复合电源纯电动汽车再生制动控制试验研究.pdf

年第 期复合电源纯电动汽车再生制动控制试验研究王昕灿,王贺,李斌,翟羽(江苏航运职业技术学院交通工程学院,江苏 南通 )摘要:再生制动控制系统的合理有效性直接影响纯电动汽车的整车性能.传统的单一电源纯电动汽车在动力性、安全性和续驶里程方面存在一定缺陷,故将动力电池和超级电容组成复合电源,建立纯电动汽车再生制动试验台架,利用飞轮模拟汽车惯量,利用磁粉离合器模拟不同路况,进行再生制动集成控制试验,以进一步提升整车能量利用率,为再生制动控制策略的研究提供试验依据.关键词:复合电源;再生制动;纯电动汽车;试验中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()E x p e r i m e n t a l S t u d yo nR e g e n e r a t i v eB r a k i n gC o n t r o l o fH y b r i dP o w e rP u r eE l e c t r i cV e h i c l eW a n gX i n c a n,W a n gH e,L iB i n,Z h a iY u(S c h o o l o fT r a f f i cE n g i n e e r i n g,J i a n g s uS h i p p i n gC o l l e g e,J i a n g s uN a n t o n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h er a t i o n a l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o l s y s t e md i r e c t l ya f f e c t t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep u r e e l e c t r i c v e h i c l e T h e t r a d i t i o n a l s i n g l ep o w e r p u r e e l e c t r i c v e h i c l eh a s c e r t a i nd e f e c t s i np o w e rp e r f o r m a n c e,s a f e t ya n dd r i v i n g r a n g e,s o t h ep o w e rb a t t e r ya n ds u p e r c a p a c i t o r a r e c o m b i n e d i n t oa c o m p o s i t ep o w e rs u p p l yt oe s t a b l i s hap u r ee l e c t r i cv e h i c l e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gt e s tb e n c h F l y w h e e l sa r eu s e dt os i m u l a t ev e h i c l e i n e r t i a,m a g n e t i cp a r t i c l e c l u t c h e s a r eu s e d t os i m u l a t ed i f f e r e n t r o a dc o n d i t i o n s,a n d r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi n t e g r a t e dc o n t r o l t e s t sa r ec o n d u c t e dt of u r t h e r i m p r o v e t h ev e h i c l ee n e r g yu t i l i z a t i o n,I tp r o v i d e se x p e r i m e n t a lb a s i s f o r t h er e s e a r c ho f r e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o l s t r a t e g y K e yw o r d s:C o m p o s i t ep o w e rs u p p l y;R e g e n e r a t i v eb r a k i n g;B l a d ee l e c t r i cv e h i c l e s;T e s t基金项目:年江苏省高等学校基础科学(自然科学)研究面上项目(K J B )作者简介:王昕灿(),女,江苏南通人,汉族,讲师,硕士研究生,研究方向:新能源汽车技术,汽车检测与维修技术.