黃啟銘，李明昊，何秋熟

（東南大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

電動(dòng)方程式賽車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃啟銘a，李明昊a，何秋熟b

（東南大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

為了提高東南大學(xué)FSE（Formula Student Electric大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽）賽車的制動(dòng)能量回收效率，研究采用基于回饋功率最大的制動(dòng)控制策略和協(xié)調(diào)式制動(dòng)的制動(dòng)力分配方案，通過(guò)Labview編寫控制程序，并對(duì)實(shí)際賽車電氣系統(tǒng)（包括永磁同步電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電池）進(jìn)行測(cè)試，基于Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證，調(diào)試出良好的制動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離行駛狀態(tài)下25.3%的能量回收效率。

永磁同步電機(jī)；電動(dòng)方程式賽車；制動(dòng)回收；混合制動(dòng)

本課題研發(fā)的純電動(dòng)方程式賽車旨在參加由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)組織的大學(xué)生純電動(dòng)方程式汽車大賽（FSE），包括22 km的耐久賽、高速避障、直線加速等比賽項(xiàng)目，以觀察賽車整體性能［1］。因此，減少電池的總?cè)萘?，減輕整車質(zhì)量，提升賽車的動(dòng)力性能是賽車研制的目標(biāo)。而增加制動(dòng)回收提高能量利用效率，是有效提高賽車性能的重要技術(shù)手段。對(duì)于制動(dòng)回收，國(guó)外研究起步較早，美國(guó)Texas A&M大學(xué)的Yimin Gao提出了3種制動(dòng)能量回收控制策略，得到了廣泛應(yīng)用［2-3］。Prius轎車的ECB制動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四輪單獨(dú)控制，只需一套制動(dòng)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)車輛的常規(guī)制動(dòng)、緊急制動(dòng)、制動(dòng)能量回收以及防加速打滑控制等技術(shù)［4］。國(guó)內(nèi)研究方面，清華大學(xué)處于前列，張俊智等利用 dSPACE 硬件平臺(tái)，開發(fā)了一種串聯(lián)式再生制動(dòng)系統(tǒng)，并進(jìn)行道路試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在保證駕駛員制動(dòng)感覺的前提下回收較多的制動(dòng)能量［5］。但以上幾類設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，串聯(lián)式再生制動(dòng)的液壓系統(tǒng)雖然回收效率高但質(zhì)量體積較大，無(wú)法安裝在可用空間極小、輕量化程度極高的賽車上。本課題搭建的電動(dòng)方程式賽車電氣系統(tǒng)（包括永磁同步電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電池），使用LabView編寫程序，先后確定合適的控制策略和簡(jiǎn)單高效的制動(dòng)力分配方案，取得了較短的制動(dòng)時(shí)間和較高的回收效率。

1 制動(dòng)方案研究

制動(dòng)控制分為2種：能量回饋制動(dòng)和能量消耗制動(dòng)。永磁同步電機(jī)的反電勢(shì)能夠提供所需的制動(dòng)電流時(shí)，電流將流向電池，電機(jī)工作在能量回饋狀態(tài)；當(dāng)永磁同步電機(jī)的反電勢(shì)不足以提供所需的制動(dòng)電流時(shí)，電池將會(huì)提供剩余的制動(dòng)電流，二者電流之和共同消耗在電機(jī)的電阻上，此時(shí)電機(jī)工作在能耗制動(dòng)狀態(tài)［6］。

以本賽車平臺(tái)為例，踩下制動(dòng)踏板后，永磁同步電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，車輪依靠慣性作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電樞繞組的三相電流與永磁體的氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，迫使車輪減速。

對(duì)于電驅(qū)動(dòng)車輛，引入制動(dòng)能量回饋后，須考慮將總的制動(dòng)力需求在摩擦制動(dòng)力和回饋制動(dòng)力之間進(jìn)行分配，以實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)調(diào)控制?；旌现苿?dòng)回收方案有3種：疊加式制動(dòng)、協(xié)調(diào)式制動(dòng)與串聯(lián)式制動(dòng)。如圖1所示。采用疊加式制動(dòng)時(shí)，回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力都與制動(dòng)踏板行程（開度）正相關(guān)。采用協(xié)調(diào)式制動(dòng)時(shí)，所需制動(dòng)力首先由回饋制動(dòng)力提供，當(dāng)踏板行程超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，回饋制動(dòng)力不再增加，所缺的制動(dòng)力全部由摩擦力提供。采用串聯(lián)式制動(dòng)時(shí)，若踏板行程在預(yù)設(shè)值內(nèi)，制動(dòng)力由回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力共同提供，且兩者具體大小關(guān)系可以任意改變。踏板行程超過(guò)預(yù)設(shè)值后，額外的制動(dòng)力全部由摩擦制動(dòng)力提供。

