電動汽車能量回收研究（二）

www.cq360.cn 來源：電動車商情　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-4-19

３、制動能量回收控制算法３．１制動過程分析經推導可得，一次剎車回收能量Ｅ＝Ｋ１Ｋ２Ｋ３（ΔＷ－ＦｆＳ）。特定剎車過程中，車體動能衰減ΔＷ為定值。特定車型的機械傳動效率Ｋ１和滾動摩擦力Ｆｆ基本上是固定的。對蓄電池來說，制動能量回收對應于短時間（不超過２０ｓ）、大電流（可達１００Ａ）充電，因此能量回收約束條件（２）可忽略，充電效率Ｋ３也可認為恒定。對于電機來說，在制動過程中，其發電效率Ｋ２隨轉速和轉矩的變化而變化。制動距離Ｓ取決于制動力的大小和制動時間的長短。由以上分析可知，如果電池狀態（包括放電深度、初始充電電流強度）允許，回收能量只與發電機發電效率和剎車距離有關。在滿足制動時間要求的前提下，通過調節電機制動轉矩可以控制電機轉速。３．２控制算法控制策略可描述為：在滿足剎車要求的情況下（由中輕度剎車檔位決定），根據能量回收約束條件（１）和（３）的不同值，確定最優制動力，使回收的能量達到最大，即電流對時間的積分達到最大。為了與平常的剎車習慣相符合，令制動力隨剎車時間呈線性增長，即Ｆｊ＝Ｆｏ＋Ｋｔ。問題轉換為尋找最優的制動力初值Ｆｏ和制動力增長系數Ｋ。我國常用的轎車循環２５工況規定，汽車最高速(High Speed)度不超過６０ｋｍ／ｈ，加速度(Tempo)變化范圍為－１．５ｍ／ｓ２～１．５ｍ／ｓ２。為了體現城市工況下汽車制動的典型性，同時保證安全性和平穩性，考察如下制動過程：電制動初始速度(Tempo)為６０ｋｍ／ｈ（對應電機轉速為４５００ｒ／ｍｉｎ），電制動結束速度(Tempo)為５．４ｋｍ／ｈ（對應電機轉速為５００ｒ／ｍｉｎ），要求加速度(Tempo)的絕對值小于２ｍ／ｓ２，速度(Tempo)曲線盡量平滑。中度檔位剎車時規定制動時間為８ｓ～１２ｓ，輕度檔位剎車時規定制動時間為１２ｓ～１８ｓ。下面只討論中度檔位剎車情況，輕度檔位剎車情況與之類似。鎳氫電池（１００Ａｈ）在常溫以０．５Ｃ放電時，電池單體電壓變化范圍為１２～１５Ｖ，但電池主要工作于平臺段，即１２．２～１３Ｖ。為討論問題方便，認為電池單體端電壓為１２．５Ｖ，總電壓等于３００Ｖ。據此假設，計算所得的充電電流誤差不超過６％。電機在不同的轉速與轉矩運行時，實測的效率曲線類似指數函數。為了處理方便，可將效率曲線分三段線性擬合成如下函數（擬合誤差不超過５％，其中ｎ為電機瞬時轉速）：與此相對應，可將制動過程分成三個階段：第一階段：電機轉速變化范圍為４５００ｒ／ｍｉｎ～３６００ｒ／ｍｉｎ，電機發電效率為０．９，要求制動時間ｔ１≤３ｓ。取制動轉矩為６０Ｎｍ，即Ｆ０＝１８６０Ｎ，Ｋ＝２０，可得ｔ１＝２．６２ｓ，平均加速度(Tempo)約為－１．２９ｍ／ｓ２。計算可知，充電電流Ｉ單調減小，ＩＭａｘ＝Ｉｔ＝０＝７５．７５Ａ。第二階段：電機轉速變化范圍為３６００ｒ／ｍｉｎ～１５００ｒ／ｍｉｎ，電機的發電效率變化范圍為０．９～０．８２，要求制動時間ｔ２≤５ｓ。