第五章

純電動汽車制動能量回收系統1一、制動能量回收系統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化為其他形式的能量儲存起來，在減速或制動的同時達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。組成電機再生制動部分和傳統液壓摩擦制動兩部分，該制動系統可以視為機電復合制動系統。原理電動汽車再生制動是利用電機的電動機/發電機可逆性原理來實現的。在電動汽車需要減速或者滑行時，可以利用驅動電機的控制電路實現電機的發電運行，使減速制動時的能量轉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-液壓混合制動系統是最適合電動汽車的綜合制動系統。要求電機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動，制動效果受到電機、電池和速度等諸多條件的限制，在緊急制動和高強度制動條件下不能獨立完成制動要求，因此，為了保證汽車的制動安全性能，在采用電機再生制動的同時，必須使用傳統的液壓摩擦制動作為輔助，從而達到既保證汽車的制動安全性，又回收可觀的能量的目的。一、制動能量回收系統組成與原理1四輪輪轂電機驅動的純電動汽車制動能量回收系統的結構原理如右圖所示。2電動汽車的制動過程是在液壓摩擦制動與電機再生制動協調作用完成的。3再生制動系統主要是由輪轂電機、電機控制器、逆變器、制動控制器和動力電池等主要部件組成。4汽車進行制動時，制動控制器根據不同的制動工況發出不同的指令，通過電機控制器控制輪轂電機，進行再生制動。電動汽車制動系統：為雙回路液壓制動系統+電動真空助力+電機再生制動。制動過程制動控制器根據制動踏板的開度（實際為主缸壓力）?，判斷整車的制動強度，確定相應的摩擦制動和再生制動的分配關系前后軸的摩擦制動分配關系由液壓系統對前后輪的分配關系實現制動控制器根據制動強度和電池的SOC值確定可以輸出的制動轉矩并對前后軸進行分配，然后通過電機控制器控制驅動電機進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定性和平穩性，并盡可能多地回收制動能量，延長電動汽車續駛里程一、制動能量回收系統組成與原理制動開始時能量管理系統將動力電池SOC值發送給制動控制器，當SOC>0.8時，取消能量回收；當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，并計算出需求的電機再生制動強度上限2制動控制器根據輪轂電機轉速，計算輪轂電機實際能夠提供的制動強度3比較需求的電機再生制動強度上限和輪轂電機實際能夠提供的制動強度，并將結果作為電信號發送給電機控制器4此時的輪轂電機工作在發電機狀態下，可以提供電壓恒定流向的電流，再通過逆變器限制電機產生的最高電壓和對電壓進行升壓，以便滿足電流輸出要求，充到動力電池組中5為了對動力電池進行保護，能量管理系統需要時刻檢測電池溫度，當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動輪的部分動能通過電機回饋到動力電池組中，因此整車控制系統的各個模塊和各模塊的使用環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。當進行制動能量回收時，電機工作在再生制動模式，電機的最大制動轉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的發電功率決定，同時在制定能量回收策略時也要考慮電機的工作溫度等因素電機特性1當蓄電池剩余電量較高時，只能進行小電流充電或不回收制動能量；當蓄電池剩余電量較低時，在不影響安全的前提下可適當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，蓄電池應該具有高的充放電循環次數和快速充放電能力。此外蓄電池的充電內阻影響蓄電池的充電功率，因此要選用內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度不同，當制動越頻繁或制動強度越低時，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當車輛進行制動時，首先需要考慮的是制動系統要滿足駕駛員的制動需求和制動時車輛的穩定性，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動的形式，因此相應的制動能量回收的控制策略主要關注前、后輪制動器提供的制動力和前輪電機提供的再生制動力三部分之間的關系。由此得到的基于電機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；當需要的減速度增大時，電機再生制動力所占的比例逐漸減?。粰C械制動力開始起作用；當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，機械制動提供所有的制動力；當所需的制動減速度在兩者之間時，再生制動與機械制動共同作用前后軸制動力比例分配時的控制策略當減速度要求較小時，僅電機再生制動系統工作。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械制動力總和。當控制系統得到駕駛員的減速度要求時，將根據制動電機的特性和車載蓄電池SOC值來決定驅動軸制動力由再生制動系統單獨提供，還是由機械制動系統和再生制動系統共同提供前后軸制動力理想分配時的控制策略當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該提供的機械制動力，剩余的需提供的機械制動力將分配為前輪機械制動力和后輪機械制動力。