基于最優能量回收的再生制動控制策略

劉新天 王昊 何耀 鄭昕昕 曾國建

合肥工業大學智能制造技術研究院 安徽省合肥市 230009

1 引言

純電動汽車作為一種新型綠色環保交通工具，以蓄電池、超級電容等代替化石燃料提供能量，減少化石能源消耗，同時降低了對環境的污染[1]-[2]。但是電動汽車的續航里程問題成為限制它發展的障礙。電動汽車相對于傳統的汽車有一個明顯的優勢就是在進行制動過程中能夠進行能量的回收利用。大大提高了能源利用率同時提高電動汽車續航里程[3]。文獻[4]介紹一種電液復合制動控制策略，并通過實驗驗證該制動策略可以回收5.34%的制動能量。文獻[5]通過分析ECE法規和I曲線設計了三種不同控制策略，并通過實驗驗證續航里程較無能量回收提高35.3%。文獻[6]提出了一種基于模糊控制的電動汽車機電復合制動力分配策略，設計了電動汽車再生制動力分配模糊控制器，計算前后輪上分別加載的機電復合制動力大小。

但是，目前的再生制動分配方式仍有部分能量未回收利用。因此本文提出一種最優能量回收控制策略，通過分析電機轉矩與需求轉矩的關系得到最大制動轉矩，能夠充分回收利用制動能量，同時保證制動安全性。

2 動力學模型

2.1 電動汽車受力分析

電動汽車在行駛過程中所收到的各種力的作用，其中包括輪胎與地面的滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、上坡阻力Fi、加速阻力Fa。行駛動力由電機轉矩提供，因此汽車的受力方程為：

2.1.1 滾動阻力

車輛在硬地面上，輪胎的滾動阻力基本起因于輪胎材料的滯變作用，它是在輪胎滾動時，由于輪胎刻撓曲所產生的作用。計算公式如下：

其中，M為汽車質量；g為重力加速度；f為滾動系數。

2.1.2 空氣阻力

汽車在行駛過程中由于空氣動力的作用受到的阻力稱為空氣阻力。

其中，Ρ為空氣密度；c為風阻系數；S為迎風面積；V為汽車速度。

2.1.3 上坡阻力

汽車在上坡過程中重力會產生一個下坡方向的力，稱為上坡阻力。

其中，α為路面傾斜角。

2.1.4 加速阻力

汽車在加速行駛時用來克服其質量加速運動時的慣性力，稱為加速阻力。

其中，δm為旋轉質量換算系數。

2.2 電機運行特性

電動汽車在進行再生制動過程中，當電機當前轉速n大于額定轉速nN時，此時電

機以額定功率制動，當電機轉速n小于等于額定轉速時，電機以額定轉矩制動[7]-[9]。因此電機制動轉矩為：

其中，TN為電機額定轉矩；PN為電機額定功率；nN為額定轉速。

3 最優能量回收效率的再生制動控制策略

根據以上分析提出一種最優能量回收效率的再生制動控制策略。該控制策略如圖1所示。

根據制動踏板位置計算得到駕駛員需求的總制動力，再根據當前車速計算此時電機轉速進一步得到電機所能提供最大再生制動轉矩，通過需求轉矩與電機所能提供的最大值制動轉矩比較，若電機最大制動轉矩大于需求轉矩，則再生制動轉矩為需求轉矩。若電機最大制動轉矩小于需求轉矩，則再生制動轉矩為電機制動轉矩，其余轉矩由其他制動力矩提供。

圖1 最優能量回收控制策略

4 結語

分析電動汽車制動過程中的受力狀況，建立了電動汽車的動力學模型，并且通過分析電機轉矩特性提出了種最優能量回收制動策略，該控制策略通過電機轉矩與需求制動力矩進行比較得到制動力矩，在保證安全性的基礎上能夠最大的回收利用制動能量。