圖1 3種制動(dòng)控制策略制動(dòng)力分配示意圖

由圖1可見，疊加式制動(dòng)所能回收的能量較少；協(xié)調(diào)式制動(dòng)所能回收的能量較多；串聯(lián)式制動(dòng)由于回饋制動(dòng)力靈活可變，能保證電機(jī)始終工作在最佳工作區(qū)域，回收的能量最多［6］。但是此時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)摩擦力大小與踏板行程的關(guān)系需要快速變化，又由于制動(dòng)踏板與制動(dòng)片是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接的，缺乏便捷可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。綜合考慮安全性、回收效率與硬件實(shí)現(xiàn)的可能性，本課題選用協(xié)調(diào)式制動(dòng)方案。需求的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩首先由電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)提供，制動(dòng)需求大于電機(jī)額定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，才由機(jī)械制動(dòng)來(lái)提供剩余制動(dòng)力。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 整車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整車電氣系統(tǒng)由2部分組成，見圖2，上半部分為高壓驅(qū)動(dòng)電路，由電池組提供的300 V直流電經(jīng)驅(qū)動(dòng)器逆變?yōu)?00 V的三相交流電，驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)工作；在制動(dòng)狀態(tài)下電機(jī)工作在回饋制動(dòng)模式，產(chǎn)生的電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)器給電池充電。下半部分為低壓控制電路，用于處理各傳感器采集的信號(hào)，包括BMS（Battery manage system電池管理系統(tǒng)）、穩(wěn)壓模塊、主控模塊與非可編程運(yùn)算電路模塊，由一塊獨(dú)立的24 V鋰電池供電以提升穩(wěn)定性。

2.2 高壓驅(qū)動(dòng)電路

圖2 電氣系統(tǒng)圖

高壓驅(qū)動(dòng)電路是賽車動(dòng)力系統(tǒng)，由300 V電池組、2只Bamocar -D3驅(qū)動(dòng)器、2臺(tái)永磁同步電機(jī)等組成。同步電機(jī)安置在車輛后部，通過(guò)行星輪減速器分別連接左右車輪。

賽車正常運(yùn)行狀態(tài)下，電池組提供300 V的直流電，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器中內(nèi)置的逆變器逆變?yōu)?00 V的三相交流電使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器也控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩以適應(yīng)加速、轉(zhuǎn)向等情況。當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，電池組收到BMS指令即停止供電進(jìn)入充電模式，驅(qū)動(dòng)器工作在整流模式將電機(jī)發(fā)出的交流電整流后輸送到電池，實(shí)現(xiàn)能量回收。

2.3 低壓控制電路

低壓控制電路用于檢測(cè)與處理賽車上各傳感器信號(hào)，包括踏板角傳感器、加速度計(jì)、溫度傳感器、輪速傳感器等。由BMS系統(tǒng)、穩(wěn)壓模塊與運(yùn)算電路模塊構(gòu)成，運(yùn)算電路模塊又包含可編程的主控電路和非可編程的運(yùn)算電路。與車輛安全相關(guān)的信號(hào)（如慣性開關(guān)狀態(tài)、制動(dòng)燈狀態(tài)等）接入非可編程運(yùn)算電路以提高安全性，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)鳴笛、緊急制動(dòng)、緊急斷電等功能?；D(zhuǎn)率計(jì)算、后輪差速等涉及到車輛控制的信號(hào)由主控電路中的ARM處理器處理。

當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，角位移傳感器將踏板角度傳送至主控，若踏板角度小于摩擦制動(dòng)的預(yù)設(shè)值，賽車僅進(jìn)行回饋制動(dòng)。此時(shí)主控通過(guò)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)行方式，同時(shí)主控與BMS系統(tǒng)協(xié)作控制電池組進(jìn)行充電。若踏板角度大于摩擦制動(dòng)的預(yù)設(shè)值，除了上述過(guò)程，踏板還通過(guò)調(diào)校好的機(jī)械結(jié)構(gòu)直接控制制動(dòng)卡鉗，用產(chǎn)生的摩擦力彌補(bǔ)所缺的制動(dòng)力。

