電動(dòng)汽車能量回收研究（二）
電動(dòng)車商情 電動(dòng)車商情網(wǎng) 俠名 電動(dòng)車維修 2004-4-19
| ３、制動(dòng)能量回收控制算法 ３．１制動(dòng)過程分析 經(jīng)推導(dǎo)可得，一次剎車回收能量Ｅ＝Ｋ１Ｋ２Ｋ３（ΔＷ－ＦｆＳ）。 特定剎車過程中，車體動(dòng)能衰減ΔＷ為定值。特定車型的機(jī)械傳動(dòng)效率Ｋ１和滾動(dòng)摩擦力Ｆｆ基本上是固定的。對(duì)蓄電池來說，制動(dòng)能量回收對(duì)應(yīng)于短時(shí)間（不超過２０ｓ）、大電流（可達(dá)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(rèn)為恒定。對(duì)于電機(jī)來說，在制動(dòng)過程中，其發(fā)電效率Ｋ２隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化而變化。制動(dòng)距離Ｓ取決于制動(dòng)力的大小和制動(dòng)時(shí)間的長短。 由以上分析可知，如果電池狀態(tài)（包括放電深度、初始充電電流強(qiáng)度）允許，回收能量只與發(fā)電機(jī)發(fā)電效率和剎車距離有關(guān)。在滿足制動(dòng)時(shí)間要求的前提下，通過調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(jù)能量回收約束條件（１）和（３）的不同值，確定最優(yōu)制動(dòng)力，使回收的能量達(dá)到最大，即電流對(duì)時(shí)間的積分達(dá)到最大。為了與平常的剎車習(xí)慣相符合，令制動(dòng)力隨剎車時(shí)間呈線性增長，即Ｆｊ＝Ｆｏ＋Ｋｔ。問題轉(zhuǎn)換為尋找最優(yōu)的制動(dòng)力初值Ｆｏ和制動(dòng)力增長系數(shù)Ｋ。 我國常用的轎車循環(huán)２５工況規(guī)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(xiàn)城市工況下汽車制動(dòng)的典型性，同時(shí)保證安全性和平穩(wěn)性，考察如下制動(dòng)過程：電制動(dòng)初始速度(Tempo)為６０ｋｍ／ｈ（對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為４５００ｒ／ｍｉｎ），電制動(dòng)結(jié)束速度(Tempo)為５．４ｋｍ／ｈ（對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為５００ｒ／ｍｉｎ），要求加速度(Tempo)的絕對(duì)值小于２ｍ／ｓ２，速度(Tempo)曲線盡量平滑。中度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為８ｓ～１２ｓ，輕度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)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(shí)，電池單體電壓變化范圍為１２～１５Ｖ，但電池主要工作于平臺(tái)段，即１２．２～１３Ｖ。為討論問題方便，認(rèn)為電池單體端電壓為１２．５Ｖ，總電壓等于３００Ｖ。據(jù)此假設(shè)，計(jì)算所得的充電電流誤差不超過６％。 電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)的效率曲線類似指數(shù)函數(shù)。為了處理方便，可將效率曲線分三段線性擬合成如下函數(shù)（擬合誤差不超過５％，其中ｎ為電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速）： 與此相對(duì)應(yīng)，可將制動(dòng)過程分成三個(gè)階段： 第一階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為４５００ｒ／ｍｉｎ～３６００ｒ／ｍｉｎ，電機(jī)發(fā)電效率為０．９，要求制動(dòng)時(shí)間ｔ１≤３ｓ。 取制動(dòng)轉(zhuǎn)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(jì)算可知，充電電流Ｉ單調(diào)減小，ＩＭａｘ＝Ｉｔ＝０＝７５．７５Ａ。 