純電動客車制動電阻回饋方案設計

梁豐收， 林 超， 姜昆明， 楊 偉

(比亞迪汽車工業有限公司， 廣東 深圳 518118)

純電動客車在動力電池滿電時為避免電池過充損壞，禁止回饋制動，因此引發車輛的制動性能下降，在不同SOC下的回饋制動力一致性差。另外對于輪邊驅動橋結構的純電動客車，驅動電機與車輪間無傳動軸[1]，難以加裝緩速器，當車輛滿電時，也無法執行回饋制動，不能滿足GB 12676—2014中IIA型試驗(緩速制動性能)要求[2]。有方案提出利用超級電容或大電感并聯在電池兩端以存儲回饋能量[3]。由于在IIA型試驗中要求緩速制動的平均回饋功率和回饋總電量要大，所以這種方案要匹配相應等級的電容或電感在成本和體積上不可取，且該方案只能存儲能量，電容或電感無法消耗能量，還需提供額外途徑給其放電。

本文針對純電動客車設計一種滿電回饋方式，利用制動電阻釋放回饋電能，使車輛在全SOC范圍內都能執行回饋制動，滿足標準要求，提升制動性能。

1 制動電阻回饋方案

1.1 制動電阻回饋原理

車輛執行制動回饋時，整車控制器將蓄電池不能吸收的回饋功率發送給電阻控制器，由制動電阻釋放。電阻控制器通過IGBT管將制動電阻接入電池回路，并由PWM波調節電阻兩端電壓控制釋放功率P的大?。?/p>

P=U2/R

(1)

式中：U為控制器輸出電壓端電壓，最高電壓為母線電壓；R為制動電阻阻值。

制動電阻回饋原理圖如圖1所示。

圖1 制動電阻回饋原理圖

1.2 制動電阻功率計算

在純電動車的IIA型試驗中，車輛依靠電機的回饋扭矩致使車輛在斜坡上受力平衡從而勻速下滑[4]。車重越大，所需電機回饋扭矩越大，產生的回饋功率也就越大[5]，因此需匹配相應等級的制動電阻來釋放回饋功率。

以某純電動客車(質量為9 700 kg)為例，根據GB 12676—2014中IIA型試驗(緩速制動性能)條件，計算出車重對應的電機回饋扭矩和回饋功率[2]。

已知車輛在7%斜坡上受力平衡：

F+f1+f2=mgsinα

(2)

輪胎滾動阻力：f1=μmgcosα

(3)

整車風阻：f2=CAv2/21.15

(4)

電制動回饋功率：PB=F·v

(5)

回饋扭矩：T=F·R·η/n

(6)

式中：α為試驗坡度，tan α=0.07；μ為30 km/h車速下車輪的滾動阻力系數，值為0.006 51；A為車輛迎風面積，值為7.44 m2；C為風阻系數，值為0.62；η為機械軸的效率，值為0.913；v為試驗要求的勻速速度，30 km/h；R為車輪滾動半徑，值為0.513 m；n為減速器速比，值為8.5。

將相關參數代入以上各式求得：電機需提供回饋功率44.6 kW，回饋制動扭矩322 N·m。試驗中要求電池滿電，回饋能量須全部由制動電阻釋放[6]，所以匹配制動電阻的額定釋放功率應不小于44.6 kW，本方案選取電阻額定釋放功率為44.6 kW。

1.3 回饋策略制定

引入制動電阻使整車能執行的回饋能力增加44.6 kW，即滿電時由制動電阻釋放功率44.6 kW，非滿電下回饋能量優先由電池吸收，多余回饋能量由制動電阻釋放。電池允許回饋功率P1由電池管理器BMS根據電池電荷量SOC值、電池狀態實時計算得到[7]，具體回饋策略如下：

整車控制器通過車速、制動踏板深度、電池狀態信息等計算出車輛當前需要的總回饋功率P2，當電池禁止回饋電量時，回饋功率P2全部由制動電阻釋放；當電池允許回饋電量時，若P2≤P1，總回饋功率P2全部由電池吸收儲存；若P2>P1，則制動功率優先回饋給電池P1，多余的回饋功率由制動電阻釋放，即制動電阻釋放功率為P2-P1[8]。

2 試驗驗證

現有額定44.6 kW的制動電阻和電阻控制器，加裝在某純電動客車上做IIA型制動試驗；另驗證當車輛回饋功率減小時，制動電阻的釋放功率P是否跟隨回饋功率P2變化，使電阻工作時不額外損耗電池電量；及驗證當電池允許回饋下，整車是否分配回饋功率。

2.1 IIA型制動試驗驗證

整車控制器設定車輛在車速為30 km/h，雙電機執行的回饋扭矩322 N·m剛好滿足車輛在斜坡上受力平衡的要求，試驗時SOC值為100%，電池不允許回饋能量，用牽引車牽引車輛，模擬IIA型制動試驗工況。

如表1和圖2所示，車輛在外力的牽引下，車速穩定在30 km/h，持續執行制動回饋，回饋功率和制動電阻上釋放的功率均約為44.6 kW，持續時間大于12 min(試驗距離大于6 km)，電機回饋扭矩與理論值相等，示波器測得母線無沖擊電壓、電池端無充電電流[9]，滿足IIA型試驗要求，具備緩速制動性能。

表1 車速、回饋扭矩和釋放功率測試數據表

圖2 母線電壓、電阻電流、母線電流波形圖

2.2 制動電阻釋放功率跟隨性驗證

牽引車以25 km/h牽引車輛，然后將車速降至15 km/h，驗證當回饋功率變化時制動電阻的釋放功率P能否及時響應[9]。

如表2所示，在車速從25 km/h變化至15 km/h的過程中，回饋扭矩跟隨車速變化，因此回饋功率P2也在變化。制動電阻的釋放功率P與回饋功率P2保持一致，證明制動電阻控制跟隨性良好，不會額外消耗電池電量。

表2 車速、回饋扭矩和釋放功率數據表

2.3 整車回饋功率分配試驗

試驗時SOC值為60%電池允許回饋(一般SOC≥95%時電池禁止回饋)，車輛加速至55 km/h后，松油門，踩剎車。

如圖3所示，車輛執行剎車回饋功率P2，當P1≥P2時，回饋能量全部由電池吸收；當P1

圖3 分配回饋功率波形圖

2.4 制動電阻溫度測試

當制動電阻消耗回饋能量時，會大量發熱，試驗全程監測制動電阻的溫度和出風口溫度。

制動電阻持續工作中內部溫度持續升高，經風扇冷卻后溫度趨于穩定，可持續工作；由于制動電阻工作發熱量大，后續可開發水冷制動電阻，以提升散熱性能。

3 結束語

引入制動電阻單元可以解決純電動車滿電不能回饋問題，使車輛在全SOC范圍內都具有緩速制動性能，滿足GB 12676—2014中IIA型制動試驗(緩速制動性能)要求[10]。

在非試驗條件，制動電阻也可以參與制動，提升整車在不同SOC下回饋制動的一致性，改善駕駛員駕駛感受，減輕機械制動負荷[11]。

電阻控制器響應整車控制器命令，可以實時、無極調節制動電阻上的泄放功率，接入回路中不會額外損耗電池電量且智能分配回饋功率。