彭閃閃，趙雪松，時(shí)培成

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基于復(fù)合制動(dòng)的電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

*彭閃閃，趙雪松，時(shí)培成

（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽，蕪湖241000）

以某國(guó)產(chǎn)品牌純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，以回收和利用汽車的制動(dòng)能量為研究目標(biāo)，綜合考慮汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性、電機(jī)發(fā)電特性和電池充電特性等多方面因素，對(duì)其制動(dòng)能量回收及控制策略進(jìn)行探討和研究；提出了一種機(jī)械和電機(jī)復(fù)合制動(dòng)的能量回收方案；并基于Simulink軟件進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，獲得了一個(gè)較為理想的能量回收率，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具體的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)控制器奠定了良好的基礎(chǔ)。

電動(dòng)汽車；制動(dòng)能量回收；仿真

在電動(dòng)汽車技術(shù)的研究和發(fā)展中，如何更有效地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收是迫切需要解決的問(wèn)題。在制動(dòng)過(guò)程中大量動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉[1-3]，若將這些能量加以回收利用，必然將提高其能量利用率，延長(zhǎng)續(xù)駛里程。

文獻(xiàn)[4]基于并聯(lián)液壓混合動(dòng)力公交車，建立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，理論上使蓄能器的制動(dòng)能量回收效率達(dá)到60%。文獻(xiàn)[5]在電動(dòng)汽車傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)液壓控制單元和踏板位移傳感器，采用硬件在環(huán)的方式對(duì)系統(tǒng)的控制效果和制動(dòng)能量回收效率進(jìn)行了仿真測(cè)試，能量回收效率達(dá)到59.15%。文獻(xiàn)[6]提出定壓源飛輪液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)，相對(duì)于常規(guī)電動(dòng)汽車，續(xù)駛里程提高了25%左右。本文以某國(guó)產(chǎn)品牌純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，提出了一種機(jī)械和電機(jī)復(fù)合制動(dòng)的能量回收方案，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

1 制動(dòng)能量傳遞過(guò)程

在行車制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)制動(dòng)所產(chǎn)生的阻力矩經(jīng)變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、后橋傳遞到車輪[7-8]，制動(dòng)能量的回收過(guò)程如圖1所示：汽車的動(dòng)能以機(jī)械能的形式經(jīng)驅(qū)動(dòng)車輪傳遞到電機(jī)，然后在經(jīng)過(guò)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到蓄電池中。在實(shí)際行車制動(dòng)過(guò)程中，僅靠電機(jī)制動(dòng)很難實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)，所以本文提出一種機(jī)械和電機(jī)復(fù)合制動(dòng)的能量回收方案。

圖1 電制動(dòng)過(guò)程能量傳遞系統(tǒng)示意圖

2 復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

本文提出的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)是一種機(jī)械與電機(jī)相結(jié)合制動(dòng)的方案，此方案在汽車制動(dòng)過(guò)程中摒棄了傳統(tǒng)制動(dòng)方式的不足，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用。

根據(jù)《汽車?yán)碚摗分R(shí)，汽車的行駛方程式為：

制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)力F相當(dāng)于加速阻力。在城市工況下，忽略空氣阻力和坡度阻力的影響。所以汽車的行駛方程可簡(jiǎn)化為：

目標(biāo)電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中總制動(dòng)力包括機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供的摩擦制動(dòng)力和電機(jī)提供的反拖動(dòng)制動(dòng)力兩部分。則：

在此分析以下兩種情況時(shí)，該復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)械制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力的分配差異性：

由此可以得出制動(dòng)方程及推導(dǎo)如下：

電動(dòng)汽車的負(fù)載功率P為

根據(jù)能量守恒有：

汽車的瞬時(shí)速度a為：

充電電流為：

綜上所述，假設(shè)1）成立時(shí)，則制動(dòng)過(guò)程中所回收的能量為：

2）假設(shè)電機(jī)所提供的最大制動(dòng)力不能滿足目標(biāo)車輛的需求制動(dòng)力，此時(shí)，則制動(dòng)力為：

則：

當(dāng)假設(shè)2）成立時(shí)，該轉(zhuǎn)速下電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出最大制動(dòng)力。復(fù)合制動(dòng)力主要由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)決定，制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短決定了電動(dòng)汽車制動(dòng)回收能量的多少。

3 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足汽車的制動(dòng)安全性以及能量回收的最大化，開(kāi)發(fā)了一種新的復(fù)合制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是在不改變?cè)袡C(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力的情況下，由整車電動(dòng)機(jī)（也作驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用）提供制動(dòng)扭矩作用于前驅(qū)動(dòng)輪上，在不影響制動(dòng)過(guò)程的前提下完成制動(dòng)能量的回收。

為了保證整車行駛安全性，向前輪施加額外制動(dòng)扭矩后，在能量回收開(kāi)始前，對(duì)整車的行駛狀態(tài)予以判定。判定時(shí)，整車上ABS的工作狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、高壓動(dòng)力電池狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)以及隨時(shí)出現(xiàn)的故障狀態(tài)等都需綜合考慮，然后再進(jìn)入到復(fù)合制動(dòng)功能狀態(tài)中。

