第五章 純電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

第五章

純電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)1一、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)組成與原理制動(dòng)能量回收是把汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在減速或制動(dòng)的同時(shí)達(dá)到回收制動(dòng)能量的目的，然后在汽車(chē)起步或加速時(shí)又釋放儲(chǔ)存的能量。組成電機(jī)再生制動(dòng)部分和傳統(tǒng)液壓摩擦制動(dòng)兩部分，該制動(dòng)系統(tǒng)可以視為機(jī)電復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)。原理電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)是利用電機(jī)的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)可逆性原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在電動(dòng)汽車(chē)需要減速或者滑行時(shí)，可以利用驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換成對(duì)蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。從保證制動(dòng)安全和提高能量利用率的角度來(lái)考慮，再生-液壓混合制動(dòng)系統(tǒng)是最適合電動(dòng)汽車(chē)的綜合制動(dòng)系統(tǒng)。要求電機(jī)再生制動(dòng)雖然可以回收制動(dòng)能量并向車(chē)輪提供部分制動(dòng)力，但是其無(wú)法使得車(chē)輪完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)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(dòng)和高強(qiáng)度制動(dòng)條件下不能獨(dú)立完成制動(dòng)要求，因此，為了保證汽車(chē)的制動(dòng)安全性能，在采用電機(jī)再生制動(dòng)的同時(shí)，必須使用傳統(tǒng)的液壓摩擦制動(dòng)作為輔助，從而達(dá)到既保證汽車(chē)的制動(dòng)安全性，又回收可觀的能量的目的。一、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)組成與原理1四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。2電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程是在液壓摩擦制動(dòng)與電機(jī)再生制動(dòng)協(xié)調(diào)作用完成的。3再生制動(dòng)系統(tǒng)主要是由輪轂電機(jī)、電機(jī)控制器、逆變器、制動(dòng)控制器和動(dòng)力電池等主要部件組成。4汽車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制器根據(jù)不同的制動(dòng)工況發(fā)出不同的指令，通過(guò)電機(jī)控制器控制輪轂電機(jī)，進(jìn)行再生制動(dòng)。電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)：為雙回路液壓制動(dòng)系統(tǒng)+電動(dòng)真空助力+電機(jī)再生制動(dòng)。制動(dòng)過(guò)程制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)踏板的開(kāi)度（實(shí)際為主缸壓力）?，判斷整車(chē)的制動(dòng)強(qiáng)度，確定相應(yīng)的摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)的分配關(guān)系前后軸的摩擦制動(dòng)分配關(guān)系由液壓系統(tǒng)對(duì)前后輪的分配關(guān)系實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度和電池的SOC值確定可以輸出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩并對(duì)前后軸進(jìn)行分配，然后通過(guò)電機(jī)控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)在整個(gè)制動(dòng)的過(guò)程中，要保證電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，并盡可能多地回收制動(dòng)能量，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程一、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)組成與原理制動(dòng)開(kāi)始時(shí)能量管理系統(tǒng)將動(dòng)力電池SOC值發(fā)送給制動(dòng)控制器，當(dāng)SOC>0.8時(shí)，取消能量回收；當(dāng)0.7≤SOC≤0.8時(shí)，制動(dòng)能量回收受動(dòng)力電池允許的最大充電電流制約；當(dāng)SOC<0.7時(shí)，制動(dòng)能量回收不受動(dòng)力電池允許的最大充電電流制約1制動(dòng)控制器接收由壓力變送器傳送的主缸壓力信號(hào)，并計(jì)算出需求的電機(jī)再生制動(dòng)強(qiáng)度上限2制動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度3比較需求的電機(jī)再生制動(dòng)強(qiáng)度上限和輪轂電機(jī)實(shí)際能夠提供的制動(dòng)強(qiáng)度，并將結(jié)果作為電信號(hào)發(fā)送給電機(jī)控制器4此時(shí)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(guò)逆變器限制電機(jī)產(chǎn)生的最高電壓和對(duì)電壓進(jìn)行升壓，以便滿足電流輸出要求，充到動(dòng)力電池組中5為了對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行保護(hù)，能量管理系統(tǒng)需要時(shí)刻檢測(cè)電池溫度，當(dāng)溫度過(guò)高則停止制動(dòng)能量回收6制動(dòng)能量回收六大過(guò)程二、制動(dòng)能量回收控制策略影響制動(dòng)能量回收的因素制動(dòng)能量回收的過(guò)程是把驅(qū)動(dòng)輪的部分動(dòng)能通過(guò)電機(jī)回饋到動(dòng)力電池組中，因此整車(chē)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊和各模塊的使用環(huán)境對(duì)制動(dòng)能量回收有較大的影響。