电动方程式赛车制动能回收系统的研究

电动方程式赛车制动能量回收系统研究
蔡道清
摘要：永磁同步电机具有高效率、高转矩密度等优点，被广泛地用作电动汽车牵引电机。

本课题设计的电动方程式赛车使用两台永磁同步电机，独立驱动左右两侧的后轮。

本文主要研究永磁同步电机在弱磁控制下的制动原理，结合电动汽车驱动系统(包括永磁同步电机、逆变器和电池)模型以及方程式赛车的比赛项目，分析了电动方程式赛车的能量回收效率并制定了最优的能量回馈控制策略。

关键词：永磁同步电机；弱磁控制；电动方程式赛车；制动能量回馈
Braking Energy Recovery System of Electric Formula Car
Daoqing Cai
Abstract：The permanent magnet synchronous motors (PMSM) is widely adopted for traction motor in the electric
vehicles (EV) with the advantage of high efficiency and high torque density.The Electric Formula Car designed and made by this project is equipped with two PMSM which drive two rear wheel independently.In this paper, the principle for electric braking control of PMSM under field-weakening-control was studied.Besides, the model of the electric drive system (including PMSM, inverter and battery) was established. Considering the competition event of FSEC(Formula Student Electric China),the energy regenerative efficiency was analysed and the optimal regenerative braking control strategy was obtained.
Key words：permanent magnet synchronous motor (PMSM);field weakening control; electric formula car; regenerative braking
0 国内外研究现状
国际上的电动车辆再生制动技术经过长时间的研究，研究方法多样，技术储备良好，已经从简单的性能仿真、理论验证发展为产品开发试验、实车应用，并已经开始产业化和市场化，取得了很大进展。

特别是各大跨国汽车公司与高校、政府展开合作，已经成功将再生制动技术应用于量产的各类电动车辆，实现了再生制动技术的市场化和产业化。

国内市场目前已经出现了多款纯电动车型，但是离实现大规模产业化和市场化还有一定距离，其再生制动系统作用有限，经济性功能未能得到良好体现。

1 制动能量回收的原理
通过具有可逆作用的发电机/电动机来实现电能和汽车动能的转化。

在汽车制动或减速时，发电机/电动机以发电机形式工作，汽车行驶的动能带动发电机将汽车动能转化为电能并储存在储能器（蓄电池或者超级电容器）中；在汽车启动或者加速时，发电机/电动机以电动机形式工作，将储存在储能器中的电能转化为机械能给汽车。

图1 制动能回收
2 控制策略研究
建立整车动力学模型、电机模型以及轮胎模型。

确定在不同车速以及不同制动踏板深度下，需要输出到四个车轮的制动力矩的大小，合理分配液压制动力以及电机所能提供的回馈制动力的大小。

确定在电池不同SOC状态下，是否向电池充电以及能承受的充电电流大小。

图2制动回收系统控制逻辑图
3 制动能回收系统的实现
大赛耐久测试项目对整车的耐久性能与稳定性能提出了较高的要求，为了实现赛季初制定的轻量化目标，同时能保证电池电量足够完成耐久赛程，我们开发了制动回收控制算法，有效提高能量利用效率，从而减少电池的总容量，减轻整体重量，提升赛车的动力性能。

首先在Simulink中建立了PMSM电机、驱动器、电池模型以及整套的车辆动力学模型，在考虑电池电量，制动踏板深度，车速等参数的基础上，实时控制回馈制动力与液压制动力的大小，得到了基于回馈功率最大的控制策略。

然后将其编写成labview程序，在整车控制器CRIO中实现，通过实车测试，不断调整回馈制动力矩系数，电液制动比等参数，最终使制动平顺性与制动回收效率达到最佳的协调。

在22km的耐久测试中，电制动回收的能量能够达到0.84kwh，从而减少了4.14kg的电芯。

图3整车Simulink模型
图4有无制动回收策略的功率曲线对比
图5有无制动回收策略的车速曲线对比
使用基于回馈功率最大的制动控制策略后，制动时的回馈功率明显高于无制动控制策略时的回馈功率，减速也更快。

在1s的制动回馈时间里，有制动控制策略时回收的能量达到了5891.5J，而无制动回收策略时，消耗了1717.5J的能量。

同时，无制动控制策略时，车速在1.5s的时间内从最高101.4km/h减小到了83.5km/h，有制动控制策略时，相同时间内，车速从最高101.4km/h减小到了65.3km/h，比无制动控制策略时快101.7%。

4 结论
设计一套高效可靠的制动能量回收系统可以有效地增加FSAE赛车动力系统的能量利用效率，减少电池的总重量，实现整车的轻量化设计，极大地提升赛车的动力性能和过弯性能。

而在乘用车上安装制动能回收系统，可以提高电动汽车的能量利用率，延长电动汽车的行驶里程，降低汽车制动器的热衰退，提高汽车的安全性和可靠性。