電動汽車再生制動能量回收最優(yōu)控制策略

電動汽車再生制動能量回收最優(yōu)控制策略

電動汽車在節(jié)能、環(huán)保、車輛性能等方面具有許多優(yōu)勢，但每輛車的充電時間通常很短。再生產(chǎn)動化技術(shù)可以在汽車壓力容量中回收汽車動能，有效提高電動汽車的續(xù)載距離。傳統(tǒng)電動汽車再生制動控制策略主要是制動力分配策略,制定時并未考慮制動工況的影響.提高能量回收的方法多依據(jù)動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電動機(jī)和電池工作特性、制動法規(guī)和相關(guān)約束條件等因素制定,通過控制分配前后軸制動力、電動機(jī)和摩擦制動力,實現(xiàn)能量回收和制動穩(wěn)定性優(yōu)化制動工況分為單次工況和循環(huán)工況.循環(huán)工況多用于電動車性能測試,日常駕駛中駕駛員操作多屬于單次工況,包括滑行和一次制動2種狀態(tài).文中以單次工況為研究工況,主要包含2個因素:制動強(qiáng)度和制動初始速度.筆者以集中電動機(jī)前軸驅(qū)動電動汽車為研究對象,綜合分析單次工況對能量回收效果的影響,得到不同制動初始速度下能量回收最佳的最優(yōu)制動強(qiáng)度,并以能量回收最大化為目標(biāo),提出一種再生制動能量回收最優(yōu)控制策略.通過與理想再生制動控制策略對比,對最優(yōu)控制策略的能量回收效果進(jìn)行評價和驗證.1單次工況下提升制動能量的方式制動時電動汽車動能主要通過行駛阻力和制動系統(tǒng)消耗,制動系統(tǒng)中一部分能量由再生制動系統(tǒng)回收,另一部分由機(jī)械摩擦作用轉(zhuǎn)換成熱能消耗或在能量傳遞過程中損失制動總能量、可回收能量和再生制動回收能量三者之間的關(guān)系如圖1所示.單次工況中,影響制動總能量的因素一般已確定,則此時提高制動回收能量的方式主要有:(1)提高可回收能量,即采用合適的再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少行駛阻力消耗、以合適的強(qiáng)度制動、回收制動能量的驅(qū)動軸要多、分配到驅(qū)動軸上的制動力盡可能多等;(2)提高再生制動回收能量,即減少再生制動系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程損耗,如減少電動機(jī)、電池、傳動系統(tǒng)和控制器等產(chǎn)生的損耗,再生制動系統(tǒng)承擔(dān)的功率應(yīng)與電動機(jī)峰值功率相匹配,電池有能力回收電動機(jī)轉(zhuǎn)化的能量等.再生制動控制策略起到統(tǒng)籌作用,制定時要充分考慮以上影響因素.單次工況中,制動初始速度一般已確定,在其他影響因素確定的前提下,若能選擇合適強(qiáng)度制動,則可以提高可回收能量,進(jìn)而提高再生制動回收能量.2研究方法和模型在聯(lián)合仿真模型中,電動機(jī)、電池和控制策略等模型使用MATLAB/Simulink建立,電動汽車整車模型在CarSim下建立.整車模型基于CarSim中B級車模型,將原車驅(qū)動、制動系統(tǒng)去掉,驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩由MATLAB/Simulink模型提供.研究的車型為集中電動機(jī)前軸驅(qū)動,整車參數(shù):整車質(zhì)量為1231kg;軸距為2.60m;質(zhì)心到前軸距離為1.04m;質(zhì)心高度為0.54m;車輪滾動半徑為0.304m;迎風(fēng)面積為1.6m為方便研究,建模時做如下假設(shè):(1)CarSim中車輛模型都是傳統(tǒng)汽車,建立電動汽車整車模型時,忽略各模塊修改帶來的質(zhì)量變化;(2)假定電動汽車行駛在平直路面上,忽略坡度和彎道帶來的影響,仿真時取路面附著系數(shù)為0.8;(3)本文不深入研究電動機(jī)和電池效率