影響電動(dòng)汽車(chē)能量回收的因素主要有以下4個(gè)方面。當(dāng)進(jìn)行制動(dòng)能量回收時(shí)，電機(jī)工作在再生制動(dòng)模式，電機(jī)的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩影響著能夠提供的電制動(dòng)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(shí)在制定能量回收策略時(shí)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(shí)，只能進(jìn)行小電流充電或不回收制動(dòng)能量；當(dāng)蓄電池剩余電量較低時(shí)，在不影響安全的前提下可適當(dāng)提高制動(dòng)能量所占比例。充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或充電電流過(guò)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(chē)輛在不同工況行駛時(shí)，純電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)頻率和制動(dòng)強(qiáng)度不同，當(dāng)制動(dòng)越頻繁或制動(dòng)強(qiáng)度越低時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)可以回收的制動(dòng)能量就越多，例如在車(chē)輛頻繁起步與停車(chē)的城市工況下。在高速公路行駛工況下制動(dòng)頻率較低，所以回收的制動(dòng)能量也相對(duì)較少車(chē)輛行駛工況3當(dāng)車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，首先需要考慮的是制動(dòng)系統(tǒng)要滿足駕駛員的制動(dòng)需求和制動(dòng)時(shí)車(chē)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(dòng)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(dòng)力，但是為了防止車(chē)輪抱死也必須減少電制動(dòng)力的大小來(lái)保證行車(chē)安全制動(dòng)的安全性4二、制動(dòng)能量回收控制策略常見(jiàn)的制動(dòng)能量回收控制策略常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē)主要是采取前輪驅(qū)動(dòng)的形式，因此相應(yīng)的制動(dòng)能量回收的控制策略主要關(guān)注前、后輪制動(dòng)器提供的制動(dòng)力和前輪電機(jī)提供的再生制動(dòng)力三部分之間的關(guān)系。由此得到的基于電機(jī)再生制動(dòng)的能量回收控制策略主要有前后軸制動(dòng)力理想分配時(shí)的控制策略、前后軸制動(dòng)力比例分配時(shí)的控制策略和最優(yōu)能量回收控制策略。需要的總制動(dòng)力較小時(shí)，全部由再生制動(dòng)力提供；當(dāng)需要的減速度增大時(shí)，電機(jī)再生制動(dòng)力所占的比例逐漸減小；機(jī)械制動(dòng)力開(kāi)始起作用；當(dāng)總制動(dòng)力大于一定值時(shí)意味著這是一個(gè)緊急制動(dòng)，再生制動(dòng)力減小到零，機(jī)械制動(dòng)提供所有的制動(dòng)力；當(dāng)所需的制動(dòng)減速度在兩者之間時(shí)，再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)共同作用前后軸制動(dòng)力比例分配時(shí)的控制策略當(dāng)減速度要求較小時(shí)，僅電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)工作。隨著制動(dòng)減速度逐漸增大，前后軸制動(dòng)力將被控制在理想制動(dòng)力分配曲線上。其中前軸制動(dòng)力等于再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力總和。當(dāng)控制系統(tǒng)得到駕駛員的減速度要求時(shí)，將根據(jù)制動(dòng)電機(jī)的特性和車(chē)載蓄電池SOC值來(lái)決定驅(qū)動(dòng)軸制動(dòng)力由再生制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)提供，還是由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)系統(tǒng)共同提供前后軸制動(dòng)力理想分配時(shí)的控制策略當(dāng)總制動(dòng)力需求小于此時(shí)能提供的最大再生制動(dòng)力時(shí)，僅由再生制動(dòng)力起作用；當(dāng)總制動(dòng)力大于此時(shí)能提供的最大再生制動(dòng)力時(shí)，總制動(dòng)力減去最大再生制動(dòng)力是應(yīng)該提供的機(jī)械制動(dòng)力，剩余的需提供的機(jī)械制動(dòng)力將分配為前輪機(jī)械制動(dòng)力和后輪機(jī)械制動(dòng)力。