純電動汽車電制動系統(tǒng)設計與仿真

王系朋　潘盛輝

(廣西科技大學　電氣與信息工程學院，廣西柳州　545006)

?

純電動汽車電制動系統(tǒng)設計與仿真

王系朋潘盛輝

(廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

摘要：為了提高電能的利用率，讓純電動汽車在行駛過程中更加節(jié)能，可以為純電動汽車安裝電制動系統(tǒng)，電制動系統(tǒng)可以回收純電動汽車在制動過程中的部分動能，并將其轉換成為電能再次利用。本文設計了一種電制動系統(tǒng)，設計的基本思路是先將制動過程中電機發(fā)出的交流電整流，然后通過DC-DC直流變換器把整流后的直流電的電壓值轉換為合適的大小并充入電池組。根據(jù)仿真結果求得本文設計的電制動系統(tǒng)在測試的工況下，可以回收電能17 267 J，回收效率為49.1 %。仿真結果表明，本文設計的電制動系統(tǒng)可以將純電動汽車制動過程中的部分動能被轉化成為了電能再次利用，提高了電能的利用率，可以有效地延長純電動汽車的續(xù)航里程。

關鍵詞：節(jié)能；純電動汽車；電制動系統(tǒng)；DC-DC變換器；整流器

電制動系統(tǒng)又稱再生制動系統(tǒng)，其基本原理是將電動汽車的驅動電動機作為制動裝置使車輛減速。當踩下制動踏板時，電動機被作為發(fā)電機使用，吸收來自傳動系的機械能，吸收的能量由電能形式儲存在車輛的動力電池中[1]。電制動相較于傳統(tǒng)制動的優(yōu)勢在于車輛的動能沒有全部被轉化成為熱無謂浪費?；厥盏碾娔軆Υ嬖谄嚨膭恿﹄姵刂凶鳛榛厥漳茉垂┢囋俅问褂?。使用這種方法可以減少能量的浪費，有效地提高汽車續(xù)航里程，具有很好的經(jīng)濟性[2]。

本文設計了一種電制動系統(tǒng)可以有效的回收純電動汽車制動時的動能。本文設計的電制動系統(tǒng)的模型由以下部分構成：電機、整流器和雙向DC-DC變換器(本文設計的電制動系統(tǒng)中，所有的組成部件被理想化處理，僅考慮基本的等式關系，忽略由機械效率和電氣效率引起的能量損失)。純電動汽車制動時，當制動踏板被踩下，動力電源被中斷，電機的轉子繼續(xù)轉動，其轉速和當前汽車的速度成比例，轉子轉動將產(chǎn)生電能，這部分電能經(jīng)過整流器和DC-DC變換器變化后可以充入儲能裝置[3]。將加入電制動系統(tǒng)的純電動汽車模型在汽車行駛工況下進行仿真，觀察電機反饋的能量的波形，可以求得本文設計的電制動系統(tǒng)在純電動汽車制動時動能的回收的效率。

1能量回收的制動力分配策略及能量回收過程分析

1.1能量回收的制動力分配策略

典型的制動力分配策略有理想前后軸制動力分配策略、并行再生制動系統(tǒng)制動力分配策略和最佳制動能量回收策略[4]。理想前后軸制動力分配策略的主要考慮汽車的制動時安全性和舒適性，前后軸制動力按I曲線分配，制動過程中可以回收一部分再生制動能量。其優(yōu)點是制動穩(wěn)定性較高，缺點是回收能量有限。并行再生制動系統(tǒng)制動力分配策略的是在傳統(tǒng)制動系統(tǒng)制動時前后輪制動力按比例分配的前提下，給驅動輪上施加制動力的一種控制策略。并行制動系統(tǒng)指電制動和液壓制動同時、并行地產(chǎn)生制動力。該制動力分配策略以定比例分配為基礎，電機提供附加制動力。由于該制動策略對液壓制動系統(tǒng)改動較小，故在純電動汽車上應用較為廣泛。但是制動過程中，電機的附加制動力使汽車總制動力分配曲線右移，汽車前軸抱死的可能性增加。最佳制動能量回收策略以盡可能多地存儲再生能量為目標，在附著系數(shù)大于制動強度，前后軸制動力分配滿足ECE法規(guī)且車輪不抱死的情況下，盡可能的使制動力分配到驅動輪[5]?？傊苿恿χ饕呻娭苿酉到y(tǒng)提供，電制動力小于總制動力時，剩下的制動力由機械制動力提供。本文設計的電制動系統(tǒng)是以最佳制動能量回收策略設計的。