、傳動系統(tǒng)效率帶來的影響,建模時依據(jù)試驗數(shù)據(jù),統(tǒng)一電動機(jī)工作效率為92%,電池充放電效率為91%,傳動系統(tǒng)效率為99%;(4)單次工況制動終止車速為0km·h電動機(jī)實現(xiàn)動能和電能之間的轉(zhuǎn)換,理想電動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性為低于額定轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩輸出,高于額定轉(zhuǎn)速恒功率輸出3最佳振動強(qiáng)度理論與模擬分析3.1理想再生制動控制策略再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可依據(jù)電動機(jī)和摩擦制動系統(tǒng)起作用的方式分為串聯(lián)和并聯(lián)2類,研究的車型采用串聯(lián)結(jié)構(gòu),電動機(jī)和摩擦制動力可以單獨(dú)調(diào)整控制.針對不同情況,傳統(tǒng)再生制動分配策略主要包括理想制動力分配策略、并行制動力分配策略和最佳能量回收分配策略等采用的理想再生制動控制策略選用文獻(xiàn)[12]設(shè)計的理想再生制動力分配策略,分配前后軸制動力、前軸電動機(jī)制動力和摩擦制動力.為保證低速制動穩(wěn)定性和電池充電安全性,當(dāng)制動強(qiáng)度z>0.8,SOC>0.95或車速低于10km·h3.2民分子系制動參與工況下最優(yōu)制動強(qiáng)度的確定電動汽車制動和加速時軸荷會發(fā)生轉(zhuǎn)移.制動時,前后軸載荷轉(zhuǎn)移程度受制動強(qiáng)度影響,考慮到理想再生制動力分配策略依據(jù)前后軸載荷比例分配制動力,因此載荷變化時前后軸制動力分配也不同.對于集中電動機(jī)前軸驅(qū)動電動車而言,只有前軸有能量回收的能力,并受前軸電動機(jī)峰值功率限制.當(dāng)前軸分配的制動力高于電動機(jī)可提供制動力時,前軸必然需要摩擦制動力參與,能量回收不是最優(yōu)狀態(tài);當(dāng)制動強(qiáng)度較小時,制動距離將延長,通過滾動阻力和空氣阻力消耗的功率增加,而此時分配給前軸的制動力有可能小于電動機(jī)可提供制動力,沒有充分發(fā)揮電動機(jī)的再生制動能力.綜上可知,制動時若分配給前軸的制動力剛好與電動機(jī)當(dāng)前可提供的制動力相等,前軸摩擦制動力不參與,從而使制動能量回收效果最優(yōu).因此從前軸電動機(jī)峰值制動力考慮,計算出當(dāng)前狀態(tài)下前軸無摩擦制動參與的整車制動強(qiáng)度,即為當(dāng)前工況下可使能量回收最優(yōu)的制動強(qiáng)度.前軸分配的制動力與電動汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)、阻力和制動強(qiáng)度有關(guān),理想狀態(tài)下,當(dāng)前軸制動力完全由電動機(jī)提供時,忽略旋轉(zhuǎn)部分的影響,汽車縱向動力學(xué)方程如下:式中:m為整車整備質(zhì)量;g為重力加速度;F式中:a為質(zhì)心到前軸的距離;h式中:T式中f為滾動阻力系數(shù).式中:A為迎風(fēng)面積;C由式(1)-(5)得到理論最優(yōu)制動強(qiáng)度:考慮到低速制動穩(wěn)定性、日常行車速度和本車最高車速(130.0km·h從圖3可以看出:理論最優(yōu)制動強(qiáng)度變化曲線與電動機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線變化趨勢相近,說明電動機(jī)工作特性是影響z理論分析過程建立在理想狀態(tài)下,只考慮了電動機(jī)工作特性、理想制動力分配和阻力對最優(yōu)制動強(qiáng)度分布的影響.考慮到能量回收效果還與制動持續(xù)時間有關(guān),而制動持續(xù)時間受z影響.