1、研究制動能量回收的背景和意義

在電動汽車研究中,如何研制高性能儲能設(shè)備、如何提高能量利用率,是所有研究中比較重要的兩個方面。盡管蓄電池技術(shù)發(fā)展迅速,但受經(jīng)濟性、安全性等因素制約,難以在短時間內(nèi)實現(xiàn)重大突破。因此如何提高電動汽車的能量利用率是一個非常關(guān)鍵的問題。

研究制動能量再生對提高電動汽車的能量利用率非常有意義。汽車在制動過程中,汽車的動能通過摩擦轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉,大量的能量被浪費掉。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)研究表明,在幾種典型城市工況下,汽車制動時由摩擦制動消耗的能量占汽車總驅(qū)動能量的50%左右。

這對于改善汽車的能量利用效率、延長電動汽車的行駛里程具有重大意義。國外有關(guān)研究表明,在較頻繁制動與起動的城市工況運行條件下,有效地回收制動能量,電動汽車大約可降低15%的能量消耗,可使電動汽車的行駛距離延長10%~30%。

因此,對電動汽車制動能量進行回收,意義如下:

在當前電動汽車電池儲能技術(shù)沒有重大突破的條件下,回收電動汽車制動能量可以提高電動汽車的能量利用率,增加電動汽車的行駛距離;

機械摩擦制動與電制動結(jié)合,可以減少機械摩擦制動器的磨損,延長制動器使用壽命,節(jié)約生產(chǎn)成本;

分擔(dān)傳統(tǒng)制動器部分制動強度,減少汽車在繁重工作條件下(例如長下坡)制動時產(chǎn)生的熱量,降低了制動器溫度,提高了制動系統(tǒng)抗熱衰退的能力,提高了汽車的安全性和可靠性。

電動汽車再生制動的基本原理是:通過具有可逆作用的電動機/發(fā)電機來實現(xiàn)電動汽車動能和電能的轉(zhuǎn)化。在汽車減速或制動時,可逆電機以發(fā)電機形式工作,汽車行駛的動能帶動發(fā)電機將汽車動能轉(zhuǎn)化為的電能并儲存在儲能器(蓄電池或超級電容)中;汽車起步或加速時,可逆電機以電動機形式工作,將儲存在儲能器中的電能轉(zhuǎn)化為機械能給汽車。

2、國內(nèi)外制動能量再生領(lǐng)域研究狀況

美國Texas A&M大學(xué):

Yimin Gao提出了評價制動能量回收效率的三種制動力分配控制策略,在此基礎(chǔ)上建立了純電動汽車的制動能量仿真實驗?zāi)Ｐ?針對不同的制動強度進行了仿真實驗。

YImin Gao和Mehrdad Ehsani提出了一種基于制動能量回收系統(tǒng)的純電動汽車和混合動力汽車ABS系統(tǒng)的控制策略,通過精確設(shè)計電機制動力門限值,使得再生制動系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)可兼容工作。

Wicks等建立了城市客車在市區(qū)行駛循環(huán)工況下的數(shù)學(xué)模型,研究再生制動系統(tǒng)的節(jié)能效果。

Hongwei Gao等提出了混合動力汽車基于開關(guān)磁阻電機再生制動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),并在行駛循環(huán)工況下進行了能量回收效率的分析。

Panagiotidis等建立了并聯(lián)式混合動力汽車的再生制動模型,對再生制動的效果進行仿真計算和影響因素的分析比較。

Hoon Yeo采用Ⅰ曲線作為前后制動力分配策略,但是該分配策略加大了后輪制動器制動力,減小了電機制動力,從而降低了能量回收率,增大了前輪或后輪抱死的可能性。

近年來,世界各國汽車公司都推出了自己的能量回收系統(tǒng),這些再生制動系統(tǒng)所采用的控制策略都比較先進:

豐田Prius轎車的ECB制動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四輪單獨控制,車輛的常規(guī)制動、緊急制動、制動能量回收以及防加速打滑控制等技術(shù)只需一套制動系統(tǒng)就可能實現(xiàn);

本田Insight轎車的ESP系統(tǒng)同時集成了多種控制技術(shù),可實現(xiàn)制動能量回收,車輪防抱死和防加速打滑控制等功能;

福特公司的Prodigy,日產(chǎn)的Tino和通用的Precept轎車均為新研制出的混合動力電動汽車,它們的制動系統(tǒng)都具有制動能量回收功能。

3、制動能量回收要解決的問題

目前汽車制動能量回收系統(tǒng)研究主要集中在回收制動能量方法、回收制動能量的效率、驅(qū)動電機與功率轉(zhuǎn)換器的控制技術(shù)、再生制動控制策略、機電復(fù)合制動的協(xié)調(diào)等方面。目前急需解決的制動能量回收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題主要有四個方面:

制動穩(wěn)定性問題

制動能量回收的充分性問題

制動踏板平穩(wěn)性問題

符合制動協(xié)調(diào)兼容問題

4、制動能量回收要考慮的幾個因素

電動汽車制動能量回收,是提高電動汽車能源效率的一個主要因素。制動能量回收要考慮到制動效果、制動能量分配、儲能電池的特性、儲存能量的利用等幾個方面,然后確定制動儲能系統(tǒng)如何實現(xiàn)。

4.1、儲能電池的特點:

電動汽車制動時有時緩慢,有時很突然,這就要求儲能電池能夠迅速轉(zhuǎn)換充放模式而對電池?zé)o害,而且能夠高倍率充放電,以及時儲存制動能量,也能將儲能電池里的能量及時利用。

電動汽車主流的驅(qū)動電池是鋰離子電池,鋰離子電池的充放電原理是化學(xué)反應(yīng),它在充放電之間轉(zhuǎn)換需要時間,不是隨意的,不然就會對鋰電池有害。因此,鋰電池是不適合做制動能量回收儲能電池的,更不適合用電動汽車的驅(qū)動電池簡單地用作對制動能量回收的儲存(目前此觀點有爭議)。目前只有超級電容具有高倍率充放電和迅速轉(zhuǎn)換充放電模式的特點,是真正適合用作制動能量回收的儲存部件。

4.2、儲存能量的利用:

儲存在制動能量回收儲存部件里的能量,要趕在下次制動前及時釋放出去,牽涉到放電分配,儲能超級電容應(yīng)該優(yōu)先釋放能量。超級電容的內(nèi)阻比鋰電池大,要使超級電容先放電,就得使超級電容儲能部件的電壓比驅(qū)動電池的電壓高,當電動汽車停下來一定時間時,把超級電容里的能量饋送給鋰電池。

4.3、制動效果和制動能量分配:

司機踩下剎車,用力不同,需要的制動效果不同,能量回收的程度不同。緩慢剎車,可以100%用電子剎車,停止驅(qū)動,把電機的能量饋送到超級電容里。如果剎車狠,就要在回收能量的同時,加上機械剎車,不同的用力,按照不同的比例分配。

從上面的分析中可以看出,電動汽車制動能量回收應(yīng)該是這樣一個過程:司機剎車,制動能量回收系統(tǒng)迅速回收能量,根據(jù)采集司機踩下制動器力量的大小,分配機械制動力的大小,以達到剎車效果。

回收的能量,通過DC-DC儲存在超級電容做成的制動能量回收儲存部件中。當車輛停下或熄火一定的時間后,通過放電DC-DC饋送到驅(qū)動電池中。如果車輛沒有停,或著隨后繼續(xù)行駛,則首先由回收在超級電容里的能量,通過放電DC-DC驅(qū)動電機,不夠的能量,由驅(qū)動電池及時補上,隨后由驅(qū)動電池繼續(xù)供電。

