純電動車輛的動力匹配與再生制動

俞駿，羅娟

(上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125)

0 引言

目前，我國在純電動車輛方面對各項技術(shù)的研究和應(yīng)用還處在初步發(fā)展階段，在動力電池技術(shù)開發(fā)和能量管理、對整車的設(shè)計、性能評價以及相關(guān)的政策法規(guī)等方面的技術(shù)都還不夠成熟。因此，對純電動車輛技術(shù)進行深入的研究和探索，是提高純電動車輛在運行、維護和人工交互中安全性和可靠性的重要條件。

1 純電動車輛動力系統(tǒng)匹配

分析現(xiàn)有純電動車輛動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，進行論證確定其匹配方案。根據(jù)電動車輛的動力類型可以將車輛動力系統(tǒng)分為四大類，即混合動力系統(tǒng)、電動系統(tǒng)、內(nèi)燃機與發(fā)動機。

1.1 純電動車輛動力系統(tǒng)概述

純電動車輛的動力源是由傳統(tǒng)內(nèi)燃機產(chǎn)生的電能和電動機提供的電力進行轉(zhuǎn)換而來的。純電動車輛的動力系統(tǒng)包括：動力電池、傳動系統(tǒng)、控制機構(gòu)、驅(qū)動電機。在純電動汽車的運行過程中，通過將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機械能，再經(jīng)過一系列的復(fù)雜變換，最終實現(xiàn)車輛的制動和啟動。在動力系統(tǒng)的設(shè)計中，最重要的部分就是對整車的性能參數(shù)的計算與分析。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)研究，如果想要達到最佳的制動效果，那么必須要對其制動力矩的大小以及方向有一個合理的估算與選擇。

1.2 純電動車輛動力系統(tǒng)匹配總體設(shè)計方案

如果在純電動車輛的設(shè)計過程中做動力系統(tǒng)匹配，就要考慮到下面的三個問題：（1）純電動車輛的動力源和驅(qū)動電機的選擇；（2）整車的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定；（3）車輛制動器的設(shè)計以及電動機的選型。在對純電動車輛的動力系統(tǒng)進行匹配的過程中，首先要保證其制動系統(tǒng)在行駛過程中的安全性和可靠性，其次要確保能源的利用率最大化，最后還要考慮到如何最小化成本。本文從安全、效率、經(jīng)濟性等方面來對純電動車輛的動力系統(tǒng)提出一些基本的設(shè)計方案：第一，采用輪轂發(fā)動機作為制動的單元。第二，通過改變車輪的直徑大小來實現(xiàn)輪轂的旋轉(zhuǎn)運動，從而達到剎車的目的。第三，將輪轂轉(zhuǎn)動部分的重量增加，使之與地面的摩擦力增大，減少制動器的磨損量。第四，合理限制車輛速度，避免發(fā)生甩尾的現(xiàn)象。

根據(jù)下圖1中的內(nèi)容對純電車輛動力系統(tǒng)進行評估：

1.3 臺架實驗

若要驗證純電動車輛的制動性能，可以采用兩種不同的方法來進行試驗。一種是在車輛的底盤上設(shè)置一個伺服電機，通過控制單元的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)對純電動汽車的制動[1]。另一種是在制動盤上施加制動壓力，通過調(diào)節(jié)壓力的大小，就可以很容易達到剎車的效果。

2 純電動汽車動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化分析

2.1 動力系統(tǒng)匹配目標

目前，我國使用的電動汽車的續(xù)駛里程僅為280公里，而世界上最大的純電動汽車的保有量為2300萬輛，其中美國的ESCO公司的再生制動試驗量為9500輛，日本和德國的再生制動實驗量均在200輛左右。根據(jù)資料顯示，從2012年開始，國內(nèi)已經(jīng)有很多家企業(yè)和機構(gòu)對純電動汽車進行了推廣，比如比亞迪、長安、奇瑞等。但是因為起步較晚，所以在實際應(yīng)用過程中，還存在著一些技術(shù)難題，如蓄電池的充放電效率低，蓄電的利用率不高，以及車輛的維護成本高、安全性能低等。為了解決這些困難，提高能源的使用率與節(jié)約資源，我們提出了一種基于優(yōu)化算法的再生制動系統(tǒng)的匹配目標。實際演練時通過建立一個完整的數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)化為簡單的求解器，通過仿真驗證，最終確定該方案的可行性及有效性。