再生制动控制系统也称制动能量回收系统,是纯电动汽车提升续驶里程和能量利用率、降低能耗的重要技术之一.通常汽车在制动过程中所需的制动力矩主要由摩擦力矩承担,电动汽车在制动过程中会产生摩擦制动力矩和电机制动力矩,电机制动力矩指利用车辆行驶惯性带动电机转子反转产生反向力矩,并将一部分动能转化电能储存至电源系统,电机制动的参与程度可由制动力分配控制策略合理分配,以确保制动安全的前提下,尽可能回收更多能量,提升整车续航里程.部分研究学者将再生制动控制和A B S(A n t i l o c kB r a k i n gS y s t e m,防抱死刹车系统)控制进行联合研究,如江苏大学刘志强提出基于P I的再生制动防抱死控制系统,并设计出三组防抱死制动模式:仅驱动轮再生制动防抱死、仅传统液压制动防抱死、驱动轮双形式制动与后轮液压制动防抱死,并进行了低附着系数路面状况下的制动试验,结果表明,再生制动并不影响防抱死功能,通过合理的控制可以将两者有机结合,并可以适当降低车身抖动,确保制动安全的同时提升驾驶平缓性.但该试验仅局限于低路面附着系数,对于实际路况环境的分析不够全面.目前动力电池是纯电动汽车的主要动能来源,但动力电池输入输出功率低、不能快速响应的缺陷会造成电机无法进行有效充电回收.故可以将动力电池和超级电容组合成复合电源,组成不同拓扑结构,充分发挥二者各自的优势,实现优势互补.超级电容是一种能量缓冲装置,可以充分回收再生制动产生的能量,并为整车提供驱动力.如南京林业大学王辉针对复合电源再生制动地面制动力控制展开研究,设计出基于虚拟监控平台L a b V I EW的复合电源再生制动试验台架,利用超级电容作为能量回收的主要存储系统,大大提高回收效率,并采用P D I自适应控制算法作为磁粉离合器的主要控制算法,进一步模拟所需地面制动力.故在此研究基础上,设计一种以超级电容和动力电池为复合电源的纯电动汽车再生制动试验台架,展开路面状况模拟试验、惯量模拟试验及再生制动试验,以进一步提升整车能量利用率,为再生制动控制策略的研究提供试验依据.复合电源再生制动试验台总体设计目前常见的再生制动试验台有两种结构形式,一种是利用实车在滚筒式制动台架上进行制动试验,车轮与滚筒间产生制动滑转,通过控制磁粉离合器改变输出转矩从而模拟不同附着系数下所需地面制动力;另一种是建立飞轮和驱动电机组成的车辆转动惯量模块,模拟车辆的运动平动动能,再通过制动踏板、磁粉离合器和相关控制器模拟车辆制动转矩.以上两种试验台架结构简单,可以模拟的道路附着系数有限,不能全方位开展多种控制模式的再生制动试验.故设计一种复合电源纯电动汽车再生制动试验台,总体结构如图所示.内燃机与配件w w w n r j p j c n图复合电源再生制动试验台总体结构再生制动试验台的设计确保智能化、自动化的功能,具有良好的灵活性和扩展性,可以实现的试验功能有:不同路况模拟试验、不同制动程度模拟试验、电机性能测试试验和再生制动集成控制试验.该试验台架主要分为六大模块:复合电源能量存储模块、驱动电机及控制模块、惯量模拟模块、制动系统模块、再生制动集成控制模块、动力传动及相 关 连 接 模 块,各 大 模 块 主 要 组 成 部 分 及 功 用如下:()复合电源能量存储模块复合电源能量存储模块主要由磷酸铁锂动力电池组、超级电容、两个双向D CD C变换器及电池管理系统组成.动力电池组是整个台架系统的主要动力源,驱动电机转动带动飞轮从而产生转动惯量,同时也是再生制动能量回收过程中的能量储存装置之一.电池管理系统主要用于监控电池电压、电流、S O C、温度等状态,管理电池均衡状态等.超级电容组具有充放电电流大、功率密度大等优势,其由 只额定电容 F、额定电压 V的单体超级电容串联而成,用于直接回收储存再生制动产生的能量.()驱动电机及控制模块该模块主要由驱动电机及电机控制器组成,是再生制动集成控制动力系统的核心模块之一,电机选用额定功率 k W、额定转速 r p m、额定转矩 Nm的永磁同步电机(PM S M).