5、制動能量再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

電動汽車制動能量再生系統(tǒng)主要包括兩部分:電機再生制動部分和傳統(tǒng)液壓摩擦制動部分。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,但是電機再生制動效果受電機特性、電池、車速等諸多條件的限制,在緊急制動和高強度制動時不能獨立完成制動要求,為了保證整車制動的安全性,在采用再生制動的同時,還要采用傳統(tǒng)的液壓摩擦制動作為輔助。

電動汽車再生制動系統(tǒng)主要由能量存儲裝置、可逆電機、饋能電路(電機控制器)組成。

本文所選電動汽車以鋰離子電池組作為整車的動力源,鋰離子電池組由20塊電壓3.65V的單體電池組成,其額定電壓為72V,額定容量160Ah。

驅(qū)動電機采用四個直流輪轂電機,輪轂電機可以直接安裝在車輪上,免掉了傳統(tǒng)電動汽車減速器等傳動系統(tǒng),減輕了整車重量,節(jié)約了空間。

饋能電路采用二象限D(zhuǎn)C/DC變換器,不僅起到控制電機的作用,可以升高電機的充電電壓,更好地回收制動能量。

本文選用的電動汽車驅(qū)動電機為永磁無刷直流電機。永磁無刷直流電機與其他類型的電機相比不僅使用壽命長,而且還具有啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、功率密度高、可靠性好以及維護費用低等特點,同時永磁無刷直流電機具有良好的機械特性,尤其適用于調(diào)速范圍較寬的電力驅(qū)動系統(tǒng)。

6、再生制動時的電機機械特性分析

電動汽車制動時,可逆電機工作在發(fā)電狀態(tài)時的條件是:使電機的轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速,從而使感應(yīng)電動勢大于電樞回路電壓,電機處于發(fā)電狀態(tài),使電動汽車的動能轉(zhuǎn)換成電能反饋給蓄電池。直流電機的再生制動分為以下兩種方式:

6.1正向再生制動

電機正向制動時的電路原理圖和機械特性分別如圖2.5和圖2.6所示。電動汽車行駛在平直路面上時,電路開關(guān)S1閉合,電機兩端為正向電壓,電機工作在正轉(zhuǎn)電動運行狀態(tài)。此時,電機的機械特性曲線1與負載特性曲線2相交于A點,如圖2.6所示。

7、電動汽車制動能量再生的約束條件

可回收的制動能量是電動汽車最重要的特性之一,但是電動汽車對制動能量回收受到諸多因素的制約,主要包括:

7.1行駛工況

行駛工況不同,汽車的制動頻率不一樣,從而可回收的制動能量不同。

7.2蓄電池

蓄電池的充電效率要受到蓄電池的SOC值、蓄電池溫度以及充電電流的限制。蓄電池SOC值很高或者溫度很高時都不能進行制動能量回收。充電電流過大時,會使蓄電池溫度快速升高,也不能回收制動能量。

7.3電機因素

電機能夠提供的制動轉(zhuǎn)矩越大,能夠回收的制動能量越多。電機的再生制動轉(zhuǎn)矩受到發(fā)電功率和轉(zhuǎn)速制約,當制動強度過大時,電機不能滿足制動要求。

7.4控制策略

為了保證在制動安全的條件下實現(xiàn)能量充分回收,需要合理設(shè)計再生制動與機械制動的分配關(guān)系

7.5驅(qū)動型式

再生制動系統(tǒng)只能回收驅(qū)動輪上的制動能量。

為了盡可能多的回收制動能量,應(yīng)綜合考慮制動能量回收的約束條件,合理配置回收制動能量的方法、驅(qū)動電機及控制策略,以提高制動能量回收的效率。

8、電動汽車制動能量再生控制策略

一是如何在再生制動和機械摩擦(液壓)制動之間分配所需的總制動力,以回收盡可能多的車輛的動能;