前、后輪機(jī)械制動(dòng)力的分配按照盡量使總的前、后輪制動(dòng)力分配接近理想制動(dòng)力分配曲線最優(yōu)能量回收控制策略三種常見(jiàn)制動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定性能量回收效率前、后軸制動(dòng)力理想分配時(shí)的控制策略較復(fù)雜,需專(zhuān)門(mén)的制動(dòng)力控制系統(tǒng)較高較高前、后軸制動(dòng)力比例分配時(shí)的控制策略一般,改動(dòng)較小中等中等最優(yōu)能量回收控制策略較復(fù)雜,需專(zhuān)門(mén)的制動(dòng)力控制系統(tǒng)較低最高三種制動(dòng)能量回收控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中，前、后軸制動(dòng)力比例分配時(shí)的控制策略既能保證一定的能量回收效率，制動(dòng)穩(wěn)定性較理想，而且結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，是目前技術(shù)條件下的一種比較好的選擇二、制動(dòng)能量回收控制策略四輪驅(qū)動(dòng)下的制動(dòng)能量回收控制策略單電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，能量回收只集中在電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的前輪上。汽車(chē)采用四輪驅(qū)動(dòng)形式，前、后車(chē)輪都是由輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，所以制動(dòng)能量回收在前輪和后輪同時(shí)存在。1摩擦制動(dòng)力與電機(jī)再生制動(dòng)力的分配關(guān)系2前后軸摩擦制動(dòng)力的分配關(guān)系3前后軸電機(jī)再生制動(dòng)力的分配關(guān)系四輪驅(qū)動(dòng)下的制動(dòng)能量回收控制策略主要考慮的三個(gè)關(guān)系控制邏輯中主要根據(jù)由液壓制動(dòng)壓力所反映出的制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行邏輯控制當(dāng)需求制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1時(shí)，僅由電機(jī)的再生制動(dòng)力提供整車(chē)制動(dòng)所需的力；隨著需求制動(dòng)力的增加，摩擦制動(dòng)力逐漸開(kāi)始起作用，電機(jī)再生制動(dòng)力所占比例逐漸減小當(dāng)需求制動(dòng)強(qiáng)度z≥0.7時(shí)，此時(shí)認(rèn)為車(chē)輛進(jìn)行緊急制動(dòng)，為了保證制動(dòng)安全性，制動(dòng)力完全由摩擦制動(dòng)來(lái)提供當(dāng)需求制動(dòng)強(qiáng)度介于兩者之間，即0.1<z<0.7時(shí)，整車(chē)的制動(dòng)力由液壓摩擦制動(dòng)力與電機(jī)再生制動(dòng)力共同提供四輪驅(qū)動(dòng)下的制動(dòng)能量回收控制策略的邏輯四輪驅(qū)動(dòng)下的制動(dòng)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(dòng)時(shí)前、后軸制動(dòng)力的分配曲線；OACBD為再生-液壓制動(dòng)系統(tǒng)的前、后軸制動(dòng)力的分配曲線，前后軸的摩擦制動(dòng)力分配是按照一定比例進(jìn)行的再生-液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，總再生制動(dòng)強(qiáng)度是指總的電機(jī)再生制動(dòng)力與整車(chē)重量的比值。由于四個(gè)輪轂電機(jī)是完全相同的，可以認(rèn)為它們的再生制動(dòng)工況是相同的，即四個(gè)輪轂電機(jī)平均分配整車(chē)的再生制動(dòng)力。四輪驅(qū)動(dòng)下的制動(dòng)能量回收控制策略的邏輯圖四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)能量回收控制算法控制算法的總輸入量為總制動(dòng)力，由制動(dòng)踏板力傳感器得到。總再生制動(dòng)力以及前、后車(chē)軸的再生制動(dòng)力由制動(dòng)控制器中的再生制動(dòng)力曲線得到，前、后輪摩擦制動(dòng)力分配由制動(dòng)回路中的高速開(kāi)關(guān)閥實(shí)現(xiàn)。控制算法的輸出量為前輪再生制動(dòng)力、后輪再生制動(dòng)力、前輪摩擦制動(dòng)力和后輪摩擦制動(dòng)力。所有的電機(jī)再生制動(dòng)力都由電機(jī)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)能量回收控制算法總再生制動(dòng)強(qiáng)度與整車(chē)制動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系三、制動(dòng)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(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)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(chē)制動(dòng)工況進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真結(jié)果考察制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力的分配、能量回收效率和電池的充電電流等，對(duì)所建立的四輪輪轂驅(qū)動(dòng)下的制動(dòng)能量回收控制策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。10-15循環(huán)工況總運(yùn)行時(shí)間為660s，平均車(chē)速為22.68km/h，最高行駛車(chē)速為70km/h，行駛過(guò)程中共停車(chē)7次。10-15循環(huán)工況下，汽車(chē)行駛速度變化較小，平均速度較低，制動(dòng)平緩，符合城市循環(huán)過(guò)程仿真。