基于分布式線(xiàn)控制動(dòng)系統的能量回收技術(shù)研究

盧明宇, 李 進(jìn)*, 王 磊, 司志遠, 苑鳳霞, 高 宇

(1.安徽科技學(xué)院 機械工程學(xué)院,安徽 鳳陽(yáng) 233100;2.安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院,安徽 蚌埠 233030)

隨著(zhù)能源危機加劇,全球陷入能源恐慌,加之環(huán)保因素,電動(dòng)汽車(chē)得到了人們的重視,但是續航能力制約了其發(fā)展速度,所以針對電動(dòng)汽車(chē)續航問(wèn)題的研究是當下迫切需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。研究表明,電動(dòng)汽車(chē)能量回收能有效地提升其續航能力[2]。對電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展而言,能量回收已是當下最為迫切需要解決的問(wèn)題。制動(dòng)能量是指汽車(chē)制動(dòng)時(shí)已輸出的機械能;回收是指將汽車(chē)行駛時(shí)的機械能轉化為其他形式(主要是電儲能[3]：即通過(guò)電機儲存在電池中的能量)的能量?jì)Υ嫫饋?lái),以便轉化使用。所以電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收是通過(guò)駕駛員制動(dòng)汽車(chē)時(shí),電機反轉進(jìn)行機械能與電能的轉化,并通過(guò)分布式電機的反轉將汽車(chē)穩定減速或停止下來(lái),同時(shí)電機反轉進(jìn)行的能量轉化給電池,達到電池充電狀態(tài),以增加其續航能力[4]。研究表明,通過(guò)能量制動(dòng)回收可以提升電動(dòng)汽車(chē)續航能力10%～30%。

目前已有學(xué)者針對制動(dòng)能量回收做出相應研究,梁修天等[5]提出一種基于分布式驅動(dòng)電機失效補償法,能有效提升汽車(chē)穩定性,增加能量回收效果,但各部分傳輸效果還需提高。李明等[6]利用分布式線(xiàn)控制動(dòng)能有效地提升制動(dòng)系統各節點(diǎn)的信息傳遞,提升控制的容錯性,增加制動(dòng)的安全性,增加制動(dòng)能量回收效果。朱文靜等[7]利用分布式線(xiàn)控制動(dòng)策略,提升制動(dòng)效果,增加制動(dòng)的安全性。陳贊等[8]在確保制動(dòng)安全性的前提下,從車(chē)速和電池荷電狀態(tài)的角度研究制動(dòng)能量的回收情況,通過(guò)研究發(fā)現,車(chē)速、電池核電荷狀態(tài)對能量回收有一定程度的影響。常九健等[9]從制動(dòng)強度入手,研究不同制動(dòng)系統對能量回收率的影響,得出電子機械制動(dòng)系統不僅反應快,且回收的制動(dòng)能量相對較多,但此研究考慮到制動(dòng)強度變量相對單一,需增加多因素變量研究。陳勇等[10]通過(guò)電機回收力矩研究對電池電量以及汽車(chē)續航里程的影響,得出頻繁制動(dòng)工況下,能量回收更大。

由此可知,分布式線(xiàn)控制動(dòng)技術(shù)能有效地提升能量回收效果。同時(shí)由上述分析可推測車(chē)速、電池SOC、制動(dòng)強度對制動(dòng)能量回收有較大影響,需進(jìn)一步研究制動(dòng)能量回收率的問(wèn)題,本研究基于分布式制動(dòng)系統對電動(dòng)汽車(chē)能量回收進(jìn)行研究,在確保制動(dòng)穩定的前提下,對制動(dòng)強度與制動(dòng)力研究,以及車(chē)速對電機產(chǎn)生的力矩與能量回收的影響進(jìn)行分析,設計出制動(dòng)策略。通過(guò)研究,對分布式線(xiàn)控制系統在制動(dòng)時(shí)能量回收的效果進(jìn)行分析與探討。

1.1 分布式線(xiàn)控制動(dòng)能量回收系統設計

針對傳統制動(dòng)系統的制動(dòng)延遲性、能量損失問(wèn)題,本研究利用控制器、傳感器、電機、電池組設計出制動(dòng)能量回收系統[11-12]。

