纯电动客车最佳制动能量回收控制策略研究_初敏

纯电动客车最佳制动能量回收控制策略研究
初 敏， 高 松， 杨 坤， 张 琼， 李 博， 温延兵
（ 山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049 ）
摘要：为了充分回收电动汽车制动过程中的制动能量， 达到延长续驶里程和节约能源的目的， 针对后驱纯电动 客车进行了最佳制动能量回收控制策略的研究 。在分析制动能量回收系统结构的基础上， 考虑驱动电机和动 力电池对电机制动力大小的限制， 提出了一种最佳制动能量回收控制策略， 该策略在保证制动安全的前提下， 能回收尽可能多的制动能量 。并基于 Cruise 和 Simulink 联合仿真平台， 搭建了整车仿真模型， 进行了仿真验 证， 仿真结果表明在中国典型城市循环工况中采用该制动能量回收控制策略， 所回收的制动能量占制动过程 中消耗的动能的比例可达 24. 7% ， 占制动系统所消耗的总能量的比例可达 36. 2% ， 节能效果明显。 关键词：纯电动客车；制动能量回收；控制策略；制动力分配；仿真 中图分类号：U469. 72 文献标识码：A 7445 （ 2015 ） 02035710 文章编号：1001-
Study on control strategy of optimal braking energy recovery for pure electric bus
CHU Min， GAO Song， YANG Kun， ZHANG Qiong， LI Bo， WEN Yanbing
（ School of Traffic ＆ Vehicle Engineering， Shandong University of Technology，Zibo 255049 ，China）
［46 ］ ［7 ］ 。同时， 有了电机制动的参与， 可以减少制动器的磨损 。
储存在动力电池中， 得以再次利用
8］ 近几年， 对电动汽车制动能量回收已进行诸多研究 ， 如文献［ 提出了电机再生制动力和摩擦制动 9］ 力以及整车前、 后轮制动力的联合控制策略， 但主要是针对前驱的微型电动车； 文献［ 中提出的电动 汽车机电复合制动力分配策略， 其前后轮的制动力分配按照理想制动力 I 曲线分布， 有效的保证了制动 10］ 安全， 但不能尽可能多的回收制动能量 。文献［ 中提出了一种考虑变速器挡位影响的分段复合再生 制动控制策略， 但并没有针对最佳制动能量回收的控制策略进行详细的分析 。 本文以后驱纯电动客车为研究对象 ， 为了在保证制动安全性和驾驶平顺性的前提下 ， 尽可能多的回 收制动能量， 提出了一种后轴最佳制动能量回收控制策略 。 在 Matlab / Simulink 环境中建立制动能量回 收控制模型， 并结合 AVL Cruise 仿真软件进行仿真分析。
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0
引
言
［12 ］
纯电动客车主要运行在城市工况下 ， 而研究表明， 在典型市区行驶循环中， 纯电动客车消耗的制动 能量大约占总驱动能量的 50% 左右 力
［3 ］
。 对于电动汽车而言， 它的一个优势就是其回收制动能量的能
。车辆在减速滑行或制动过程中， 从而将车辆的动能转化成电能， 并 驱动电机可运行在发电状态，
第 40 卷 第 2 期 2015 年 4 月
广西大学学报（ 自然科学版） Journal of Guangxi University（ Nat Sci Ed）
Vol． 40 No． 2 Apr． 2015
doi：10. 13624 / j. cnki. issn. 10017445. 2015. 0357
［15 ］
。其最大制动转矩与功率、 转速的关系式为：
T m_mot
（ n ≤ n0 ） 0 T （ n0 ＜ n ≤ n b ） = Mmax ， 9550 P M max （ n ＞ nb ） n
（1）
单位 N · m； T Mmax 为电机峰值转矩， 单位 N · m； P Mmax 为电 其中： T m_mot 为电机可提供的最大制动力矩， 单位 r / min；n0 = 500 r / min。 单位 kW；n 为电机转速， 单位 r / min；n b 为电机额定转速， 机峰值功率， ② 电池最大可充电功率的限制 图 2 为电池充电过程中的等效电路图 ， 电池功率与电池 电动势、 电流和电池内阻有如下关系： P b_max = （ E － I max Ｒ ） ·I max ， （2） 单位 kW； E 为电池电 其中： P b_max 为电池的最大充电功率， 单位 A；Ｒ 为电池内 动势， 单位 V； I max 为电池最大充电电流， 阻， 单位 Ω。 电池最大充电功率对再生制动力矩的限制如下 ：
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图3 Fig. 3
后轴最佳制动力分配
Ｒear axle maximum braking force distribution
在进行前后轴制动力分配时， 制动力 图 3 中绘制的 ECEＲ13 制动法规曲线限定了最小后轴制动力 ， 分配点不能出现在该曲线的下方 组成， 即： F u = F f + F r = Mj ， F r = F r_mech + F m_reg ， 单位 kg； F r_mech 为后轴机械制动力， 单位 N。 单位 N； M 为整车质量， 且 j / g ＜ 0. 7 时， 前后轴上的制动力在满足 当车辆在附着系数为 0. 7 的路面上以制动强度 j / g 制动， ECE （ 联合国欧洲经济委员会汽车法规 ） 规程的前提下， 根据总制动力要求（ 即 F f + F r = Mj ） 进行施加。 前后轴上的制动力取决于制动强度和路面附着系数， 在一 但是制动性能要求没有车轮出现抱死 ， 因此， 定范围内可变。具体情况分为以下几种： ① 对于较低的驾驶员制动强度需求 ， 例如当 j / g = 0. 2 时， 制动力分配范围是 a － b。情况如下： 1 ） 若电机能够提供的最大再生制动力大于或等于 a 点所对应的后轴制动力， 则总制动力全部由 再生制动力承担。 2 ） 若电机能够提供的最大再生制动力 （ 由点 e 确定） 小于 a 点所对应的后轴制动力， 此时按 f 点来 进行制动力分配， 且后轴制动力全部由再生制动力承担 。 ② 对于中等的驾驶员制动强度需求 ， 例如当 j / g = 0. 5 时， 制动力分配范围是 c － d。 1 ） 若电机能够提供的最大再生制动力大于或等于 c 点所对应的后轴制动力， 则按 c 点来进行前后 轴制动力分配， 且后轴制动力全部由再生制动力承担 。 2 ） 若电机能够提供的最大再生制动力小于 c 点对应的纵坐标值， 大于 d 点对应的纵坐标值， 用h （6） （7）