制動持續(xù)時間不同時,制動距離、阻力消耗能量、回收能量、電池?fù)p耗等不同,這些因素都是理論分析所不能考慮全面的.針對這一情況,將采用仿真分析法研究實際運(yùn)行過程中最優(yōu)制動強(qiáng)度分布規(guī)律.3.3最佳振動強(qiáng)度模擬分析采用制動能量回收率(α式中:v采用制動阻力消耗率(α3.3.1正交試驗設(shè)計根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計中格列汶科定理,可以利用樣本去推斷總體,另外考慮到制動工況中單一因素對制動能量回收的影響存在一定規(guī)律3.3.2最優(yōu)制動強(qiáng)度l采用前文的理想再生制動控制策略,研究實現(xiàn)能量回收最佳的最優(yōu)制動強(qiáng)度分布規(guī)律,典型車速采樣點(diǎn)下制動能量回收率和制動阻力消耗率隨制動強(qiáng)度的變化曲線分別如圖4,5所示,仿真最優(yōu)制動強(qiáng)度(z從圖4,5可以看出:單次工況中v從圖6可以看出:v從圖7可以看出:隨著車速的增大,α綜上所述,采用最優(yōu)制動強(qiáng)度制動時,整車需求制動力、前軸分配制動力、電動機(jī)制動力、摩擦制動力和阻力可以協(xié)調(diào)到實現(xiàn)能量回收率最高的最佳匹配點(diǎn).v4動態(tài)能量回收是最有效的控制策略4.1最優(yōu)控制策略設(shè)計從理論和仿真分析結(jié)果得出,仿真最優(yōu)制動強(qiáng)度z為反映最優(yōu)制動強(qiáng)度變化規(guī)律,采用最小二乘法對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合.依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布特點(diǎn)和擬合經(jīng)驗,在滿足擬合精度的約束下,選用10次多項式擬合最優(yōu)制動強(qiáng)度數(shù)據(jù),獲得最優(yōu)制動強(qiáng)度擬合方程:式中:z最優(yōu)制動強(qiáng)度擬合數(shù)據(jù)曲線如圖8所示,仿真點(diǎn)在擬合曲線附近分布比較均勻,偏離程度較小,說明擬合曲線能較好地反映仿真最優(yōu)制動強(qiáng)度的變化趨勢.結(jié)合前文理想再生制動控制策略和最優(yōu)制動強(qiáng)度的分析,制定再生制動能量回收最優(yōu)控制策略,在不同制動初始速度下提高能量回收效果.最優(yōu)控制策略主要包含2部分:制動力分配(前后軸制動力分配、電動機(jī)和摩擦制動力分配)和最優(yōu)制動強(qiáng)度控制.制動力分配、驅(qū)動和制動模式判別采用前文提到的理想再生制動控制策略,最優(yōu)制動強(qiáng)度根據(jù)式(9)計算得到,與v單次工況下,首先判斷制動模式和再生制動工作條件,依據(jù)v4.2最優(yōu)控制策略比較選取3個試驗制動初始速度(不包含在正交表內(nèi)):30.0,50.0,80.0km·h從表2可以看出:再生制動能量回收最優(yōu)控制策略的能量回收率均比理想再生制動控制策略高,制動能量回收最優(yōu)控制策略可以依據(jù)制動初始速度計算最優(yōu)制動強(qiáng)度,并按照此強(qiáng)度制動,達(dá)到了提高制動能量回收率的目的.最優(yōu)控制策略工作時,可能導(dǎo)致制動距離和持續(xù)時間較長,可應(yīng)用于對制動距離和持續(xù)時間要求較低的場合.5再生制動能量回收策略設(shè)計1)制動單次工況中,通過分析制動強(qiáng)度與制動能量回收效果之間的關(guān)系,獲得能量回收效果最佳的最優(yōu)制動強(qiáng)度,使用最小二乘法獲得最優(yōu)制動強(qiáng)度擬合方程,并結(jié)合理想再生制動控制策略,設(shè)計再生制動能量回收最優(yōu)控制策略,以提高單次工況下能量回收效果.與理想再生制動控制策略進(jìn)行