1.2能量回收過程分析

車輛處于制動狀態(tài)時，車輛的速度與電機轉子的角速度成比例。電機轉子的轉速直接決定了電機產(chǎn)生的電壓大小和頻率[6]。本文設計的電制動系統(tǒng)中電機采用的是三相永磁同步電機，發(fā)出的是交流電，不能直接為電池組充電，需要先對交流電進行整流。制動過程中車輛的速度是一個變量，使得電機產(chǎn)生的電壓也隨時間波動，但是電池組只能接受恒定電流為其充電，充電電壓的大小受電池組電壓約束，因此需要對整流后的直流電進行變壓，電制動能量回收過程流程圖如圖1所示。

圖1　電制動能量回收過程流程圖

2電制動系統(tǒng)的數(shù)學模型

2.1三相永磁同步電機模型

本文中設計的電制動系統(tǒng)模型中的電機采用的是三相永磁同步電機，相較于異步電機，三相永磁同步電機比異步電機節(jié)能20 %以上，節(jié)能對于新能源汽車意義重大，這意味著在同等車況下，不增加電池組容量，采用同步電機的汽車比采用異步電機的汽車有更長的續(xù)航里程。這也是本文設計的電制動熊中采用三相永磁同步電機的原因。

公式(1)描述了三相永磁同步電機作為發(fā)電機時其中一相的感應電動勢

(1)

式中n為線圈匝數(shù)；p為永磁體的級數(shù)；φm為磁通最大值，它們由電機結構決定的，在仿真時作為常量處理。ns是轉子轉速，它與汽車行駛速度相對應。轉子轉動時發(fā)電機發(fā)出三相交流電，根據(jù)公式(1)可知，相電壓的幅值和頻率都隨轉子的轉速變化。轉子的角速度和汽車的速度之間的關系可以用公式(2)描述。

(2)

其中i0為齒輪傳動比，它由汽車內部結構決定，Rwheel為車輪半徑，u為汽車行駛速度。

2.2三相橋式全波整流器

汽車上裝備的動力電源是蓄電池，只能用直流電為它充電，這就需要整流電路把同步電機發(fā)出的交流電轉化為直流電。為了提高充電效率，本文設計的模型中使用的是三相橋式全波整流器，相較于半波整流器，全波整流器可以提供更高的電壓有效值，可以使能量回收的效率得到提高[7]。

等式(3)描述了這個整流器的輸出電壓的平均值

U1out=2.34U1in,

(3)

上式中，U1out為整流器輸出電壓，U1in為輸入電壓。輸出電壓有一定波動，做理想化處理認為它的輸出值為恒定電壓，忽略電動機的內阻及損耗，則輸入電壓值為電動機的感應電動勢。

2.3雙相DC-DC變壓器

蓄電池對于給它充電的電壓和電流有約束條件，通過整流電路的電流并不能直接沖入電池，需要先檢測電池組當前的狀態(tài)，然后調節(jié)充電的電壓和電流。通過雙相DC-DC變壓器，可以把整流器輸出端的電壓轉換成期望的充電電壓，為電池提供其允許的充電電流。從高壓端到低壓端，整個電路作為一個降壓器使用，把輸入電壓減少到期望值。相反從低壓端到高壓端，電路作為一個升壓器使用，把低電壓升高到期望值。汽車的ECU控制電路當前是降壓(當電機發(fā)電的電壓大于期望電壓)還是升壓(當電機發(fā)電的電壓小于期望電壓)。公式(4)和公式(5)描述了降壓后和升壓后輸出與輸入電壓的關系，其中D(D不大于1)是電路的占空比。

U2out=D·U2in,

(4)

(5)

通過閉環(huán)反饋調節(jié)占空比D，使輸出電壓恒定，則可以給電池輸入一個恒定的電流。

3制動工況

我國純電動汽車能源利用效率實驗采用的循環(huán)工況和歐洲行駛循環(huán)工況(NEDC)基本相同，本文在NEDC循環(huán)工況下對模型進行仿真[8]。NEDC循環(huán)工況由1部(市區(qū)運轉循環(huán))和2部(市郊運轉循環(huán))組成。循環(huán)2部(市郊運轉循環(huán))由一個市郊運轉循環(huán)單元組成。試驗期間平均車速為62.6 km/h，有效行駛時間為400 s，每個循環(huán)理論行駛距離為6.955 km，最大車速為120 km/h。

