制动工况对对电动汽车制动回收能量影响的分析

制动工况对电动汽车制动能量回收影响分析

摘要：为提高再生制动能量回收效果，本文从制动工况角度出发，分析了制动工况对再生制动能量回收效果的影响。制动工况包括制动初速度和制动强度两个因素，通过在Matlab/Simulink 与Isight 建立联合仿真平台，对由制动初速度和制动强度组成的连续设计空间进行试验设计(DOE)，分析两者对制动能量回收效果的影响关系，得到两者对能量回收的贡献率，为驾驶员制动提供指导依据。

关键词：电动汽车；再生制动；制动强度；制动初速度；工况分析；

前 言

随着能源和环境问题日益突出，电动汽车已成为替代传统内燃机汽车的最佳选择。受限于当前技术条件，电动汽车续驶里程普遍较短，电动汽车节能技术成为电动汽车研究的重要方面，其中再生制动作为电动汽车节能主要手段，受到国内外学者广泛关注[1-2]。设计阶段的电动汽车结构和动力系统设计、运行阶段的控制策略和制动工况等都是影响再生制动能量回收效果的因素[3]。

目前，制动工况方面的分析研究，多集中对制动工况进行解耦，分别研究制动初速度和制动强度对制动回收能量效果的影响[4-6]，并未综合分析制动工况各因素影响能量回收效果之间的耦合关系，或分析制动强度与制动初始速度对能量回收效果贡献大小。

制动工况分为两种，单次制动工况和循环制动工况[7]，循环制动工况多用在试验条件下对电动车性能测试，日常驾驶中更多应用的是单次制动工况。单次制动工况为本文研究工况，其影响因素包含两个方面：制动强度(z )和制动初速度。

本文以较为普遍的集中电机前轴驱动电动汽车为研究对象，采用制动稳定性较好的理想制动力分配策略，利用Matlab/Simulink 与Isight 建立联合仿真平台，对由制动初速度和制动强度组成的连续设计空间进行试验设计(DOE)。采用最优拉丁超立方设计(Optimal latin hypercube design ，OptLHD)对连续设计空间进行采样，分析制动回收能量与制动初速度和制动强度之间的关系，分析制动工况对制动能量回收的主效应和交互效应，和影响制动能量回收的主次因素。

1 制动能量回收影响因素分析

再生制动时受各种阻力损耗、摩擦制动器消耗、电机和电池工作特性和效率、相关部件工作效率等方面的影响，未能将制动动能完全转化为电能存储在蓄电池中。综上各方面将主要因素分为一下三类：

(1)影响制动总能量的因素，制动总能量计算公式为()222

1e s v v m E -=（式中，E 为制动总能量，kJ ；m 为电动车整备质量，kg ；s v 和e v 分别为为车辆制动初始和终止速度，1s m -⋅ ），得出影响因素主要是制动初速度、电动汽车整备质量等。

(2)影响可回收能量的因素，如制动强度、车辆结构（滚动阻力消耗、空气阻力消耗等）、制动力分配策略（摩擦制动损耗）等。

(3)影响再生制动回收能量的因素，如驱动系统布置、电机和电池工作特性、传动系统特性、各部件及传递线路损耗、控制器损耗等。

以上影响因素主要归为四个方面：车辆结构、动力系统结构、制动工况、制动控制策略，在设计阶段车辆结构、动力系统结构和控制策略确定后，制动工况成为可根据驾驶员主观操纵的影响再生制动能量回收效果的唯一因素。

2 仿真模型与验证

2.1 理想再生制动力分配策略

本文采用文献[8]中制定的理想制动力分配策略。理想再生制动力分配策略可以保证前后轴制动力得到合理分配，制动稳定性好，该策略包含制动力在前后轴的分配及在电机制动力与摩擦制动力之间的分配两部分。分配电机制动力和摩擦制动力时要优先利用电机制动力，不足部分再由摩擦制动力补充。

2.2 建立仿真模型

使用MATLAB/Simulink 建立整车、电机、电池和控制策略等模型，整车参数如表1所示。

表1 整车参数

(1)假定车辆行驶在平直路面上，忽略坡度和弯道带来的影响。

(2)本模型主要研究制动工况对能量回收影响，不深入研究电机和电池效率带来的影响，依据试验数据，统一电机工作效率为92%，电池充放电效率为91%，电机转化的能量都能被电池存储。

(3)单次制动工况制动终止车速为零。

2.2.1 整车模型

本文主要研究车辆制动过程，所以建模时不考虑横向和垂直力的影响，平直道路制动时电动车纵向动力学方程为：

b D F -v A C -mgf -dt dv m 22

1ρδ= (1) 式中：b F 为整车需求制动力，N ；g 为重力加速度，2s m -⋅；f 为滚动阻力系数；D C 为空气阻力系数；A 为车辆迎风面积，2m ；ρ为空气密度；v 为车辆速度，1s m -⋅；δ为汽车旋转质量换算系数。

2.2.2 电机模型

电机实现动能和电能之间的转换。理想电机转矩特性是：低于额定转速恒扭矩输出，高于额定转速恒功率输出[9]，表示为：

⎩

⎨⎧>≤=rated max m rated max n n n /P n n T T 9550 (2) 式中：T 为电机转矩，m N ⋅；max T 为电机峰值转矩，m N ⋅；mmax P 为电机峰值功率，W k ；

n 为电机转速，1min r -⋅。

电机模型依据试验数据采用查表方式建立，制动时依据实时车速查得所能提供最大再生制动力并输入到控制策略模块计算实际可提供电机制动力，并按控制策略分配制动力。选用电机的相关参数如表2所示。

表2 电机参数

电机峰值

（额定）功率/W k

60（30） 电机额定转速/1min

r -⋅ 1500 电机最高转速/1min r -⋅

4500 2.2.3 电池模型

本文忽略电池温度对电池性能的影响，采用电池Rint 模型[10]，其充放/电特性：

()I IR E P b ±= (3)

式中，b P 为电池充/放电功率，W k ；E 为电池开路电压，V ；R 为电池等效内阻，Ω；

I 为充/放电电流，A 。

电池充放/电SOC 计算选用Peukert 模型[10]，其计算公式为：

dt C I SOC SOC p

k

⎰±=0 (4) 式中：0SOC 为SOC 初始值；p C 为电池容量，h A ；k 为Peukert 系数，选用为1.2。选用

的电池模型参数如表3所示。

表3 电池参数

Tab. 3 Battery Parameters

参数 指标

电池额定电压/V 320

电池额定容量/(A h ⋅)

80 最大充电电流/A

100 最大放电电流/A

180 2.3 再生制动能量流动

当轮毂电机处于发电状态时，符合以下功率平衡：

m

m v P P η= （9） 式中：v P 为输入电机的机械功率；m P 为电机发电输出功率，9550

Tn P m =；m η为电机工作效率，受机械损耗、铁损、铜损等影响。

不考虑电机发出的电能在传递到电池过程的损失，则电池回收功率为：

r m P P η⋅=b （10）

式中：b P 为电池回收功率；r η为电池充电效率，受电池内阻等影响。

2.4 模型验证

为验证模型准确性和精度，与CarSim 进行联合仿真，验证循环工况采用中国城市乘用车道路循环工况(CCDC)，验证结果如图1所示：

图1 联合仿真速度变化曲线 从图1可以看出，仿真模型速度与CCDC 标准速度差别不大，跟随性较好，说明模型准确可靠，精度较高，满足使用要求。

3 制动工况对能量回收影响分析