策略中，松掉加速踏板和制動踏板，汽車就可以處于能量回收狀態(tài)。如何研究各環(huán)節(jié)的參數(shù)與制動能量回收率的關(guān)系，是接下來的工作。

2、制動力矩分配策略

制動能量回收系統(tǒng)的優(yōu)劣程度可以通過能量回收率量化。能量回收率與各環(huán)節(jié)的損耗有關(guān)。協(xié)調(diào)式制動能量回收系統(tǒng)可以看成是電能與機械能混合動力控制系統(tǒng)。需要分析各能流通道中的各環(huán)節(jié)的損耗。

2.1 協(xié)調(diào)式制動力分配策略原理說明

最理想的能量回收系統(tǒng)，是機械制動器完全不動作，能量100%通過該環(huán)節(jié)，且盡量減少在減速器、電機、電機控制器等環(huán)節(jié)的能量損失。但是，機械制動系統(tǒng)不能取消，主要有三個原因：

（1）當(dāng)儲能系統(tǒng)處于滿電或接近滿電狀態(tài)時，不允許再存儲更多的能量，此時需要輪邊機械制動盤動作。量化此影響因素，需要已知電池的溫度-SOC-允許回充電流MAP。

（2）當(dāng)制動力矩需求超過電機最大回饋力矩時，為了安全，機械制動器需要提供部分制動力矩。量化此影響因素，需要已知電機制動能量回收模式的最大力矩外特性曲線。

（3）當(dāng)車輛車速較低時，不能與車輛蠕行策略沖突，此時需要機械制動器介入，且能量回收模式退出。量化此因素的影響，需要已知車輛的截止能量回收的最低車速。該車速必須大于車輛蠕行工況的最大車速?；蛘咝枰∠湫胁呗裕畹蛙囁倏梢员平?，而在車輛止動時由機械制動器介入。

2.2 協(xié)調(diào)式制動力分配策略流程圖

由制動過程影響因素分析可知，整車控制器需要接收并解析加速踏板和制動踏板的信號，獲得駕駛員意圖控制力矩，再根據(jù)控制力矩及各因素影響情況，分配制動力。因為有協(xié)調(diào)制動力分配過程，因此被為協(xié)調(diào)式制動能量回收系統(tǒng)。其控制流程圖如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)式制動力矩分配策略流程圖

2.3 協(xié)調(diào)式制動力分配策略相關(guān)參數(shù)提煉

我們希望更多的輪邊能量回到電池包，則在解析駕駛員制動意圖時，需要更多的制動力矩作用在電機回饋力矩上，盡量少地采用機械制動器。如2.1節(jié)所述，必須由機械制動器提供制動力的情況有三種，與電池允許回收電流特性、電機外特性、最低允許能量車速相關(guān)。

圖3 動力鋰離子電池允許能量回收電流MAP

圖4 電機允許最大能量回收力矩外特性

以某電動汽車為例，該純電動汽車動力鋰離子電池的允許能量回收特性如圖3所示，允許能量回收強度與電池的SOC、溫度MAP。電機最多允許制動力矩與電機轉(zhuǎn)速外特性如圖4所示。最低允許能量回收車速為7km/h。依據(jù)此數(shù)據(jù)，即可做仿真分析，量化其影響。

3、建模仿真

由圖1可知，參與能量回收的系統(tǒng)包括整車道路載荷、車輪、機械制動器、傳動軸、差速器及減速器、電機、電池。各環(huán)節(jié)的通過效率以機械制動器最為復(fù)雜，需要采用2.2節(jié)所示的控制流程。其余環(huán)節(jié)在仿真精度不高的情況下可等效為固定的效率。因此，本仿真模型重點研究機械制動器環(huán)節(jié)的效率。采用simulink建模如圖5所示。

圖5 機械制動系統(tǒng)simulink建模

4、仿真分析及經(jīng)驗公式

依據(jù)圖5的仿真模型，將某典型車輛的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，仿真分析各因素的對機械制動器能量損耗的影響情況。并根據(jù)仿真模型修改影響因素數(shù)據(jù)，量化分析各因素的影響程度，將結(jié)果擬合成經(jīng)驗公式，用于動力性經(jīng)濟性前期開發(fā)的仿真分析中。

4.1 仿真實例

制動系統(tǒng)仿真以某款純電動汽車為例，已知該汽車的參數(shù)如下：整備質(zhì)量1560kg，附加質(zhì)量100kg，滾阻系數(shù)0.01N/kN，風(fēng)阻系數(shù)0.32，迎風(fēng)面積2.5m2，輪胎型號185/60 R18，車輪轉(zhuǎn)動慣量0.6kg·m2，傳動軸傳遞效率98%，傳動軸轉(zhuǎn)動慣量0.01 kg·m2，減速器效率97%，減速器輸入軸轉(zhuǎn)動慣量0.005 kg·m2，電機能量回收峰值扭矩250Nm，電機能量回收峰值功率85kW，電機最高轉(zhuǎn)速12000rpm，電機等效效率90%，電機外特性及電池特性如2.3節(jié)所述。選擇30個循環(huán)的NEDC工況，動力電池平均電壓為350V。

制動環(huán)節(jié)的仿真結(jié)果如圖6所示：

圖6 制動能量回收制動功率分配示例

該仿真模型中，通過制動器可回收功率占比為91.47%。其中，機械損耗在前兩個循環(huán)中作用更大，部分因為電機制動功率限制，另一部分因為最低車速限制。

4.2 制動器環(huán)節(jié)等效效率經(jīng)驗公式

對于不同的工況，制動效率影響相差很大。勻速工況沒有能量回收效率的概念，而目前最常研究的是NEDC（New Europe Drive Cycle）工況，可能在未來推出中國工況或由用戶自定義的工況，因此本文以NEDC工況為研究對象。并預(yù)估車輛續(xù)駛里程為324km，及30個NEDC工況循環(huán)。

在協(xié)調(diào)式制動能量回收系統(tǒng)中，對于NEDC工況，電機制動力可以滿足最大減速度要求，因此該項視為對機械制動器無影響。有些策略中，以車輛減速度大小為機械制動器動作的控制參數(shù)，亦可滿足NEDC工況最大減速度需求。但如果是疊加式制動能量回收系統(tǒng)，則要額外單獨分析。

仿真得允許能量回收SOC上限-允許能量回收車速下限-機械制動器通過效率MAP如圖7所示。

圖7 機械制動器通過效率MAP

由圖7可知，該分布近似于第一象限內(nèi)的拋物面。構(gòu)造拋物面經(jīng)驗公式，并采用最小二乘法獲得系數(shù)，則該經(jīng)驗公式為：


式中，SOCmax為允許能量回收SOC上限，取值范圍為100%～90%，Vmin為允許能量回收車速下限，取值范圍為0～11km/h。

5、結(jié)論

當(dāng)前較優(yōu)協(xié)調(diào)式制動能量回收策略機械系統(tǒng)等效效率已經(jīng)可以控制到95%，一般也能達到90%以上，但依然有一定的優(yōu)化空間。經(jīng)能流分析可知，將90%優(yōu)化到95%，則整車能耗降低約2.5%。相比于提高電機效率、整車輕量化、風(fēng)阻優(yōu)化，這一部分的降能耗貢獻是微弱的。但改善電池回收特性、改善低車速能量回收控制策略，將對進一步降低能耗起到積極的作用。
 
 
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