在制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算制動(dòng)踏板的行程來(lái)計(jì)算電機(jī)制動(dòng)扭矩。首先，駕駛員的制動(dòng)意圖能通過(guò)能量回收系統(tǒng)判斷制動(dòng)踏板的活動(dòng)幅度、速度以及加速度來(lái)確定；然后，按照車速、行駛工況以及制動(dòng)力需求，來(lái)分配前、后輪制動(dòng)力所占的比例；最后，由電機(jī)的扭矩特性確定電機(jī)制動(dòng)力的范圍，從而確定電機(jī)制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力之間各占的比例與大小。車輛制動(dòng)力滿足要求并且車輪不抱死時(shí)，使作用于驅(qū)動(dòng)車輪上的制動(dòng)力盡可能多。

圖2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 仿真分析

4.1 制動(dòng)控制策略的仿真模型建立

根據(jù)兩種復(fù)合制動(dòng)力的分配關(guān)系，建立該制動(dòng)能量回收系統(tǒng)基于simulink的仿真模型。

（1）當(dāng)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)提供的制動(dòng)力滿足車輛總需求制動(dòng)力，機(jī)械制動(dòng)力為零，此時(shí)制動(dòng)力是由控制電機(jī)電樞電流的值來(lái)決定的。用制動(dòng)踏板的開(kāi)度值控制制動(dòng)力，需求制動(dòng)力與實(shí)際制動(dòng)力的差值使用PID控制器控制。

（2）當(dāng)電機(jī)制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同作用時(shí)。電機(jī)電樞電流達(dá)到最大值，通過(guò)控制機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制制動(dòng)力的大小。

純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示，仿真模型參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 模型參數(shù)

圖3 制動(dòng)能量回收的仿真模型

本系統(tǒng)一共包括了四大塊，分別為下行踏板速度判斷模塊，制動(dòng)力矩判斷模塊，kers式制動(dòng)能回收模塊和汽車動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算模塊。

4.2 仿真

時(shí)間設(shè)置為100 s，對(duì)選用汽車進(jìn)行仿真。

如圖4、圖5所示，在汽車速度明顯減小的20 s左右的區(qū)間，電壓值明顯增大，可以得出這個(gè)點(diǎn)系統(tǒng)有明顯增強(qiáng)的動(dòng)能回收現(xiàn)象。

如圖5、圖6所示，在20 s附近，電壓值持續(xù)上升，但電流值卻有從正值到負(fù)值，再?gòu)呢?fù)值到正值的過(guò)程，由此可以看出這是回收系統(tǒng)中伺服電機(jī)由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的一個(gè)充電過(guò)程。

圖4 汽車速度圖

圖5 汽車電壓圖

圖6 汽車電流值仿真結(jié)果

圖7 踏板下踩幅度值圖

圖8 回收能量值圖

從圖7和圖8得出，隨著踏板的持續(xù)下踩，能量會(huì)在每一次下踩的時(shí)候沖能，使回收的能量持續(xù)增加。

仿真結(jié)果表明：當(dāng)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力隨著電機(jī)電樞的增大而增大，同時(shí)制動(dòng)距離變短，回收的能量增多。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車的制動(dòng)力由復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)提供，此時(shí)制動(dòng)力較大，制動(dòng)距離比較短，制動(dòng)回收的能量較少。

5 結(jié)論

在滿足制動(dòng)約束條件時(shí)，電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)的能量回收量由制動(dòng)距離的長(zhǎng)短決定，通過(guò)控制電機(jī)電樞電流來(lái)控制制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而控制車速和制動(dòng)距離。當(dāng)采用復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)提供其最大制動(dòng)力，電動(dòng)汽車制動(dòng)回收能量的多少由制動(dòng)時(shí)間決定，此時(shí)復(fù)合制動(dòng)力的值由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)制動(dòng)踏板的開(kāi)度角達(dá)到控制車速的目的。

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DESIGN OF ELECTRIC VEHICLE BRAKING ENERGY RECOVERY SYSTEM BASED ON THE COMPOSITE BRAKING

*PENG Shan-shan, ZHAO Xue-song, SHI Pei-cheng

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu,Anhui 241000, China)

A domestic brand of pure electric vehicles is taken as the research object and the recovering and using of car braking energy of automobile is taken as the research target. The braking energy recovery and control method is discussed with the consideration of the vehicle braking dynamics, electric power generation characteristics, battery charging characteristics and other factors. Amechanicalandelectricalcompositebrakingplanofenergy recovery is proposed, and using the Simulink to simulate. The simulation results show that the energy efficiency is higher. It laid a good foundation for further design of specific braking energy recovery system controller.

electric vehicle; brake energy recycling; simulation

1674-8085(2015)04-0059-05

U 469.72

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.04.011

2015-03-10；修改日期：2015-06-12

*彭閃閃(1989-)，女，安徽亳州人，碩士生，主要從事汽車電子方面的研究(E-mail:2091247400@qq.com);

趙雪松(1970-)，男，安徽六安人，副教授，碩士，主要從事精密與特種加工和CAD /CAM技術(shù)研究(E-mail:405833136@qq.com);

時(shí)培成(1976-)，男，安徽安慶人，教授，博士，主要從事汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，汽車振動(dòng)分析和測(cè)試技術(shù)研究(E-mail:shipeicheng@ahpu.edu.cn).