该模块主要有两方面作用:一是将电能转化为动能,驱动飞轮运行转动产生运动惯量,模拟车辆行驶动能;二是制动时产生电机制动转矩,转为发电机,将动能转化为电能给复合电源能量存储模块充电.()惯量模拟模块利用飞轮组模拟整车动能惯量,根据不同的飞轮质量单元和不同的组合方式,采用分级法模拟多种质量的车辆动能惯量.()制动系统模块组成结构有制动踏板、盘式制动器及制动踏板行程传感器等,以电子元器件代替试验台架内部机械线控制动.集成控制模块可以根据制动力需求、制动力分配策略情况、动力电池S O C状况、电机可输出最大转矩等情况来进行制动力控制.()再生制动集成控制模块主要包括再生制动集成控制器、电机控制器及其他多种控制器和模拟器,实现试验台架的总控和分控,协调机械制动和电机制动.()动力传动及相关连接模块实现驱动力和制动力的传递,并确保复合电源系统和驱动系统的动力连接.具体作用为:确保电机、电机控制器、D CD C变换器、超级电容组、动力电池、电池管理系统和再生制动总控制器间的电力连接,同时确保制动踏板传感器、盘式制动器、转矩转速传感器、磁粉离合器、惯性飞轮组、机械传动装置、电涡流测功机等相关部件间的机械连接.试验分析 惯量模拟试验惯量模拟根据公式()和()计算得出车辆最大平移质量所对应的飞轮的最大转动惯量,并采用二分法对其余所需转动惯量进行补充.飞轮组可模拟的最大车速为 k m/h,可模拟的最大车辆质量为 k g.Jm a xJc(Jm a xJc)(Jm a xJc)n(Jm a xJc)J()Jm a xJm a xJm a xnJm a xnJm a xJ()路况模拟试验路况模拟主要通过磁粉离合器实现,试验过程中,磁粉离合器均采用正励磁方式.磁粉离合器具有恒扭矩的工作特性,因此在模拟路面附着系数与滑动率间变化关系时,需通过改变磁粉离合器的励磁电流大小来进行动态调节.实际路况附着系数与不同励磁电流间的关系如表所示.表实际路况与励磁电流间数据关系路面类型I(A)柏油路面(干燥路面)水泥路面(干燥路面)柏油路面(潮湿路面)尘土路面(干燥路面)尘土路面(潮湿路面)水泥路面(潮湿路面)碎石子路面 积雪路面 再生制动集成控制试验复合电源再生制动试验台实物图如图所示.为验证相关再生制动控制策略的合理有效性,并确保绝对安全性,试验设定制动程度为轻度制动.为了方便对比试验结 年第 期果,每次 试 验 结 束 后 均 利 用 电 子 负 载 对 超 级 电 容 进 行放电.图复合电源再生制动试验台实物图()保持路况不变,轻度制动利用磁粉离合器设定合适的励磁电流确定正常路面附着系数,确定轻度制动强度(设定制动强度z ),用制动踏板传感器感知制动信号.利用再生制动控制器控制电机控制器,从而调整再生制动过程中电机输出转矩大小,并根据控制策略动态调整D CD C变换器对超级电容的充电电流大小,以免造成电流过大,从而完成整个再生制动试验过程.由于制动强度为轻度制动,试验过程中所需制动力均由电机制动力承担,机械制动不参与.制动器转速(此处指纯电动汽车车轮轮速)以及制动力矩随时间变化如图(A)所示,回收过程中超级电容的电压、电流随时间变化如图(B)所示.可以看出,制动过程中超级电容的电压瞬间大幅度提升,电机制动力矩基本不变,但制动转速(车轮轮速)呈现线性下降,可见有效回收动能的同时也确保了制动有效性.图路况不变轻度制动试验结果()路况改变,轻度制动控制磁粉离合器励磁电流突然减小,致使路面附着系数突然减小,此时电机制动力矩致使车轮轮速迅速下降,接近抱死状态.回收过程中超级电容的电压、电流随时间变化如图(A)所示,制动器转速(此处指纯电动汽车车轮轮速)以及制动力矩随时间变化如图(B)所示.结果表明,路况突然发生改变(附着系数突然减小)时,依旧可有效回收能量,但电机制动力矩也可导致车轮抱死.图路况改变轻度制动试验结果结束语为尽可能提升再生制动能量回收率,搭建由动力电池和超级电容组成的复合电源再生制动试验台架,利用飞轮模拟汽车惯量,利用磁粉离合器模拟不同路况,进行了路况模拟试验和轻度再生制动试验,进一步验证了复合电源纯电动汽车再生制动控制系统的有效性.参考文献:刘志强,濮晛电动汽车连续再生制动系统防抱死制动试验研究J汽车工程,():王辉电动汽车再生制动试验台地面制动力模拟控制研究D南京:南京林业大学,梁光成基于试验台架的电动汽车电液复合制动系统的设计与开发D西安:长安大学,魏进电动汽车再生制动平顺性及能量回收仿真研究J内燃机与配件,():