基于復合制動的電動汽車制動能量回收系統設計

彭閃閃，趙雪松，時培成

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基于復合制動的電動汽車制動能量回收系統設計

*彭閃閃，趙雪松，時培成

（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽，蕪湖241000）

以某國產品牌純電動汽車為研究對象，以回收和利用汽車的制動能量為研究目標，綜合考慮汽車制動動力學特性、電機發電特性和電池充電特性等多方面因素，對其制動能量回收及控制策略進行探討和研究；提出了一種機械和電機復合制動的能量回收方案；并基于Simulink軟件進行了詳細的仿真分析，獲得了一個較為理想的能量回收率，為進一步開發設計具體的制動能量回收系統控制器奠定了良好的基礎。

電動汽車；制動能量回收；仿真

在電動汽車技術的研究和發展中，如何更有效地實現制動能量的回收是迫切需要解決的問題。在制動過程中大量動能會轉化為熱能耗散掉[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，延長續駛里程。

文獻[4]基于并聯液壓混合動力公交車，建立了動態規劃算法的制動能量回收系統，理論上使蓄能器的制動能量回收效率達到60%。文獻[5]在電動汽車傳統液壓制動系統基礎上增設液壓控制單元和踏板位移傳感器，采用硬件在環的方式對系統的控制效果和制動能量回收效率進行了仿真測試，能量回收效率達到59.15%。文獻[6]提出定壓源飛輪液壓再生制動系統，相對于常規電動汽車，續駛里程提高了25%左右。本文以某國產品牌純電動汽車為研究對象，提出了一種機械和電機復合制動的能量回收方案，并對其進行仿真分析。

1 制動能量傳遞過程

在行車制動過程中，電機制動所產生的阻力矩經變速器、傳動軸、主減速器、后橋傳遞到車輪[7-8]，制動能量的回收過程如圖1所示：汽車的動能以機械能的形式經驅動車輪傳遞到電機，然后在經過電機把機械能轉化為電能存儲到蓄電池中。在實際行車制動過程中，僅靠電機制動很難實現整車制動，所以本文提出一種機械和電機復合制動的能量回收方案。

圖1 電制動過程能量傳遞系統示意圖

2 復合制動系統動力學分析

本文提出的復合制動系統是一種機械與電機相結合制動的方案，此方案在汽車制動過程中摒棄了傳統制動方式的不足，實現了能量的回收利用。

根據《汽車理論》知識，汽車的行駛方程式為：

制動過程中，制動力F相當于加速阻力。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化為：

目標電動汽車行駛過程中總制動力包括機械制動系統提供的摩擦制動力和電機提供的反拖動制動力兩部分。則：

在此分析以下兩種情況時，該復合制動系統中機械制動力與電機制動力的分配差異性：

由此可以得出制動方程及推導如下：

電動汽車的負載功率P為

根據能量守恒有：

汽車的瞬時速度a為：

充電電流為：

綜上所述，假設1）成立時，則制動過程中所回收的能量為：

2）假設電機所提供的最大制動力不能滿足目標車輛的需求制動力，此時，則制動力為：

則：

當假設2）成立時，該轉速下電機制動系統發出最大制動力。復合制動力主要由機械制動系統決定，制動時間的長短決定了電動汽車制動回收能量的多少。

3 制動能量回收系統設計

為了滿足汽車的制動安全性以及能量回收的最大化，開發了一種新的復合制動能量回收系統，其結構如圖2所示。該制動能量回收系統是在不改變原有機械制動系統制動力的情況下，由整車電動機（也作驅動電機使用）提供制動扭矩作用于前驅動輪上，在不影響制動過程的前提下完成制動能量的回收。

為了保證整車行駛安全性，向前輪施加額外制動扭矩后，在能量回收開始前，對整車的行駛狀態予以判定。判定時，整車上ABS的工作狀態、電機轉速、高壓動力電池狀態、驅動電機狀態以及隨時出現的故障狀態等都需綜合考慮，然后再進入到復合制動功能狀態中。