2.2 純電動車輛動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化的動力因素

電動機、動力電池以及控制器等組成了純電動車輛的動力系統(tǒng)。在實際的應(yīng)用中，考慮到整車的性能和安全性，動力電池的選擇至關(guān)重要。當(dāng)前在國內(nèi)大批量投入場景應(yīng)用的電池中，磷酸鐵鋰材料較為普遍，而錳酸鋰和三元為材料的電池在國外地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，每一種材料各自具備其在特定領(lǐng)域的優(yōu)勢。磷酸鐵鋰和錳酸鋰作為最先大批量使用的電池材料，經(jīng)過長時間的特性探索研究和無數(shù)次的應(yīng)用場景測試，其各方面的參數(shù)指標都趨于穩(wěn)定，對于實際的應(yīng)用需求，都可以達到預(yù)設(shè)的應(yīng)用效果。在對三元材料的探索中，逐步發(fā)現(xiàn)其能量密度較高、電池循環(huán)壽命較理想，相對適中的一致性和較高的可靠性，使得三元電池成為電池方案選項中的較優(yōu)選，尤其是在能量密度上的表現(xiàn)出眾。一般使用的錳酸鋰電池，其實也是在材料中添加了鈷等元素，提高了一定的能量密度。

2.3 純電動車輛動力總成控制系統(tǒng)的匹配因素

動力總成控制系統(tǒng)的匹配是指車輛的動力總成與整車的能量分配是否合理，以及在不同的工況下，對汽車的制動和加速性能的影響程度：（1）制動器的匹配。純電動車輛的制動器的匹配主要存在兩個方面的問題：一是制動力矩的大小。二是制動距離的遠近；（2）再生壓力調(diào)節(jié)的設(shè)計。目前的純電動車輛在行駛過程中需要用再生能量對蓄電池進行充電，因此為了達到最好的效果應(yīng)該設(shè)置一個充放電的時間間隔，這個期限的設(shè)定可以通過控制充放的次數(shù)來實現(xiàn)。通過適當(dāng)控制充放電的頻率，可以優(yōu)化動力電池的實際使用效果。

根據(jù)下圖2中的內(nèi)容對純電車輛動力總成進行評估：

2.4 純電動車輛動力總成控制系統(tǒng)匹配優(yōu)化建議

純電動車輛的動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型的建立和實際的車輛運行情況有很大的關(guān)系：（1）整車的動力性與能量利用率之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)汽車的動力性越高時，其匹配的性能也就越好；（2）純電動車輛的動力系統(tǒng)設(shè)計是否合理，決定了其是否能夠有效提高整個系統(tǒng)的效率和安全性；（3）在進行再生制動的過程中，當(dāng)車輛的動力系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，對電機的影響也是非常大的。電動機的功率越大，在相同的工況下，電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就越大，要保證電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。因此需要通過對驅(qū)動系統(tǒng)的研究來實現(xiàn)對電池的充分充電，從而達到最佳的節(jié)能效果。

根據(jù)下圖3中的內(nèi)容對純電車輛動力總成優(yōu)化建議如下：

3 純電動車輛再生制動策略研究

通過對純電動汽車的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前還沒有建立一套完整的再生制動系統(tǒng)，主要是由于純電動車的動力源來自于蓄電池，其能量的利用率較低，而且其行駛過程中存在著很大的危險性和不確定性。因此需要對再生制動的方式進行改進，以提高車輛的安全性和可靠性。

3.1 純電動車輛再生制動策略的研究方案

再生制動的主要目的是降低汽車的行駛風(fēng)險性，提高車輛的使用壽命，從而達到節(jié)約能源的效果。而在實際的應(yīng)用中，再生制動的作用也是非常重要的。因此，本文提出了一種基于能量回收的再生制動策略，該策略的原理就是將傳統(tǒng)的動力電池技術(shù)和純電動汽車的整車匹配起來，通過對純電動車輛的動力系統(tǒng)進行優(yōu)化，來實現(xiàn)節(jié)能的目標。在對純電動車輛的動力系統(tǒng)以及其工作環(huán)境進行分析后，可以建立起一個數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)此模型，設(shè)計出一套簡單的仿真實驗來證實方法的有效性和適用性。分析時建議采用單變量法，即把所有的參數(shù)都作為單因子，然后再取其中的最大值來代替其余的最小值，最后得到最佳的結(jié)果曲線。