二是如何在前后輪軸上分配總制動力,以達到穩(wěn)定的制動效果。

通常,再生制動只對驅(qū)動輪有效,為回收盡可能多的能量,必須控制牽引電機產(chǎn)生特定的制動力,同時,應(yīng)控制機械制動系統(tǒng)滿足由駕駛員給出的制動力命令。

目前主要有三種不同的制動能量再生控制策略:理想制動力分配控制策略、最佳制動能量回收控制策略、并聯(lián)制動能量回收控制策略。

8.1理想制動力分配控制策略

根據(jù)制動踏板位置傳感器或制動管路壓力獲得汽車的制動減速度,當制動減速度小于0.15g,制動力全部由前輪再生制動力提供,后輪上不施加制動力;當制動減速度大于0.15g時,施加在前后輪上的制動力將依據(jù)理想的制動力分布曲線進行分配。

其中,作用在前輪上的制動力可分為兩部分:再生制動力和機械摩擦制動力,當前輪所需要的制動力小于電動機所能產(chǎn)生的最大值動力時,則前輪制動力全部由再生制動力提供;當前輪所需要的制動力大于電動機所能產(chǎn)生的最大制動力時,電機將會產(chǎn)生最大的制動力矩,同時,剩余的制動力將由機械制動系統(tǒng)予以補足。

理想制動力分配控制策略的優(yōu)點是能充分利用地面附著條件,制動距離最短,制動時汽車方向穩(wěn)定性好,同時能夠回收較多的制動能量;缺點是需要精確檢測前后輪法向載荷,以及一個智能化程度較高的控制器,控制系統(tǒng)復(fù)雜。

目前即使最先進的傳統(tǒng)汽車都未能實現(xiàn)前后輪制動力的最優(yōu)控制和分配,更何況又增加了額外的電機制動力,這使得協(xié)調(diào)控制難度更大。但相信隨著傳感技術(shù)及ABS控制技術(shù)的不斷進步,未來該策略可能會得到實際應(yīng)用。

8.2最佳制動能量回收控制策略

最佳能量回收控制策略,側(cè)重于最大程度回收制動能量,其控制思想為:

8.2.1當車輛制動強度小于路面附著系數(shù)時,在滿足相關(guān)制動法規(guī)及車輪不抱死情況下,前后輪制動力可以再一定范圍內(nèi)變化。在這種情況下,應(yīng)盡可能多的利用前輪制動力。

8.2.2如果制動強度遠遠小于路面附著系數(shù),再生制動力提供整車制動所需的全部制動力,常規(guī)制動系統(tǒng)不起作用。

8.2.3附著系數(shù)很大時,再生制動力達到最大值,剩余部分由機械制動系統(tǒng)提供;附著系數(shù)較小時,只用再生制動力制動。

最優(yōu)能量回收控制策略理論上可以最大限度回收制動能量,但是它同時需要對再生制動力和機械制動力進行精確控制,控制系統(tǒng)復(fù)雜,制動穩(wěn)定性差,實現(xiàn)它需要高智能化控制器,技術(shù)難度大,制造成本高,目前來看這一控制策略還沒有實際應(yīng)用的可能,只存在理論研究的價值。

8.3并聯(lián)再生制動控制策略

并聯(lián)再生制動控制策略也包括電機再生制動和機械摩擦制動系統(tǒng),其機械摩擦制動力和傳統(tǒng)汽車制動力一樣按一定比例分配,同時在驅(qū)動輪上施加再生制動力,當制動強度小于0.1時,制動力全部由再生制動力提供,隨著制動強度的增大,再生制動力也逐步增加,當制動強度大于0.7時,這時屬于緊急制動,再生制動逐漸較小為零,伺候前后輪制動力分配按最優(yōu)制動力曲線分配,縮短制動距離,提高制動安全性。

與前兩種控制策略相比,盡管所回收的制動能量相對要小,但是該方法不需要控制機械制動力的大小,僅需要控制電機再生制動力的大小,結(jié)構(gòu)簡單可靠,制造成本低,當再生制動失效時,仍可安全制動。

