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電動汽車制動能量回收控制策略的研究
摘要：電動汽車的驅動電機運行在再生發電狀態時，既可以提供制動力，又可以給電池充電回收車體動能，從而延長電動車續駛里程。對制動模式進行了分類，并詳細探討了中輕度剎車時制動能量回收的機制和影響因素。提出了制動能量回收的最優控制策略，給出了仿真模型及結果，最后基于仿真模型及ＸＬ型純電動車對控制算法的效果進行了評價。電動汽車（ＥＶ）的研究是在環境保護問題及能源問題日益受到關注的情況下興起的。在ＥＶ性能提高并逐步邁向產業化的過程中，提高能量的儲備與利用率是迫切需要解決的兩個問題。盡管蓄電池技術有了長足進步，但由于受安全性、經濟性等因素的制約，近期不會有大的突破。因此如何提高ＥＶ能量利用率是一個非常關鍵的問題。
制動能量回收問題對于提高ＥＶ的能量利用率具有重要意義。電動汽車采用電制動時，驅動電機運行在發電狀態，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，對延長電動汽車的行駛距離是至關重要的。國外有關研究表明，在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下，有效地回收制動能量，可使電動汽車的行駛距離延長百分之十到百分之三十。
目前國內關于制動能量回收的研究還處在初級階段。制動能量回收要綜合考慮汽車動力學特性、電機發電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。研制一種既具有實際效用、又符合司機操作習慣的系統是有一定難度的。本文對上述問題作了一些積極的探索，并得出了一些有益的結論。
１ 制動模式
電動汽車制動可分為以下三種模式，對不同情況應采用不同的控制策略。
１.１ 急剎車
急剎車對應于制動加速度大于２ｍ／ｓ２的過程。出于安全性方面的考慮，急剎車應以機械為主，電剎車同時作用。在急剎車時，可根據初始速度的不同，由車上ＡＢＳ控制提供相應的機械制動力。
１.２ 中輕度剎車
中輕度剎車對應于汽車在正常工況下的制動過程，可分為減速過程與停止過程。電剎車負責減速過程，停止過程由機械剎車完成。兩種剎車的切換點由電機發電特性確定。
１.３ 汽車長下坡時的剎車
汽車長下坡一般發生在盤山公路下緩坡時。在制動力要求不大時，可完全由電剎車提供。其充電特點表現為回饋電流較小但充電時間較長。限制因素主要為電池的最大可充電時間。
由于電動汽車主要工作在城市工況下，所以本文將研究重點放在中輕度電剎車上。
２ 制動能量回收的約束條件
實用的能量回收系統應滿足以下要求：
(１)滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習慣。
剎車過程中，對安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機械剎車的最佳覆蓋區間，在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統的電動汽車的剎車過程應盡可能地與傳統的剎車過程近似，這將保證在實際應用中，系統有吸引力，可以為大眾所接受。
（２）考慮驅動電機的發電工作特性和輸出能力。
電動汽車中常用的是永磁直流電機或感應異步電機，應針對不同的電機的發電效率特性，采取相應的控制手段。
（３）確保電池組在充電過程中的安全，防止過充。
電動汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時，避免因充電電流過大或充電時間過長而損害電池。
由以上分析可得能量回收的約束條件：
（１）根據電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。
（２）電池可接受的最大充電時間。
（３）能量回收停止時電機的轉速及與此相對應的充電電流值。
本項目原型車為ＸＬ型純電動車，驅動采用異步交流電機，額定功率為２０ｋＷ，峰值功率為６０ｋＷ，額定轉矩為５３Ｎｍ，峰值轉矩為２９０Ｎｍ，持續輸出三倍額定轉矩時間不小于３０ｓ，額定轉速為３６００ｒ／ｍｉｎ，最高轉速為９０００ｒ／ｍｉｎ。蓄電池采用２４節１００Ａｈ鎳氫電池，其瞬時充電電流可達１．５Ｃ（Ｃ為電池放電倍率），即１５０Ａ。在充電電流為０．５Ｃ時，可持續安全充電。實驗表明，在電機轉速為５００ｒ／ｍｉｎ時，充電電流小于６Ａ�？稍O此點為電剎車與機械剎車的切換點。
３ 制動能量回收控制算法
３．１制動過程分析
經推導可得，一次剎車回收能量Ｅ＝Ｋ１Ｋ２Ｋ３（ΔＷ－ＦｆＳ）。
特定剎車過程中，車體動能衰減ΔＷ為定值。特定車型的機械傳動效率Ｋ１和滾動摩擦力Ｆｆ基本上是固定的。對蓄電池來說，制動能量回收對應于短時間（不超過２０ｓ）、大電流（可達１００Ａ）充電，因此能量回收約束條件（２）可忽略，充電效率Ｋ３也可認為恒定。對于電機來說，在制動過程中，其發電效率Ｋ２隨轉速和轉矩的變化而變化。制動距離Ｓ取決于制動力的大小和制動時間的長短。
由以上分析可知，如果電池狀態（包括放電深度、初始充電電流強度）允許，回收能量只與發電機發電效率和剎車距離有關。在滿足制動時間要求的前提下，通過調節電機制動轉矩可以控制電機轉速。
３．２ 控制算法
控制策略可描述為：在滿足剎車要求的情況下（由中輕度剎車檔位決定），根據能量回收約束條件（１）和（３）的不同值，確定最優制動力，使回收的能量達到最大，即電流對時間的積分達到最大。為了與平常的剎車習慣相符合，令制動力隨剎車時間呈線性增長，即Ｆｊ＝Ｆｏ＋
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