新能源汽車制動能量回收控制策略優(yōu)化分析

邵鴻佳

(同濟大學(xué)，上海 201804)

0 前言

傳統(tǒng)汽車制動方式是以機械制動或摩擦制動為主。制動過程會消耗部分動能，并且大部分能量會被轉(zhuǎn)化為熱能而散失，造成極大的能量浪費。電動汽車在進行制動時，可以基于驅(qū)動電機的可逆性，及時由驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)。合理利用制動能量回收，能夠?qū)⒅苿舆^程中產(chǎn)生的能量進行利用，并傳輸回電池系統(tǒng)，達到良好的能量回收效果。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者在這方面的研究已經(jīng)逐步深入，并應(yīng)用于設(shè)計方案中。本文在簡要概述新能源汽車制動能量回收控制策略的基礎(chǔ)上，基于能量回收控制基本原理和系統(tǒng)設(shè)計原則提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 新能源汽車制動能量回收控制策略優(yōu)化的意義

在我國新能源汽車行業(yè)高速發(fā)展的背景下，關(guān)于制動能量回收控制方面的研究也越來越豐富。不少學(xué)者從制動力分配策略、電機性能、儲能裝置性能狀態(tài)、再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行駛工況等各個方面，提出了關(guān)鍵技術(shù)原理及應(yīng)用要求[1]。部分技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于生產(chǎn)中，并取得了良好的應(yīng)用成效。但是，由于制動能量回收控制的應(yīng)用需要綜合考慮系統(tǒng)的安全可靠性及成本等因素。故在實際應(yīng)用中，還需對能量回收策略作進一步優(yōu)化，確保回收效果達到最優(yōu)化水平，加快新能源汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，提升新能源汽車市場競爭力，促進該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 新能源汽車制動能量回收控制的基本原理

2.1 驅(qū)動電機特性

驅(qū)動電機是新能源汽車的核心部件。在當(dāng)前技術(shù)條件下，汽車廠商應(yīng)用的驅(qū)動電機類型主要有開關(guān)磁阻電機、異步電機、永磁同步電機和直流電機等類型。不同類型電機在功率密度、質(zhì)量、體積、轉(zhuǎn)速范圍、可靠性等參數(shù)性能上有著較為明顯的差異。其中，永磁同步電機應(yīng)用較為廣泛，其次是異步電機，其余2種電機類型應(yīng)用較少[2]。永磁同步電機運行原理是基于逆變器將電流轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟姡诹鬟^定子繞組結(jié)構(gòu)時，感應(yīng)出一定強度的空間磁場。受磁場作用影響，轉(zhuǎn)子輸出電磁轉(zhuǎn)矩并開始旋轉(zhuǎn)，直至達到與旋轉(zhuǎn)磁極轉(zhuǎn)速同步狀態(tài)。基于永磁同步電機轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩的正向和反向的各自不同狀態(tài)疊加，車輛可呈現(xiàn)出正常行駛、制動、倒車等運行狀態(tài)。當(dāng)車輛由正常行駛模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿幽Ｊ綍r，電機轉(zhuǎn)子依然保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，電動勢能變換為向車載電池充電，從而實現(xiàn)能量回收。

2.2 前后輪制動力分配

制動能量回收的前提是確保車輛在制動時保持安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)。因此，在優(yōu)化能量回收控制策略時，首先考慮車輛前后輪的制動力分配，并以此制定不同的制動工況：在所需制動力較小的情況下，可以將車輛的制動力需求分配至電機制動來實現(xiàn)；在需要較大制動力的情形下，應(yīng)當(dāng)利用電動制動和機械制動相結(jié)合的方式，確保車輛行駛安全和制動穩(wěn)定性；在緊急制動情形下，則必須完全利用機械制動，以確保制動效果達到安全運行要求。基于理想制動力分配曲線和歐洲經(jīng)濟委員會(ECE)法規(guī)曲線，可以計算出車輛在制動狀態(tài)下的路面附著系數(shù)，以此為基礎(chǔ)進行制動力分配[3]。