9、四輪驅(qū)動控制能量回收控制策略

四輪驅(qū)動下制動能量回收控制策略主要考慮三部分內(nèi)容:

一是摩擦制動力與電機再生制動力的分配關(guān)系;

二是前后軸摩擦制動力的分配關(guān)系;

三是前后軸電機再生制動力的分配關(guān)系。

同時制動能量回收控制策略還要符合以下要求:

制動安全;

盡可能多的回收制動能量;

再生制動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,降低制造成本。

由于并聯(lián)再生制動系統(tǒng)不改變原車機械制動系統(tǒng)參數(shù),機械制動與再生制動相互獨立,互不影響,電動汽車制動時分別沿兩條路線傳遞制動力。

由于并聯(lián)再生制動的機械制動力不可調(diào),對于雙軸驅(qū)動的汽車,加入再生制動力后會使制動力分配系數(shù)變小,從而導(dǎo)致后軸易于抱死。為了保證制動安全,所施加的電機再生制動力矩不應(yīng)超過三個約束條件規(guī)定的再生制動力矩的上限值。而為了盡可能多的回收制動能量,提高能量回收率,應(yīng)充分利用電機再生制動,提高其在整車制動力中所占比例。

制定并聯(lián)再生制動控制策略主要在于判斷是否進行再生制動以及確定再生制動力的大小。通過調(diào)節(jié)電機再生制動力的大小,可以使整車制動力分配系數(shù)在合理區(qū)間變化,這樣就可以再保證制動安全的前提下,充分利用電機進行再生制動,從而回收更多的制動能量。

由于z≤0.1時ECE法規(guī)對制動力分配未作限制,而且城市循環(huán)工況下制動強度變化較小,因此可以對并聯(lián)再生制動控制策略進行改進:取消制動踏板的空行程階段,并限制空行程范圍內(nèi)的制動強度z≤0.1,當z≤0.1時,只采用電機再生制動。

當0.1<><>< p=''><><>

10、結(jié)論與展望

目前我國制動能量回收缺乏統(tǒng)一的測評指標,目前主要采用理論計算法,來反映車輛實際的能耗狀況。

中國乘用車能耗評價一般采用歐洲油耗和排放評定標準(NEDC)工況。研究新能源汽車制動能量回收,也比較適合NEDC市區(qū)工況;同時整車質(zhì)量對制動能量回收的影響較大,整車質(zhì)量越大,制動能量回收效果越好。

國外整車制動能量回收評價指標有美國ERP法規(guī)中的制動能量回收系統(tǒng)效率、續(xù)駛里程貢獻率和制動距離變化。我國相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)常用的新能源汽車能耗經(jīng)濟性評價指標包括制動能量回收對整車續(xù)駛里程或能量消耗率的貢獻率。

其測試方法參考《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法(GB/T 18386-2005)》,分別開啟和關(guān)閉制動能量回收功能,在車輛等速行駛續(xù)駛里程基本相同的前提下,通過NEDC市區(qū)循環(huán)的續(xù)駛里程變化來評價制動能量回收效果。

國內(nèi)企業(yè)中,比亞迪通過測量在制動過程中回收到動力電池包中的電量與同等狀態(tài)下沒有制動能量回收系統(tǒng)的電動汽車耗電量之比來評價制動能量的回收效果。經(jīng)測量,其某款電動車的制動能量回收率可達到19%。

據(jù)悉,中國汽車技術(shù)研究中心已經(jīng)開始對制動能量回收評價體系方法的驗證工作,以求進一步完善評價方法,建立科學(xué)客觀的電動汽車制動能量回收技術(shù)體系,促進電動汽車技術(shù)發(fā)展,為國家制定相關(guān)政策和技術(shù)標準法規(guī)提供參考依據(jù)。