2.4 硬件系統(tǒng)設(shè)備配置

純電動(dòng)方程式賽車的動(dòng)力系統(tǒng)是整車性能最直觀的體現(xiàn)。相比其他類型電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有效率高、損耗小、功率因數(shù)高、伺服傳動(dòng)系統(tǒng)性能高、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在能量回收方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。為了展現(xiàn)優(yōu)異的動(dòng)力性能，選用德國(guó)Enstroj公司生產(chǎn)的EMRAX 207電機(jī)。該電機(jī)單臺(tái)峰值功率可達(dá)80 kW，重僅9.4 kg，其不僅具有較高的轉(zhuǎn)速與扭矩，還具有體積小、功率密度高的特點(diǎn)。與之配套的Bamocar-D3 控制器準(zhǔn)確性高，調(diào)控能力強(qiáng)。電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。驅(qū)動(dòng)器的主要參數(shù)如表2所示。

表1 電機(jī)的主要參數(shù)

表2 驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 控制算法試驗(yàn)

此試驗(yàn)旨在通過(guò)LabView編寫縮短延遲時(shí)間、加入PID控制的實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)差率程序和防制動(dòng)抱死程序，改進(jìn)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的制動(dòng)控制算法［7-8］，使用基于回饋功率最大的制動(dòng)控制策略，試驗(yàn)中車手駕駛賽車在預(yù)先規(guī)劃好的路線上以相同的駕駛方式行駛兩圈，分別燒錄改進(jìn)前后的制動(dòng)控制算法，利用BMS記錄功率數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)車輛總質(zhì)量320 kg。

控制算法改進(jìn)前后系統(tǒng)功率曲線見圖3。改進(jìn)前耗能144.4 kJ，回收能量6.21 kJ，回收效率4.3%。改進(jìn)后耗能147.9 kJ，回收能量37.4 kJ，回收效率25.3%。改進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制策略后，可以明顯提高回收效率。

圖3 改進(jìn)前后回收效果

3.2 不同速度、不同的機(jī)械制動(dòng)力下回收效果試驗(yàn)

此試驗(yàn)旨在測(cè)試合適的制動(dòng)力分配方案，并在較短的制動(dòng)時(shí)間和較高的能量回收效率之間取得平衡。測(cè)試時(shí)車輛總質(zhì)量320 kg。賽車加速到預(yù)定速度后，由車手將制動(dòng)踏板踩到最大行程即施加預(yù)設(shè)的機(jī)械制動(dòng)力，賽車減速直至停止，主控模塊和BMS記錄時(shí)間、速度、功率信號(hào)。由圖 4可見，低速狀態(tài)下（30 km/h）采用改進(jìn)后的制動(dòng)控制策略后，機(jī)械制動(dòng)力變大，制動(dòng)所需時(shí)間縮短，但回收效率降低。

由表3可見，中低速狀態(tài)下（50 km/h）機(jī)械制動(dòng)力從35%增加到55%后，回收效率略有降低，但制動(dòng)時(shí)間顯著縮短；而機(jī)械制動(dòng)力從55%增加到65%后，制動(dòng)時(shí)間略有縮短，但回收效率大大降低。中低速狀態(tài)下，機(jī)械制動(dòng)力選擇55%，可在制動(dòng)時(shí)間和回收效率間取得較好平衡，因此高速狀態(tài)下著重研究55%附近規(guī)律。

由表4可見，高速狀態(tài)下（70 km/h）制動(dòng)力的微小改變對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響很小，但對(duì)回收效率影響很大。此時(shí)行駛路面的情況對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響不可忽略，所以制動(dòng)時(shí)間的變化與表3中的規(guī)律略有不同。對(duì)比以上表格可以發(fā)現(xiàn)車速越快回收效率越高，這是因?yàn)椴捎昧嘶诨仞伖β首畲蟮闹苿?dòng)控制策略而非恒轉(zhuǎn)矩控制策略，在低速時(shí)電機(jī)的力矩降低，回收的能量相應(yīng)減少。