2.3 制動能量回收影響因素

車輛在運行過程中進行制動時，受力主要分為車輪制動力和阻力。其中，阻力又包括滾動阻力、空氣阻力和坡道阻力3種類型。制動回收能量效率主要受到電機傳動、發(fā)電效率及車載電池充電效率的影響[4]。在進行控制策略的優(yōu)化時，首先要考慮選擇性能較高的電機，能夠支持制動能量回收；其次是進行能量回收至儲能裝置環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計，能在準確分析充電原理及充電方法的基礎(chǔ)上，選擇合適的充電策略，更好地提升能量回收環(huán)節(jié)的充電效率；再次是利用算法模型對控制策略進行優(yōu)化，確保電機在制動過程中能夠達到制動能量回收的最優(yōu)化狀態(tài)。

3 永磁同步電機的制動能量回收控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 永磁同步電機矢量控制

永磁同步電機運行具有強耦合且非線性時變屬性，在該運行狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建較為復(fù)雜。在矢量控制解耦過程中，首先需建立矢量磁場控制模型，建立三相靜止坐標狀態(tài)方程，再利用相應(yīng)的坐標系轉(zhuǎn)化，分解為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系狀態(tài)方程。在進行坐標系的轉(zhuǎn)化分解時，需利用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，對單個開關(guān)周期的3個基本電壓矢量進行等效調(diào)整，在最終矢量平均值與目標電壓矢量平均值達到相等的情形下，實現(xiàn)電機運行狀態(tài)的精確控制。實現(xiàn)SVPWM算法，需對扇區(qū)進行計算和判斷，將每個扇區(qū)分成6個扇區(qū)，根據(jù)計算結(jié)果得出每一扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系。之后，對開關(guān)時間和驅(qū)動開關(guān)管切換時間點進行計算，利用Matlab和Simulink軟件進行控制器的模型搭建與仿真計算。基于仿真結(jié)果分析，可以根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩幅值在不同時間段內(nèi)的變化情況，獲得電機轉(zhuǎn)速隨之變化的情況，相應(yīng)調(diào)整電機的運行狀態(tài)，以保持車輛的平穩(wěn)行駛。

3.2 制動能量回收系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)前，部分新能源汽車的制動能量回收系統(tǒng)設(shè)計通常采用驅(qū)動電路與儲能系統(tǒng)直接連接的方式。在實際運行中，由于制動能量回收系統(tǒng)無法精確控制儲能電池的充放電電流，對動力電池造成了不同程度的影響[5]。基于永磁同步電機矢量控制原理，在能量回收系統(tǒng)的設(shè)計過程中需重點關(guān)注驅(qū)動電路與儲能系統(tǒng)的電氣隔離，更為精準地控制能量回收系統(tǒng)運行中的充放電電流，確保電池使用安全和使用壽命在設(shè)計要求的范圍內(nèi)。

從硬件設(shè)備和性能管理角度進行分類，制動能量回收系統(tǒng)主要包括儲能系統(tǒng)、雙有源橋(DAB)變換器、超級電容和電機控制系統(tǒng)4個組成部分。其中，電機控制系統(tǒng)主要是控制電機產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)制動功能。DAB變換器有兩方面的作用：①將超級電容中積存的能量傳輸并保存至儲能系統(tǒng)；②利用雙向傳輸功能，將儲能系統(tǒng)中的能量傳輸至電機控制系統(tǒng)，產(chǎn)生驅(qū)動能。超級電容的作用則是在能量回收及車輛起動環(huán)節(jié)起到有效緩和電流沖擊的作用，盡量避免高瞬時功率對動力電池帶來的影響。

3.3 最大充電電流

電池最大充電電流方面的研究起始于20世紀60年代。在之后的研究中顯示，充電過程中的每一時刻，都需要對該時刻的最大充電電流進行限制。當(dāng)充電電流超出限制時，電池不僅會出現(xiàn)不良反應(yīng)，甚至還會出現(xiàn)不可逆的損壞。如何在不影響電池壽命的前提下，盡量提升充電電流，提升充電效率，同樣是制動能量回收控制系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題[6]。在設(shè)計中，研究人員需要根據(jù)動力電池特性，靈活采取不同的充電策略，并對制動能量回收系統(tǒng)的充電方式進行優(yōu)化。

4 新能源汽車制動能量回收模糊控制策略

4.1 模糊控制的基本原理

由于新能源汽車制動能量回收控制系統(tǒng)運行比較復(fù)雜，采用模糊控制原理進行優(yōu)化，是實現(xiàn)制動能量回收控制策略優(yōu)化的基本路徑。在本研究課題中，基于制動能量回收電路的結(jié)構(gòu)和運行動態(tài)，利用Matlab和Simulink軟件對DAB變換器進行建模，并進行雙向傳輸狀態(tài)下的仿真試驗，以驗證搭建模型的準確性。之后，研究人員將模型與電機控制系統(tǒng)模型進行聯(lián)合建模，構(gòu)建完整的全系統(tǒng)模型，并對驅(qū)動狀態(tài)及制動能量回收狀態(tài)進行仿真試驗。