前、后輪機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目硬件組成的復雜程度制動穩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雜,需專門的制動力控制系統較高較高前、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能量回收控制策略較復雜,需專門的制動力控制系統較低最高三種制動能量回收控制策略各有優缺點，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，制動穩定性較理想，而且結構較簡單，是目前技術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動下的制動能量回收控制策略單電機前輪驅動的電動汽車，能量回收只集中在電機所驅動的前輪上。汽車采用四輪驅動形式，前、后車輪都是由輪轂電機直接驅動的，所以制動能量回收在前輪和后輪同時存在。1摩擦制動力與電機再生制動力的分配關系2前后軸摩擦制動力的分配關系3前后軸電機再生制動力的分配關系四輪驅動下的制動能量回收控制策略主要考慮的三個關系控制邏輯中主要根據由液壓制動壓力所反映出的制動強度進行邏輯控制當需求制動強度z≤0.1時，僅由電機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，電機再生制動力所占比例逐漸減小當需求制動強度z≥0.7時，此時認為車輛進行緊急制動，為了保證制動安全性，制動力完全由摩擦制動來提供當需求制動強度介于兩者之間，即0.1<z<0.7時，整車的制動力由液壓摩擦制動力與電機再生制動力共同提供四輪驅動下的制動能量回收控制策略的邏輯四輪驅動下的制動能量回收控制策略OAB曲線所示為純液壓系統摩擦制動時前、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行的再生-液壓制動系統中，總再生制動強度是指總的電機再生制動力與整車重量的比值。由于四個輪轂電機是完全相同的，可以認為它們的再生制動工況是相同的，即四個輪轂電機平均分配整車的再生制動力。四輪驅動下的制動能量回收控制策略的邏輯圖四輪驅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閥實現?？刂扑惴ǖ妮敵隽繛榍拜喸偕苿恿Α⒑筝喸偕苿恿?、前輪摩擦制動力和后輪摩擦制動力。所有的電機再生制動力都由電機控制器來實現控制。四輪驅動汽車再生制動能量回收控制算法總再生制動強度與整車制動強度的關系三、制動能量回收系統仿真10-15循環工況仿真在ADVISOR中建立某四輪驅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循環工況和典型的停車制動工況進行仿真，通過仿真結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動下的制動能量回收控制策略進行評價。10-15循環工況總運行時間為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，符合城市循環過程仿真。10-15循環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。車輪上再生制動力的大小還與循環中汽車速度變化的快慢有關。當車速變化較大時，整車的制動強度增大，從而輪轂電機的再生制動強度也增大，再生制動力相應增大。10-15循環工況前、后車輪再生制動力分配圖前、后車輪電機的再生制動力矩是相同的。10-15循環工況下，整車的制動強度較小，前、后車輪所負責的再生制動力相等，電機的再生制動轉矩也是相等的。10-15循環工況前、后車輪電機再生制動轉矩圖電動汽車采用全電驅動，在行駛過程中，電池向電機提供能量，SOC值逐漸減小。在再生制動作用下，電機向電池充電，電池的SOC值會有一定程度的升高，電機的再生制動轉矩越大，再生制動持續的時間越長，SOC值升高得越多。10-15循環工況電池的SOC值的變化曲線圖三、制動能量回收系統仿真10-15循環工況仿真在ADVISOR中建立某四輪驅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循環工況和典型的停車制動工況進行仿真，通過仿真結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動下的制動能量回收控制策略進行評價。在再生制動過程中，電機因其電機/發電機可逆性，可以作為發電機將汽車的動能轉化為電能，存儲在電池中，此時電池顯示負電流，表示向電池充電，此時的充電電流是四個電機所產生的電流的總和。充電電流的大小與電機的再生制動轉矩和再生制動時間有關10-15循環工況電池的充電電流當電機進行再生制動時，電機向動力電池充電，電池默認為負能量。電機回收制動能量的數量與電機再生制動的強度以及再生制動持續的時間有關，強度越大，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循環過程中制動能量回收曲線圖仿真結果表明，在一個10-15循環工況中，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％。采用四輪輪轂電機驅動時，總能量的回收效率高于20％，比前輪驅動下的總能量回收效率高。三、制動能量回收系統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，制動過程中有一部分的制動動能可以通過電機轉化為電能存儲在動力電池中。動能向電機傳輸的過程中，有一部分消耗在機械摩擦過程中；電機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，制動強度小，是常見的停車方式。緩速制動停車設置停車制動的初始速度為48km