表4 70 km/h不同機(jī)械制動(dòng)力下測(cè)試結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用基于回饋功率最大的制動(dòng)控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink軟件設(shè)計(jì)了如下仿真試驗(yàn)［9］：輸入信號(hào)為油門（制動(dòng)）信號(hào)，觀察使用制動(dòng)回收策略前后車速和電池輸出功率的變化。如圖5所示，0～5 s內(nèi)的信號(hào)作為仿真輸入。在0.6～1.6 s時(shí)，油門信號(hào)增大直到穩(wěn)定在1，持續(xù)到2.5 s。之后油門信號(hào)減弱至0，制動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)至1。

圖5 油門和制動(dòng)踏板信號(hào)隨時(shí)間變化關(guān)系圖

由圖6、圖7可見，車速變化、電池輸出功率與油門信號(hào)吻合。電池輸出功率仿真結(jié)果與賽車實(shí)際測(cè)試結(jié)果曲線基本吻合。由于4 s后制動(dòng)信號(hào)到達(dá)最高，電機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)，電池輸出功率為負(fù)即電流對(duì)電池充電。電池回饋功率大小與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電角速度有關(guān)。在有變速器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型中，電機(jī)電角速度可與車速解耦，并通過(guò)變速器和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的工作點(diǎn)，使其工作在高效率區(qū)。本次實(shí)驗(yàn)采用只有固定減速比減速器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型，由于電機(jī)電角速度與車速耦合，因此，只能通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)達(dá)到最優(yōu)的制動(dòng)能量回收［3］。

圖6 車速仿真結(jié)果

圖7 電池輸出功率仿真結(jié)果

4 總結(jié)

對(duì)于FSE賽車，制定合理的制動(dòng)回收策略，最大化地回收制動(dòng)能量，能夠有效地減少電池容量、減輕整車質(zhì)量，對(duì)提升賽車的性能具有重要的意義。本課題通過(guò)建立完整的電氣系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)車測(cè)試及仿真試驗(yàn)，證明本賽車平臺(tái)使用基于回饋功率最大的制動(dòng)控制策略可獲得較高的回收效率，機(jī)械制動(dòng)力調(diào)整為55%時(shí)在制動(dòng)時(shí)間和回收效率間取得了較好的平衡。

［1］ 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則（2015最終版）［Z］，2015.

［2］ Gao Yimin，Chen Liping， Ehsani Mehrdad. Electric Braking System of EV and HEV—Integration of Regenerative Braking［C］.Automatic Braking Force Control and ABS.Ronald K. Jurgen. Future Transportation Technology Conference & Expositio，Costa Mesa， CA，USA， 2001.SAE International， 2004：733-780.

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［4］ 汪永嘉.純電動(dòng)賽車再生制動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

［5］ 方運(yùn)舟.純電動(dòng)轎車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［6］ 盧東斌，歐陽(yáng)明高，谷靖，等.電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)最優(yōu)制動(dòng)能量回饋控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（3）：83-91.

［7］ 趙輝，劉彤彥.電池供電的永磁電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的再生制動(dòng)［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，1999（4）：207-210.

［8］ GU Jing，OUYANG Minggao，LI Jianqiu，etc.Driving and Braking Control of PM Synchronous Motor Based on Low-resolution Hall Sensor for Battery Electric Vehicle［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，26（1）：1-10.

［9］ Tien-Chi Chen，Tsai-Jiun Ren，Yi-Shuo Chen，etc. Driving and Regenerative Braking Method for Energy-Saving Wheel Motor［C］. Sice Conferenc，2010：2654-2659.

（編輯 凌 波）

Regenerative Braking System Designed for Electric Formula Car

HUANG Qi-minga， LI Ming-haoa， HE Qiu-shub
（Southeast University a.School of Electrical Engineering；b. School of Mechanical Engineering，Nanjing 211189， China）

Aiming at improving the regeneration efficiency of the electric Formula Car from South East University， the regenerative braking control strategy and the allocation scheme between the parallel braking forces are adopted in this paper. The control program is written on LabView and the decision is tested on the electric drive system of an electric Formula Car（including PMSM， inverter and battery cells） and is proved by Simulink simulation. A favorable braking performance and 25.3% regeneration efficiency under long-distance driving condition is obtained.

permanent magnet synchronous motor （PMSM）； electric Formula Car； regenerative braking；composite braking

U469.696

A

1003-8639（2017）05-0001-04

2017-03-09

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201610286092）

黃啟銘（1995-），男，主要研究方向?yàn)樾履茉雌囍苿?dòng)能量回收。