1
成
制动能量回收系统设计
电池、 主减速器、 逆变器、 整车控制器及再生制动控制器等组 本文采用的再生制动系统主要由电机、
［ 11 ］
， 首先再生制动 ECU （ 电子控制单元） 根据制动踏板位移来识别 其结构如图 1 所示。在车辆制动时，
驾驶员的制动需求， 从而得出整车所需的总制动力， 然后根据从电机、 电池、 轮速传感器获取的状态信息， 计算出当前电机再生制动力的大小。综合判断当前的制动状态， 并合理的分配前后轴制动力及驱动轮上 的电机制动力和机械制动力 车的目的。
1009 ；修订日期：20141202 收稿日期：2014“863 ” 基金项目：国家 高性能镍氢动力电容电池及电动汽车应用考核项目（ 2012AA110305 ） 通讯作者：高 ）， mail：gs6510@ 163． com。 松（ 1965男， 山东潍坊人， 山东理工大学教授， 工学博士；E-
T m_bat =
{
9550 ·P b_max nb 9550 ·P b_max n
（ n ≤ nb ） 。 （ n ＞ nb ） （3）
Fig. 2
图2
电池等效电路图
Battery equivalent circuit diagram
根据以上电机峰值转矩和电池最大允许充电功率 ， 对电机再生制动力进行了限制。 制动时电机再 生制动转矩应为两者的最小值， 即： T m_bat ） 。 T m_reg = min（ T m_mot ， 因此， 可得出电机再生制动力 F m_reg 如下： F m_reg = T m_reg ·i0 ·η t ， r （5） （4）
［ 1213 ］
， 最后通过压力调节装置将分配好的制动力传递给各个车轮， 达到制动停
图1 Fig. 1
再生制动系统结构示意图
Schematic diagram of regenerative braking system
第2 期
初
敏等：纯电动客车最佳制动能量回收控制策略研究
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2再生制动力的限制 NhomakorabeaAbstract： In order to fully recover the braking energy of electric vehicles in the braking process，to extend the driving range and to save energy ，the control strategy of optimal braking energy recovery for reardrive pure electric bus is studied． By analyzing the structure of the braking energy recovery system and considering the restrictions of drive motor and power battery for the size of the motor braking force， a control strategy for optimal braking energy recovery is proposed to recycle braking energy as much as possible on the premise of ensuring the braking safety． The vehicle simulation model is built and a simulation is conducted by using an integrated simulation platform of Cruise and Simulink． The simulation results show that the proportion that recyclable braking energy accounts for the kinetic energy consumed in the process of braking can reach 24. 7% and the proportion that recyclable braking energy accounts for the braking energy can reach 36. 2% by using this control strategy of braking energy recovery in typical urban driving cycle of China． The effect of energy saving is obvious． Key words： pure electric bus； braking energy recovery ； control strategy ； braking force distribution； simulation
单位 N·m； i0 为主减速器的传动比； η t 为电机到车轮的机械传动效 其中： T m_reg 为电机再生制动转矩， 率； r 车轮半径， 单位 m。
3
制动能量回收策略
本文研究的电动汽车的驱动轮为后轮 ， 在制定控制策略时， 应向后轴分配更多的制动力， 从而将有
更多的制动能量得到回收利用。在此， 假设汽车行驶在沥青（ 湿） 路面上， 路面附着系数为 0. 7 。 图 3 为 后轴最佳制动力分配策略图。
电动汽车制动能量的回收过程受电机的制动能力 、 发电能力以及电池的充电功率的影响 。因此， 再
［14 ］
生制动力的确定就需要考虑电机和电池的限制条件 ① 电机最大制动转矩的确定
。
当电机的转速过低时， 电机的能量损耗大于它所能回 电机的工作特性为低速恒转矩、 高速恒功率， 收的制动能量， 所以在低速时， 关闭再生制动功能