10-15循環(huán)工況中汽車(chē)行駛速度圖制動(dòng)時(shí)，前、后車(chē)輪獲得的再生制動(dòng)力是相等的。這與所制定的制動(dòng)能量回收控制策略有關(guān)。車(chē)輪上再生制動(dòng)力的大小還與循環(huán)中汽車(chē)速度變化的快慢有關(guān)。當(dāng)車(chē)速變化較大時(shí)，整車(chē)的制動(dòng)強(qiáng)度增大，從而輪轂電機(jī)的再生制動(dòng)強(qiáng)度也增大，再生制動(dòng)力相應(yīng)增大。10-15循環(huán)工況前、后車(chē)輪再生制動(dòng)力分配圖前、后車(chē)輪電機(jī)的再生制動(dòng)力矩是相同的。10-15循環(huán)工況下，整車(chē)的制動(dòng)強(qiáng)度較小，前、后車(chē)輪所負(fù)責(zé)的再生制動(dòng)力相等，電機(jī)的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也是相等的。10-15循環(huán)工況前、后車(chē)輪電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖電動(dòng)汽車(chē)采用全電驅(qū)動(dòng)，在行駛過(guò)程中，電池向電機(jī)提供能量，SOC值逐漸減小。在再生制動(dòng)作用下，電機(jī)向電池充電，電池的SOC值會(huì)有一定程度的升高，電機(jī)的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，再生制動(dòng)持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，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(dòng)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(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)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(chē)制動(dòng)工況進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真結(jié)果考察制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力的分配、能量回收效率和電池的充電電流等，對(duì)所建立的四輪輪轂驅(qū)動(dòng)下的制動(dòng)能量回收控制策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。在再生制動(dòng)過(guò)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(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在電池中，此時(shí)電池顯示負(fù)電流，表示向電池充電，此時(shí)的充電電流是四個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和再生制動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)，電機(jī)向動(dòng)力電池充電，電池默認(rèn)為負(fù)能量。電機(jī)回收制動(dòng)能量的數(shù)量與電機(jī)再生制動(dòng)的強(qiáng)度以及再生制動(dòng)持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，強(qiáng)度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，所回收的能量也越多。除此之外，汽車(chē)的行駛車(chē)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(guò)程中制動(dòng)能量回收曲線圖仿真結(jié)果表明，在一個(gè)10-15循環(huán)工況中，回收的制動(dòng)能量為3.56×105J，總的制動(dòng)能量為7.28×105J，整車(chē)消耗的總能量為1.58×106J，制動(dòng)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(dòng)時(shí)，總能量的回收效率高于20％，比前輪驅(qū)動(dòng)下的總能量回收效率高。三、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)仿真停車(chē)制動(dòng)工況仿真汽車(chē)從行駛到完全制動(dòng)停止的過(guò)程中，汽車(chē)的動(dòng)能通過(guò)摩擦制動(dòng)而轉(zhuǎn)化為熱能逐步耗散在空氣中。電動(dòng)汽車(chē)使用的是再生-液壓制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)過(guò)程中有一部分的制動(dòng)動(dòng)能可以通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中。動(dòng)能向電機(jī)傳輸?shù)倪^(guò)程中，有一部分消耗在機(jī)械摩擦過(guò)程中；電機(jī)向動(dòng)力電池反充電的過(guò)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(dòng)動(dòng)能可以傳遞到動(dòng)力電池中。常見(jiàn)的制動(dòng)停車(chē)1緊急制動(dòng)停車(chē)是在緊急狀況下，為了使汽車(chē)在較短的時(shí)間內(nèi)停止而采取的制動(dòng)方式，需求的制動(dòng)力大，制動(dòng)時(shí)間短，制動(dòng)強(qiáng)度較大緊急制動(dòng)停車(chē)2緩速停車(chē)制動(dòng)是指汽車(chē)逐步減慢車(chē)速，必要時(shí)通過(guò)制動(dòng)使汽車(chē)速度逐步減小直至車(chē)輛完全停止的過(guò)程，這一過(guò)程一般時(shí)間較長(zhǎng)，制動(dòng)平緩，制動(dòng)強(qiáng)度小，是常見(jiàn)的停車(chē)方式。緩速制動(dòng)停車(chē)設(shè)置停車(chē)制動(dòng)的初始速度為48km