4.2 模糊控制器設(shè)計

模糊控制器的設(shè)計主要考慮制動強度、電池荷電狀態(tài)及車速這3個參數(shù)。基于上述3個參數(shù)的輸入，最終確定了電機制動力的分配系數(shù)，將制動強度模糊子集劃分為中低、中、高3個范圍，將電池荷電狀態(tài)模糊子集劃分為低、中、高3個范圍，將車速模糊子集劃分為低、中、高3個范圍，最終得出輸出制動力分配的5種模糊子集：很低、低、中、高、很高。在添加制動時間間隔約束條件下，基于仿真試驗，得出制動力分配系數(shù)，構(gòu)建完善的模塊控制器設(shè)計模型，有效控制最大充電電流，達到減少充電次數(shù)，確保車輛行駛安全，提升能量回收效率的目的。

4.3 優(yōu)化內(nèi)容

基于永磁同步電機工作原理和特性，對新能源汽車制動能量回收控制策略進行了優(yōu)化，在保障車輛制動穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)最大程度的制動能量回收，并對前后輪制動力分配策略進行了優(yōu)化。

利用DAB變換器所具有的雙向傳輸特性，進行聯(lián)合建模，搭建基于SVPWM的控制模型、DAB變換器的控制系統(tǒng)模型，進一步研究電機控制系統(tǒng)在驅(qū)動狀態(tài)及能量回收狀態(tài)下的制動能量回收電路結(jié)構(gòu)的有效性和可行性。通過計算，可得出電池最大充電電流參數(shù)，從而確保回收系統(tǒng)運行的安全性，并確保運行效率達到最優(yōu)化水平。

基于模糊控制策略，以電池荷電狀態(tài)、制動強度制動間隔時間及車速為輸入變量，以制動力分配系數(shù)作為輸出量，得出了模糊控制器設(shè)計方案，達到了協(xié)調(diào)電機制動力和機械制動力的目的，有效提升了制動能量回收效率。

4.4 控制策略應(yīng)用要點

基于本研究課題所設(shè)計的控制器模型，結(jié)合車輛動力學(xué)模型，初步驗證了設(shè)計方案，并在符合我國實際道路工況的條件下進行了聯(lián)合仿真試驗，進一步驗證了模糊控制器在充電次數(shù)、電池保護等方面的效果。

在后續(xù)研究中，還需綜合考慮系統(tǒng)運行中溫度變化對電池的影響，并考慮制動能量回收時制動距離變化等方面的因素。在綜合考慮更多因素的情形下，構(gòu)建更為復(fù)雜的模型，更好地提升模型的精準度，在各種工況下確保模型精準度都能達到最優(yōu)化狀態(tài)，并進行了后續(xù)試驗驗證。

后續(xù)應(yīng)用還需要對制動能量回收系統(tǒng)與制動防抱死系統(tǒng)(ABS)進行協(xié)調(diào)控制，以確保車輛可以在能量回收系統(tǒng)運行過程中實現(xiàn)安全行駛。需要說明的是，本研究課題將輕型前驅(qū)新能源車型作為試驗對象，因此無法適用于其他車型的相關(guān)研究。在進一步研究中，還需深入分析制動能量回收控制系統(tǒng)運行對車輛運行穩(wěn)定性的影響。

5 結(jié)語

當(dāng)前，在我國新能源汽車高速發(fā)展的背景下，制動能量回收控制方面的研究相對還較為薄弱，在實際應(yīng)用中還無法完全達到最優(yōu)化狀態(tài)。基于新能源汽車使用場景特征，作好制動能量回收策略的優(yōu)化，能夠?qū)⒅苿幽芰炕厥章侍嵘?0%以上，甚至可以向更高水平發(fā)展。在確保制動效果的同時，制動能量回收控制能夠有效增加車輛15%以上的續(xù)航里程。因此，在未來新能源汽車技術(shù)研究體系中，還需進一步深入制動能量回收控制方面的研究，進一步提升新能源汽車的能量利用效率，提高產(chǎn)品市場競爭力，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護作出積極貢獻。