通過(guò)導線(xiàn)、控制器、傳感器將制動(dòng)踏板與電機、電池組連接起來(lái),形成一個(gè)制動(dòng)、能量回收環(huán),以達到制動(dòng)穩定的能量回收系統。區別于傳統的液壓制動(dòng)系統,電信號傳遞速度相對較快,控制器能精確地計算出制動(dòng)力的大小,并將制動(dòng)強度進(jìn)行前、后軸分配,實(shí)現高效性工作。線(xiàn)控制動(dòng)系統能夠減少復雜的機械及液壓結構,降低傳遞過(guò)程中能量的損耗,同時(shí)降低汽車(chē)自重,節約自身消耗能量問(wèn)題;另外通過(guò)電機的正反轉實(shí)現能量的轉化,使得系統結構相對簡(jiǎn)單。其設計結構如圖1所示。當制動(dòng)系統工作時(shí),踩下制動(dòng)踏板,位移傳感器采集踏板的制動(dòng)信息,將機械位移轉化成電信號傳遞給控制器?？刂破鲗⒆R別駕駛員的控制意圖,并將控制意圖傳遞給上層控制器[13]。上層控制器進(jìn)行制動(dòng)強度的識別以及制動(dòng)模式的選擇,將處理后的信息傳遞給下層制動(dòng)器[14]。下層制動(dòng)器利用制動(dòng)策略進(jìn)行制動(dòng)力分配,達到制動(dòng)效果;同時(shí)通過(guò)車(chē)輪傳感器傳遞制動(dòng)速度、上層控制器傳遞的制動(dòng)強度以及電池組反饋的電池容量(SOC)的大小,確定制動(dòng)能量回收強度。

圖1 分布式制動(dòng)系統結構圖Fig.1 Structure of distributed braking system

1.2 再生制動(dòng)力分配設計

下層控制器進(jìn)行制動(dòng)強度信息處理時(shí),為確保制動(dòng)的穩定性,將每個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)力按照轎車(chē)制動(dòng)力分配曲線(xiàn)進(jìn)行分配[15],由此可對前后車(chē)輪進(jìn)行受力分析表達,如式(1)所示：

(1)

其中,F1為前軸法向反作用力(N);F2為后軸法向反作用力(N);G為整車(chē)重力(N);L為前后軸距(m);a為前軸到質(zhì)心距(m);b為后軸到質(zhì)心距(m);φ為汽車(chē)的利用附著(zhù)系數;h為質(zhì)心高(m)。

當前后輪抱死狀況下,其表達式如式(2)：

(2)

其中,F3為前軸制動(dòng)力(N);F4為后軸制動(dòng)力(N);T1為制動(dòng)力矩(Nhm);R為車(chē)輪半徑(m)。

將上式進(jìn)行整理可以得出F4與F3之間關(guān)系,如式(3)：

(3)

其中,制動(dòng)力矩T1與前、后制動(dòng)力之間關(guān)系如式(4)：

T1=(F3+F4)R

(4)

制動(dòng)強度Z與制動(dòng)力矩T1之間的關(guān)系如式(5)：

(5)

結合式(3)～(5)可以看出,在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中,制動(dòng)強度Z隨著(zhù)前、后制動(dòng)力改變而改變。

為確保制動(dòng)過(guò)程中的安全性,結合ECE R13制動(dòng)法規[16],在制動(dòng)時(shí)對前、后制動(dòng)力進(jìn)行分配,結合計算,本研究中前、后制動(dòng)強度Z取0.1～0.6。

2.1 電機模型設計

由圖1知,在線(xiàn)控制動(dòng)能量回收的整個(gè)過(guò)程中,電機是能量轉化中核心部件之一。其正反轉的不同決定著(zhù)電機是驅動(dòng)的能量輸出,還是制動(dòng)的能量回收,以及制動(dòng)能量回收的效果。所以對電機的分析至關(guān)重要。

無(wú)論是在汽車(chē)行駛過(guò)程中還是在制動(dòng)過(guò)程中,電機的功率決定著(zhù)驅動(dòng)能耗和制動(dòng)能量的回收效果。因此在分析汽車(chē)能量回收時(shí),從電機功率切入,分析制動(dòng)再生能量在制動(dòng)過(guò)程中的回收情況,從而找出影響能量回收的相關(guān)因素。

電壓、電阻、轉速決定著(zhù)電機回收功率,其表達式如式(6)：

(6)

其中,P為電機功率(W);R為等效電阻(Ω);U為充電電壓(V);K1為反電動(dòng)勢系數;n為電機轉速(r/s)。

由功率的定義知,制動(dòng)能量可以通過(guò)制動(dòng)功率對時(shí)間的疊加來(lái)計算,如式(7)所示：

(7)

將式(6)代入式(7)得式(8)：

(8)

電機轉速表達式如式(9)：

(9)

其中,v為制動(dòng)速度(m/s);s為車(chē)輪滑移率;v0為制動(dòng)初速度(m/s);r為車(chē)輪半徑(m)。

(10)

(11)

當確定好研究方向時(shí),車(chē)型與工況基本已確定,即K1、r、R、s已是定量,本研究為提升制動(dòng)能量回收效果,由式(11)得知,當制動(dòng)初始速度>10 km/h時(shí),能量回收更加顯著(zhù)。

2.2 電池模型

在研究電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統能量回收時(shí),汽車(chē)無(wú)論是在行駛還是在制動(dòng)的過(guò)程中,電池都在做無(wú)差別地放電或充電的工作。但研究發(fā)現[17-18],當電池的容量(SOC)在10%～90%時(shí),電池提供穩定的工作電壓,此階段最適合對電池進(jìn)行充電,也是最適合進(jìn)行制動(dòng)能量回收的階段;當SOC>90%或SOC<10%時(shí),由于電壓不穩定,為了保護電池的使用壽命和增加電池的續航能力,不宜對電池進(jìn)行充電,故此階段下層控制器要進(jìn)行能量回收系統控制,不再進(jìn)行制動(dòng)能量回收[19-20]。