在制動過程中，通過計算制動踏板的行程來計算電機制動扭矩。首先，駕駛員的制動意圖能通過能量回收系統判斷制動踏板的活動幅度、速度以及加速度來確定；然后，按照車速、行駛工況以及制動力需求，來分配前、后輪制動力所占的比例；最后，由電機的扭矩特性確定電機制動力的范圍，從而確定電機制動力和摩擦制動力之間各占的比例與大小。車輛制動力滿足要求并且車輪不抱死時，使作用于驅動車輪上的制動力盡可能多。

圖2 制動能量回收系統結構圖

4 仿真分析

4.1 制動控制策略的仿真模型建立

根據兩種復合制動力的分配關系，建立該制動能量回收系統基于simulink的仿真模型。

（1）當電機制動系統提供的制動力滿足車輛總需求制動力，機械制動力為零，此時制動力是由控制電機電樞電流的值來決定的。用制動踏板的開度值控制制動力，需求制動力與實際制動力的差值使用PID控制器控制。

（2）當電機制動和機械制動共同作用時。電機電樞電流達到最大值，通過控制機械制動系統來控制制動力的大小。

純電動汽車制動能量回收系統的仿真模型如圖3所示，仿真模型參數見表1：

表1 模型參數

圖3 制動能量回收的仿真模型

本系統一共包括了四大塊，分別為下行踏板速度判斷模塊，制動力矩判斷模塊，kers式制動能回收模塊和汽車動力學性能計算模塊。

4.2 仿真

時間設置為100 s，對選用汽車進行仿真。

如圖4、圖5所示，在汽車速度明顯減小的20 s左右的區間，電壓值明顯增大，可以得出這個點系統有明顯增強的動能回收現象。

如圖5、圖6所示，在20 s附近，電壓值持續上升，但電流值卻有從正值到負值，再從負值到正值的過程，由此可以看出這是回收系統中伺服電機由正轉到反轉的一個充電過程。

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，隨著踏板的持續下踩，能量會在每一次下踩的時候沖能，使回收的能量持續增加。

仿真結果表明：當電機制動系統能實現整車制動時，制動力隨著電機電樞的增大而增大，同時制動距離變短，回收的能量增多。當電機制動系統不能實現整車制動時，電動汽車的制動力由復合制動系統提供，此時制動力較大，制動距離比較短，制動回收的能量較少。

5 結論

在滿足制動約束條件時，電動汽車制動時的能量回收量由制動距離的長短決定，通過控制電機電樞電流來控制制動轉矩，從而控制車速和制動距離。當采用復合制動系統時，電機制動系統提供其最大制動力，電動汽車制動回收能量的多少由制動時間決定，此時復合制動力的值由機械制動系統控制，通過調節制動踏板的開度角達到控制車速的目的。

[1] 楊萍,易克傳. 安徽發展新能源汽車的SWOT分析[J]. 皖西學院學報,2011(2):97-100.

[2] 馮能蓮,么居標,俞黎明,等.電動汽車再生制動控制策略[J]. 北京工業大學學報,2008,12: 1332-1338.

[3] 婁潔,戴龍泉. 電動汽車制動能量回收控制策略研究[J]. 安徽科技學院學報,2010(3):13-18.

[4] Zhang Zhong Liang, Chen Jie. Implementable strategy research of brake energy recovery based on dynamic programming algorithm for a parallel hydraulic hybrid bus[J]. International Journal of Automation and Computing,2014,11(3):249-255.

[5] 王猛,孫澤昌,卓桂榮,等.電動汽車制動能量回收系統研究[J]. 農業機械學報, 2012 (2):6-10.

[6] 周翎霄,寧曉斌,謝偉東. 純電動汽車液壓再生制動能量回收系統的研究[J]. 機電工程, 2013(6):664-668.

[7] 趙軒. 電動汽車制動能量回收系統仿真及控制器設計[D].西安:長安大學,2010.

[8] 唐鵬,孫駿. 電動汽車驅動系統再生制動特性分析與仿真[J].移動電源與車輛,2006(4):37-40.

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技術研究(E-mail:405833136@qq.com);

時培成(1976-)，男，安徽安慶人，教授，博士，主要從事汽車系統動力學，汽車振動分析和測試技術研究(E-mail:shipeicheng@ahpu.edu.cn).