此時問題歸結為在約束條件下的最優控制問題。經仿真計算可知，回收能量值隨Ｆ０、Ｋ的增加而單調增加，并且主要由Ｆ０決定。當Ｆ０較小時，Ｋ的變化對制動時間的影響較大。由于電機可運行在三倍過載（１４０Ｎｍ）的情況下，可得最大制動力為４３００Ｎ。當Ｆ０＝４３００Ｎ、Ｋ＝３０時，回收能量取最大值，為２７４．３（單位：安秒／Ａｓ），平均加速度(Tempo)為－２．８３ｍ／ｓ２。為了滿足剎車平穩性的要求，取Ｆ０＝２３００Ｎ、Ｋ＝５０。制動時間為４．７１ｓ，此時回收能量為２６２．８Ａｓ，較最大值減少４．２％，而平均加速度(Tempo)為－１．６８ｍ／ｓ２，僅為最大值的５９．３％。此階段充電電流最大值為７６．９Ａ。為了準確描述能量回收的效果；引入了一個新的單位“安秒／Ａｓ”（即時間以秒為單位對電流的積分）來衡量能量的大小。第三階段：電機轉速變化范圍為１５００ｒ／ｍｉｎ～５００ｒ／ｍｉｎ，電機的發電效率變化范圍為０．８２～０．６，要求制動時間ｔ３≤２ｓ。仿照第二階段的分析方法可得，取Ｆ０＝３０００Ｎ、Ｋ＝３０時，制動時間為１．８８ｓ，回收能量為４２．１Ａｓ，平均加速度(Tempo)為－２．０１ｍ／ｓ２。此時回收能量較最大值減少２．３％，而平均加速度(Tempo)為最大值的７４．１％，此階段充電電流最大值為３５．９Ａ。４、仿真模型及結果根據汽車動力學理論并結合其它相關方程可得仿真模型：驅動力合力：Ｆｔ＝Ｆｆ＋Ｆｊ＋Ｆｉ＋Ｆｗ其中,Ｆｔ為作用于車輪上的驅動力合力，Ｆｆ為滾動摩擦力，Ｆｊ為加速阻力，Ｆｉ為坡度阻力，Ｆｗ為空氣阻力。在城市工況下，Ｆｉ和Ｆｗ可忽略。其中，車體質量為Ｍ，瞬時車速為Ｖ，制動初始車速為Ｖ０，電制動結束時車速為Ｖ１，充電電流為Ｉ，電池端電壓為Ｕ。其它符號含義與前相同。５、制動能量回收控制算法功效的評價以初始速度(Tempo)為６０ｋｍ／ｈ的電制動典型過程為例，經仿真計算可得，回收能量占車體總動能的６５．４％，其余的３４．６％為機械剎車和電剎車過程中的損耗。以我國轎車２５循環工況為例，考慮到摩擦阻力及各部分效率的問題，回收能量占總耗能的２３．３％。實驗證明，本文提出的制動能量回收控制策略是簡潔有效的。在典型城市工況下，配備能量回收系統的ＸＬ型純電動轎車運行可靠，可以延長續駛里程１０％以上。６、其它相關問題的討論鋰電池由于比能量高，也是ＥＶ常用的動力源。實驗證明國內研制的鋰電池瞬時（２０ｓ）充電電流上限可達１Ｃ，對常用的８０Ａｈ鋰電池而言，其最大充電電流為８０Ａ左右。但是出于安全方面的考慮，如果把制動能量回收系統用于鋰電池系統，需要嚴格的限流措施或將電剎車與機械剎車同時作用。制動能量回收的另一種情況是汽車下長緩坡。我國規定城市道路(Strada)坡度不超過８％，在此條件下，如果ＥＶ下坡速度(Tempo)為３０ｋｍ／ｈ（ｎ＝２２００ｒ／ｍｉｎ，效率＝０．８４７），則制動充電電流為３７．６Ａ，對鎳氫電池來說不到０．４Ｃ，可以安全地持續充電。盡管本課題針對純電動車，但由于混合動力車與純電動車的能量回收規律相似，因此以上討論同樣適用于各種混合動力車，主要區別在于電池放電倍率大小不同。