纯电动汽车制动能量回收策略优化研究

2023年12月10日发(作者：五菱凯捷配置参数)

纯电动汽车制动能量回收策略优化研究

摘要：纯电动汽车的主要缺点之一是续航里程不足，尽可能提升电动汽车制动能量回收率显得尤为重要。基于某气压制动的电动专用车，综合考虑驱动电机、动力电池和相关法规等多种因素的影响，制订制动能量回收控制策略，运用Cruise和Simulink平台进行联合仿真，分析其对车辆行驶里程的影响，验证该策略的有效性。

关键词：纯电动汽车；制动能量回收；策略

引言

随着新能源汽车的发展，越来越多的专用车开始使用纯电动汽车。据相关资料显示，在某些特殊工况，制动所消耗能量的占比甚至超过驱动电机输出能量的30%，因此高效回收制动能量对于提高电动汽车续航里程有着非常积极的作用，同时也可以延长机械制动系统的使用寿命。

1.系统方案设计

制定电动汽车制动能量回收控制策略应考虑的关键的问题是：确保制动安全性的前提下如何分配机械制动力与电机再生制动力，尽可能多地回收制动能量。目前，研究较多的制动能量回收控制策略主要有理想制动力分配策略、最佳制动能量回收策略和并联式制动能量回收控制策略。理想制动力分配策略是对机械制动和电机再生制动独立控制，分别调节两种制动力在前后轮的分配从而实现前后轮制动力分配满足理想制动力分配I曲线。最佳制动能量回收策略是在满足制动强度需求下，最大化进行制动能量回收。并联式是保持原车机械制动系统不变，再生制动与机械制动两者叠加施加到前后轴上。三种策略对比分析如表1所示。本文研究的目标车型为纯电动物流运输车，拟选用并联式制动能量回收控制策略。

表1典型制动能量回收控制策略对比 2.再生制动限制因素

2.1电机最大转矩

电机正常工作时的特性为：在额定转速以内，电机以恒转矩运行；在额定转速以外，电机以恒功率运行。而电机再生制动转矩和电机工作输出转矩具有对称性，同时当电机以发电状态工作时存在一个最低转速，电机所能提供的最大制动转矩为：

式中：Tm_mot为电机最大制动转矩（N·m）；Tmax为电机峰值转矩（N·m）；Pmax为电机峰值功率（kW）；n为电机转速（r/min）；n0为电机发电状态最低转速（r/min）；nb为电机额定转速（r/min）。

2.2电池充电功率锂电池充电电路方程为：

中：U表示电池端电压（V）；E表示电池电动势（V）；Ic表示充电电流（A）；R表示电池内阻（Ω）。电池最大充电功率可表示为：

中：Pc_max表示电池最大充电功率（W）；Ic_max表示电池最大充电电流（A）。结合电机工作时输出功率，可以得到电池充电功率限制下的电机再生制动力矩为： 电池充电过程中，电池SOC（StateofCharge，荷电状态）会影响其充电效率，不同SOC情况下，电池允许的最大充电电流不同。同时当SOC大于90%时，充电电流很小，为保护电池，防止过充，该情况下应关闭电机再生制动。

3.制动能量回收控制策略

系统输入信号有：电池荷电状态（SOC）、制动踏板位移（X）和当前车速（V）。电池的SOC信号有两种状态：当SOC小于90%时，电机再生制动正常介入工作；当SOC大于90%时，关闭电机再生制动。制动踏板位移X，首先设定一个制动踏板开度阈值X1和踏板速度阈值Y1。若踏板位移X大于位移阈值X1或者踏板速度Y大于速度阈值Y1，说明需求制动强度较大，则机械制动和电机再生制动同时介入；反之说明所需制动强度很小，仅电机再生制动介入。汽车车速V，电机充电存在最小转速，低于此转速时再生制动不工作。为此可以将车速分为两种情况：当车速V≤V0（V0为电机最小转速n0对应的车速），此时车速很低，电机转速也很低，电机能提供的再生制动力矩很小，为了安全起见，无论制动踏板踩踏情况如何，仅机械制动介入，电机再生制动不介入；当车速V>V0，此时电机可以提供一定的制动力矩，设定制动踏板深度阈值X1和速度阈值Y1，若制动踏板位移超过阈值X1或者速度超过Y1，此时所需制动力较大，机械制动和电机再生制动同时介入；若制动踏板位移和速度没有达到设定的阈值，说明此时所需制动力较小，则只需电机再生制动介入，电机再生制动按所需制动强度计算。

4.建模与仿真分析

4.1整车建模

使用Cruise建立整车模型所需的主要模块：整车模块、电机模块、蓄电池模块、驾驶室模块、制动器模块和MatlabDLL模块等。

4.2控制策略建模 输入信号从整车模型读取，主要包括：汽车车速、电机转速、温度和SOC。因为制动强度很低时机械制动系统不工作只有电机再生制动工作，所需此时还需要对机械制动系统做一个开关控制，读取制动踏板开度信号，经过相关计算输出机械制动系统控制信号。针对电机再生制动强度，根据电机最大转矩和电池充电功率限制，可以得出电机可提供的最大再生制动力矩。最后根据相应制动强度，将得到的再生制动力矩和车辆本身所能提供的最大力矩相比较，取较小值输出即可。

4.3联合仿真分析

相关调查显示，有70%物流企业日均运输距离在200km以内，本车厂标续航170km，如果可以将其提高到200km以上，可认为该策略有效。本文研究的车型为电动物流运输车，主要在城市道路运行。城市工况的最高速不超过70km/h，各工况平均速度较低，加速、减速、匀速占比基本相同，城市行驶中起动停止较为频繁。不加控制策略和能量回收系统时，SOC从初始值80%降到了76.8065%，消耗了3.1935%；加了制动能量回收控制策略后SOC从初始值80%降到了77.4893%，消耗了2.5107%。仿真结果如表2所示。

表2仿真结果

结语

本文综合考虑了电机、电池和制动法规对电机再生制动力的限制，在制定控制策略中又充分考虑到了SOC、车速和制动踏板开度对能量回收的影响，最后用软件仿真进行了对比分析。仿真结果显示制动能量回收的总能量占到驱动消耗总能量的21.38%，将本车型续航里程从170km提高到206km左右，该控制策略有效。考虑该方案经济型和系统结构可靠性，在运输车上还是具有一定实用价值。

参考文献 [1]盖福祥，杜家益，张彤.混合动力汽车再生制动的归类及其应用[J].汽车工程，2011，33(03):222-225+230.

[2]宋士刚，李小平，孙泽昌.基于混合系统理论的串联式再生制动控制策略分析[J].汽车工程，2015，37(03):313-320