第二階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為３６００ｒ／ｍｉｎ～１５００ｒ／ｍｉｎ，電機(jī)的發(fā)電效率變化范圍為０．９～０．８２，要求制動(dòng)時(shí)間ｔ２≤５ｓ。 此時(shí)問題歸結(jié)為在約束條件下的最優(yōu)控制問題。經(jīng)仿真計(jì)算可知，回收能量值隨Ｆ０、Ｋ的增加而單調(diào)增加，并且主要由Ｆ０決定。當(dāng)Ｆ０較小時(shí)，Ｋ的變化對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響較大。由于電機(jī)可運(yùn)行在三倍過載（１４０Ｎｍ）的情況下，可得最大制動(dòng)力為４３００Ｎ。當(dāng)Ｆ０＝４３００Ｎ、Ｋ＝３０時(shí)，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(wěn)性的要求，�。疲埃剑玻常埃埃�、Ｋ＝５０。制動(dòng)時(shí)間為４．７１ｓ，此時(shí)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(zhǔn)確描述能量回收的效果；引入了一個(gè)新的單位“安秒／Ａｓ”（即時(shí)間以秒為單位對(duì)電流的積分）來衡量能量的大小。 第三階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為１５００ｒ／ｍｉｎ～５００ｒ／ｍｉｎ，電機(jī)的發(fā)電效率變化范圍為０．８２～０．６，要求制動(dòng)時(shí)間ｔ３≤２ｓ。 仿照第二階段的分析方法可得，�。疲埃剑常埃埃埃�、Ｋ＝３０時(shí)，制動(dòng)時(shí)間為１．８８ｓ，回收能量為４２．１Ａｓ，平均加速度(Tempo)為－２．０１ｍ／ｓ２。此時(shí)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(jié)果 根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)理論并結(jié)合其它相關(guān)方程可得仿真模型： 驅(qū)動(dòng)力合力：Ｆｔ＝Ｆｆ＋Ｆｊ＋Ｆｉ＋Ｆｗ 其中,Ｆｔ為作用于車輪上的驅(qū)動(dòng)力合力，Ｆｆ為滾動(dòng)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(zhì)量為Ｍ，瞬時(shí)車速為Ｖ，制動(dòng)初始車速為Ｖ０，電制動(dòng)結(jié)束時(shí)車速為Ｖ１，充電電流為Ｉ，電池端電壓為Ｕ。其它符號(hào)含義與前相同。 ５、制動(dòng)能量回收控制算法功效的評(píng)價(jià) 以初始速度(Tempo)為６０ｋｍ／ｈ的電制動(dòng)典型過程為例，經(jīng)仿真計(jì)算可得，回收能量占車體總動(dòng)能的６５．４％，其余的３４．６％為機(jī)械剎車和電剎車過程中的損耗。以我國轎車２５循環(huán)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(shí)驗(yàn)證明，本文提出的制動(dòng)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(tǒng)的ＸＬ型純電動(dòng)轎車運(yùn)行可靠，可以延長續(xù)駛里程１０％以上。 ６、其它相關(guān)問題的討論 鋰電池由于比能量高，也是ＥＶ常用的動(dòng)力源。實(shí)驗(yàn)證明國內(nèi)研制的鋰電池瞬時(shí)（２０ｓ）充電電流上限可達(dá)１Ｃ，對(duì)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(dòng)能量回收系統(tǒng)用于鋰電池系統(tǒng)，需要嚴(yán)格的限流措施或?qū)㈦妱x車與機(jī)械剎車同時(shí)作用。 制動(dòng)能量回收的另一種情況是汽車下長緩坡。我國規(guī)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(dòng)充電電流為３７．６Ａ，對(duì)鎳氫電池來說不到０．４Ｃ，可以安全地持續(xù)充電。 盡管本課題針對(duì)純電動(dòng)車，但由于混合動(dòng)力車與純電動(dòng)車的能量回收規(guī)律相似，因此以上討論同樣適用于各種混合動(dòng)力車，主要區(qū)別在于電池放電倍率大小不同。 |
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