本文僅討論在循環(huán)2部中最后一段減速過程中，所設計的系統(tǒng)的能量回收狀況。循環(huán)2部中的車輛的運行工況如圖2所示：

圖3中，操作序號為17的階段汽車的行駛速度為120 km/h，從階段18開始減速，到階段21汽車停止。階段18、19、20汽車的減速度分別是-0.69 m/s2、- 1.01 m/s2、-1.39 m/s2。操作的時間分別是16 s、8 s、10 s。階段18結束后，汽車的車速在80 m/s~120 m/s之間，階段19結束后汽車的車速在50 m/s~80 m/s之間，階段20結束后汽車速度降為零。階段18中，汽車的減速度小于0.1 g，汽車的減速度僅由電制動提供，值得一提的是車速逐漸減小，電制動提供的制動力矩將逐漸減小；階段19和階段20中，汽車的減速度大于0.1 g而小于0.7 g，制動力由機械制動和電制動共同提供，隨著汽車速度的減小，電制動提供的制動力矩減小，需要機械制動提供的制動力矩逐漸增大。

圖3　三相電機的輸出電壓

4仿真結果及其分析

系統(tǒng)數(shù)學模型中采用的參數(shù)為：汽車輪胎半徑Rwheel=0.38 m，傳動系數(shù)i0=0.4，電機的額定轉速為1 800 r/min，峰值轉速為2 400 r/min，電池組端電壓為250 V。仿真開始時，車輛行駛速度為120 km/h，電機轉速接近峰值轉速，發(fā)出的電壓峰值最大，隨著車速的減小，電機發(fā)出的電壓的峰值逐漸減小，仿真結果如圖3所示。三相電流是交流電，需要將三相電通過整流器轉換為直流電，轉換為直流電后的波形圖如圖4所示。整流器的輸出電流不能直接充入電池組，需要經(jīng)過DC-DC變換器將其電壓大小調節(jié)到一個合適的值，這個值由電池組的端電壓大小決定。根據(jù)鋰電池的充電特性和模型中電池組的端電壓大小，把充電電壓值穩(wěn)定在250 V。圖5是對DC-DC變換器中全控型器件的導通占空比波形圖。由仿真結果可以計算得到本文設計的機電復合制動系統(tǒng)在測試的制動過程中可以回收電能17267J，回收效率為49.1 %。

圖4　整流器的輸出電壓

圖5　導通占空比波形圖

5結語

本文提出了一種機電復合制動系統(tǒng)模型，該模型的核心是三相電機系統(tǒng)，三相電整流器和DC-DC變換器。在汽車制動過程中，當對制動力的需求比較小時，制動力完全由電制動系統(tǒng)提供；當電制動力提供的力矩不滿足制動需要后，機械制動系統(tǒng)將配合電制動系統(tǒng)一起為汽車提供制動力。仿真結果表明，該系統(tǒng)可以將汽車的一部分動能轉換為電能充入電池組，從而達到提高電能的利用率，有效地延長純電動汽車的續(xù)航里程的目的。

參 考 文 獻

[1] 張俊智，呂辰，李禹橦，等. 電驅動乘用車制動能量回收技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 汽車工程，2014(8)：911-918.

[2] 崔勝民，韓家軍. 新能源汽車概論[M]. 北京：北京大學出版社，2011：4-5.

[3] 趙文平. 純電動客車再生制動與液壓制動協(xié)調控制算法研究[D]. 吉林大學，2008.

[4] Crovetti P. Electric/Electronic Systems in Vehicles[M].Torino：2012.

[5] 林雙武. 電動汽車制動控制策略的研究[D/OL]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010：35-36.

[6] 陳振強. 電動汽車永磁同步電機設計與分析[D/OL]. 成都：西南交通大學，2013.

[7] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M]. 4版. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[8] 譚元文，劉溧.電動汽車再生制動系統(tǒng)的結構與控制策略的研究[J]. 北京汽車，2007(2)：15-17.

Design and Simulation on Electric Braking System of Pure Electric Vehicle

WANG XipengPAN Shenghui

(College of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

AbstractIn order to improve the utilization of electrical energy and more efficient pure electric vehicles, electric braking system can be installed on pure electric vehicles. Electric brake system can recover kinetic energy during braking and convert it into electrical energy. This paper presents an electrical braking system. The basic idea of the design is to rectify AC during braking issued by the AC motor into DC, and DC-DC converter converts the rectified voltage DC to appropriate size and charge it to the battery pack. According to the simulation results, electric energy 17 267 J can be recovered with the recovery efficiency 49.1 %. The simulation results show that the designed electric braking system can recover kinetic energy during braking, and convert it into electrical energy to re-use, improving utilization of electrical energy, and effectively extending the pure electric vehicle mileage.

Key wordsenergy conservation; pure electric vehicles; electric braking system; DC-DC converter; Rectifier

文章編號：1009-0312(2016)01-0104-05

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

作者簡介：王系朋(1989—)，男，四川成都人，碩士生，主要從事智能檢測技術與應用方面研究。

收稿日期：2015-11-16