3.2 純電動車輛再生制動策略仿真方案

基于純電動車輛的能量回收利用問題，建立純電動車輛的再生制動的數(shù)學(xué)模型。通過仿真計算，驗證該再生制動系統(tǒng)的可行性和有效性。在車輛的實際運行中，由于環(huán)境、行駛速度等因素的影響，車輪會出現(xiàn)不同程度的滑移和側(cè)滑現(xiàn)象。因此需要考慮到再生制動將受到這些因素的影響。同時，在制動過程中，還應(yīng)保證電機的轉(zhuǎn)速不會發(fā)生較大的波動變化。此外，為了確保再生制動的安全性和可靠性，還應(yīng)使電池的剩余容量保持足夠的儲備來應(yīng)對突發(fā)情況的沖擊[2]。最后，我們必須對再生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行合理的優(yōu)化設(shè)置，以達到最佳的仿真方案匹配并獲取最佳的數(shù)學(xué)模型。

下圖4為純電車輛再生制動研究策略涵蓋內(nèi)容：

4 純電動車輛動力系統(tǒng)再生制動策略優(yōu)化方案

4.1 純電動車輛再生制動模式

汽車的再生制動是指在車輛的整個制動過程中，當(dāng)汽車的行駛速度低于規(guī)定的臨界值時，汽車可以通過適當(dāng)?shù)臏p速來使其停止，從而實現(xiàn)停車的目的。當(dāng)汽車的制動性能不正常，或者由于其他原因?qū)е碌能囕啽阑蚧D(zhuǎn)，就會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，此時需要考慮能量的回收利用問題。市面上常見的能量再生模式主要為全電子再生制動模式。這種模式是指將傳統(tǒng)的液壓式純電動轎車的剎車系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)集成起來，然后再由蓄電池充電，經(jīng)電動機驅(qū)動電機工作，最后由蓄電池產(chǎn)生的電瓶作為動力源，這樣一來，不僅僅大大提高了整車的安全性和可靠性，而且還能有效緩解行車時的顛簸，減少交通事故的發(fā)生概率。

4.2 純電動車輛再生制動策略仿真驗證方案

首先，通過仿真計算得到再生制動系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，然后利用MATLAB軟件進行仿真分析，得出在不同的再生制動器的情況下，車輛ABS的制動力與能量的變化曲線，并根據(jù)數(shù)據(jù)的結(jié)果確定再生器的最佳參數(shù)。其次，對純電動汽車的制動過程和制動響應(yīng)的影響因素建立模型，驗證在相同的初始速度條件下，當(dāng)再生率達到最大時，車輪滑移率、空轉(zhuǎn)角、抱死角是否都會有較大的改變[3]。同時分析在同一初始加速度時，隨著再生率的增加，其余各因素的變化情況，以及峰值階段開始、汽車停止的時間是否有很大的差異性。此外，也可以從衰減程度上進行分析，驗證導(dǎo)致純電動車輛的停車性能較差的原因是否就是電動車輛的平均空轉(zhuǎn)矩和電機的空轉(zhuǎn)矩相對較小，同時注意和傳統(tǒng)燃油車輛相比較，分析空轉(zhuǎn)矩的下降幅度和上升速率，看是否存在下降幅度比傳統(tǒng)燃油車的大、而上升的速率卻較慢的現(xiàn)象[4]。

下圖5為純電車輛再生制動策略優(yōu)化方案：

5 結(jié)語

從研究現(xiàn)狀來看，我國純電動車輛的發(fā)展還處在比較初級的階段，同國外的一些國家相比，在純電動車輛的研發(fā)、運行以及維護方面都存在著一定的差距和不足。本文針對現(xiàn)有的問題提出了新能源汽車的概念及其特點，并對再生制動的能量回收技術(shù)及方案做了相關(guān)的理論介紹，根據(jù)車輛的實際情況，設(shè)計出整車的再生制動器方案，為該系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。