2.3 控制策略設計

制動(dòng)能量的回收受到制動(dòng)強度、制動(dòng)初速度、電池SOC的影響[21-22]。本研究中制動(dòng)強度取0.1～0.6,宜開(kāi)展制動(dòng)能量的回收,當制動(dòng)初速度>10 km/h時(shí),制動(dòng)能量回收占比增大。據此進(jìn)行制動(dòng)策略的設計,其流程如圖2所示,其制動(dòng)能量模型如圖3所示。

圖2 制動(dòng)控制能量回收流程圖Fig.2 Flow chart of brake control energy recovery

圖3 能量回收模型圖Fig.3 Energy recovery model

3.1 仿真搭建

為驗證分布式線(xiàn)控制動(dòng)能量回收系統控制策略的效果,利用Simulink與CarSim進(jìn)行仿真。在不考慮線(xiàn)控傳遞過(guò)程中能量損失的情況下,對分布式模糊控制系統能量回收策略與改進(jìn)后的控制策略進(jìn)行對照,分別在不同路況下進(jìn)行仿真試驗,其中汽車(chē)模型參數如表1所示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 不同工況下速度分析 對ECE、CLTC-P、NEDC工況下進(jìn)行車(chē)速監控,如圖4所示。

圖4 3種工況下速度監控曲線(xiàn)圖Fig.4 Speed monitoring curve under three working conditions

3.2.2 控制策略?xún)?yōu)化前后SOC變化 在3種不同路況下,相同的電池SOC,整個(gè)運動(dòng)過(guò)程中,隨著(zhù)制動(dòng)策略的優(yōu)化,制動(dòng)過(guò)程中電池SOC變化對照仿真結果如圖5所示。

圖5 3種工況下電池SOC變化對照曲線(xiàn)圖Fig.5 Comparison curve of battery SOC change under three working conditions

3.2.3 控制策略?xún)?yōu)化前后能量回收對比 3種路況下,控制策略?xún)?yōu)化前、后能量回收對照仿真結果如圖6所示。由圖4～6可知,在運動(dòng)循環(huán)工況下,隨著(zhù)速度的變化,由能量回收變化示意圖可知,ECE工況下,在57 s時(shí),控制策略?xún)?yōu)化前后制動(dòng)能量回收均增加,但差別不大。但在131 s后優(yōu)化后能量收回率比優(yōu)化前要好,在能量回收結束時(shí),優(yōu)化后的能量?jì)Υ媸?.16×105J,優(yōu)化前是4.32×105J。CLTC-P工況下,在69 s時(shí),優(yōu)化前、后的方案都提升了對能量回收,在能量回收結束時(shí),優(yōu)化后的能量?jì)Υ媸?3.43×105J,優(yōu)化前是4.17×105J。NEDC工況下,在200 s時(shí),優(yōu)化前、后的方案都在提升對能量回收,在能量回收結束時(shí),優(yōu)化后的能量?jì)Υ媸?.85×105J,優(yōu)化前是4.30×105J。按照設計的控制系統,在制動(dòng)反應時(shí)間后,無(wú)論何種路況都能促進(jìn)制動(dòng)能量回收的效果。

圖6 3種工況下能量回收量對照曲線(xiàn)圖Fig.6 Comparison curve of energy recovery under three working conditions

本研究提出在分布式線(xiàn)控制動(dòng)系統的基礎上,優(yōu)化能量回收控制策略。通過(guò)分析電機對制動(dòng)能量回收的影響,以及汽車(chē)前、后軸制動(dòng)力的關(guān)系,在確保制動(dòng)穩定的前提下,采取前、后制動(dòng)分配系數為0.6來(lái)提升制動(dòng)時(shí)能量的回收。

經(jīng)過(guò)對制動(dòng)能量影響因素的分析,建立優(yōu)化控制策略,通過(guò)Simulink與CarSim的聯(lián)合仿真進(jìn)行對照模擬試驗。在ECE工況下,車(chē)速對制動(dòng)能量回收影響較大,通過(guò)優(yōu)化控制策略,提升制動(dòng)強度在一定程度上對能量回收有明顯效果;在CLTC-P工況下,隨著(zhù)車(chē)速變化,制動(dòng)強度增大,優(yōu)化前后的電池SOC、能量回收差距明顯,說(shuō)明制動(dòng)強度對能量回收在速度變化較大的情況下,影響效果較大。在NEDC工況下,制動(dòng)強度一定時(shí),隨車(chē)速變化,可以看出,優(yōu)化前后的電池SOC、能量回收差距不明顯,這說(shuō)明在制動(dòng)控制策略制動(dòng)效果受制動(dòng)強度影響。無(wú)論在何種工況下模擬試驗都可以看出,優(yōu)化后的系統對能量回收效果要遠高于優(yōu)化前。