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摘要:我国汽车工业的迅猛发展,使得节能减排成为了国家及各级地方政府的一项重要工作。混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)技术的兴起和发展,使得关乎全球的能源短缺以及环境污染问题找到了一个行之有效的解决途径。本文提出了一种低成本、用于新能源改造传统旧车(电动汽车EV/混合动力汽车HEV)的再生制动策略并进行了仿真。
关键词:混合动力汽车 再生制动 策略 仿真
混合动力汽车,其英文缩写为HEV(Hybrid Electric Vehicle)。它一方面结合了传统内燃机车辆技术与现代工业的发展,另一方面也结合了电动汽车环保节能的特点,同时发扬了石油燃料比能量和比功率高的长处,显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性。
城区中的三大汽车群体(公共交通车辆、公务车辆、私家车)中,公共交通车辆(主要指公交汽车和出租汽车)在数量上占相当大的比例,是城市中相当突出的污染大户。在相当长的时期内,大量更新公共交通车辆的措施在我国是不现实的。这是因为,我国公共交通车辆的数量极其庞大,混合动力车辆的造价又比较高,在我们这样一个发展中国家,不可能轻易地实施更新。
针对这样的背景,特提出如下的研究设想:
研发一种简易的电力驱动系统,对现有的内燃机出租车进行改造,使其成为混合动力车辆,从而以较低成本达到节能减排的目的。
一、混合动力汽车的再生制动基本原理
混合动力汽车技术经过逐步的发展,目前比较常用的再生制动原理大体如下:当车辆处于制动状态时,通过一系列传动,汽车由行驶到制动这一过程中所产生的动能和势能传递给电机,根据电机的工作特性,这时候电机的作用相当于发电机,也就是说电机转子轴上的动能将会转变为电能,再经逆变器转换,能量最终将储存在蓄电池中,从而实现能量的再生利用,也提高了能量的利用效率。同时,由于发电产生的力矩又可以通过传动系统对驱动轮施加制动,产生制动力。
常用的电机为三相交流异步电机,它的再生制动原理可以进一步阐述如下:根据电磁感应原理,三相电流通入定子后,产生的磁场将以同步转速旋转,转子绕组中将会产生感应电流和感应电动势,电磁力引起的电磁转矩使得转子旋转,电机这时就能够带动它所承载的机械负荷。如果给转子施加一定的外部机械力使其转动,并使得转速超过同步转速,这时转子导体上也会产生感应电流和感应电动势,不过方向却是相反的。导致的结果是:定子电流和电机的输出转矩反向,能量则由电机处进行回馈。
综上,通过增大转子的转速或减小其同步转速均可使异步电机进入发电状态。从实现的难易程度来看,对于混合动力汽车的再生制动控制,通过后者相对来说更容易满足电机实际运行转速大于同步转速。
二、再生—摩擦制动系统的构成
汽车具有行驶、转弯、停车三个最基本的机能。其减速停车机能是由制动系统来完成的,通常包括制动器及其操纵装置等。混合动力汽车的整车制动包括发动机制动部分以及动力制动部分。发动机制动部分取决于汽车的实际车速以及加速踏板的操作状况。动力制动的机理与传统内燃机汽车类似,制动力的大小都由制动踏板的行程长短来确定,其不同之处在于,混合动力汽车同时包含了再生制动和摩擦制动,因此它不仅装有摩擦制动系统,同时还装有电机再生制动系统。根据前面的再生制动原理,当车辆在较高的车速下减速制动时,电机的作用相当于发电机,它会把减速制动所产生的能量转换成电能,储存在电池中,当车辆在较低的车速下制动或加速时再释放出来,这样就能达到能量回收利用的效果。两者的实际分配比率应该以两个方面为依据:一是能够使得制动能量的回收率尽可能高,二是能够满足制动的安全性。
图1所示为混合动力汽车再生制动系统的构成,其控制系统框图如图2所示。选用的车型是桑塔纳2000系列(包括桑塔纳3000、桑塔纳vista志俊),且维持原有车辆结构基本不变,所以,电力驱动和再生制动只有后轮。
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图1改造的再生制动系统构成
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图2混合动力汽车制动控制系统框图
三、基于比例的制动能量回收控制策略
本文研究的车辆主要是城市公共出租车辆为对象。理想状态下,我们希望在整车的制动过程中,无论车速处于什么状况,电机都能够以较高的能量回收效率回收能量并提供制动所需的转矩。不过受电机自身特性以及电池的局限,这种状况很难实现。事实上,当车辆以较高车速制动时,在制动的起始阶段,将由摩擦制动输出较大比率甚至是全部的制动力,随着车速下降,再生制动力逐渐增加,摩擦制动力逐渐变小甚至有可能为零。
然而随着车速的逐渐减小,直至车速过低或临近停车时,整车本身的能量较低,基本无法回收,此时电机不再产生再生制动力,因此需要增大摩擦制动力,来保证车辆制动的安全性。由此也可知,在混合动力汽车的制动过程中,摩擦制动是再生制动得以实现和安全性的重要保证,应使摩擦制动具有快速、准确的响应特性。
根据整车制动控制策略,可以得出:当电池SOC值比较高或者接近饱和(常数)时,应该采用比较小的再生制动力分配系数。与此同时,还应该设置再生制动的车速最低限值以及SOC的最高上限值,换言之,在此车速(如小于l0km/h)以下或者该SOC值之上(如SOC>0.7),再生制动不起作用,制动力完全由摩擦制动提供。
再来考虑制动强度对再生制动力分配系数的影响:在制动强度较低或中等 (如Z<0.5)时,制动任务将由再生制动及摩擦制动共同承担;在制动强度较大(如Z>0.5),或再生制动已经达到极限时,电机将输出最大再生制动力,对于不能满足的部分则由摩擦制动提供;在紧急制动(如Z>0.7)情况下,为保证整车制动的安全性,全部的制动力都将由摩擦制动系统提供。
根据上述的制动策略,当驾驶员踩下制动踏板时,由压力传感器得到制动力信息,在控制器中经过计算,分别得到四个轮上的制动器制动力和电动机的再生制动力矩。将这些指令发送到各轮制动执行器和电动机控制器,由一定的控制方法使得实际的制动力按需要的制动力变化。当制动要求较小时,仅再生制动系统工作,当加速度(制动要求)增大时,后轴制动力等于再生制动力和机械制动力总和。当驾驶员的制动要求被检测到之后,控制系统将依据电机的特性以及电池的SOC值来决定车辆后轴的制动力是由再生制动系统单独提供,还是由摩擦制动系统、再生制动系统共同提供。
四、仿真及分析
本研究利用在MATLAB和SIMULINK软件环境下的ADVISOR进行了仿真,以验证控制策略的可行性。以出租车社会保有量较大的桑塔纳2000系列(包括桑塔纳3000、桑塔纳vista志俊)为基础研究对象,选用了比较接近我国城市道路交通状况的城市循环工况CYC—UDDS,图3为仿真结果。
从图3中可以观察到:
1.在道路循环的停车期间,发动机处于关闭状态,以降低油耗;
2.在道路循环要求加速时,电机均提供辅助驱动;减速、停车时,电机回收制动。并且由于道路循环中停车次数多,能量回收效果明显;
3.蓄电池系统SOC的初始值为0.7,最后下降为0.65,波动范围(ASOC)为0.05,变化不大,对电池有利。
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图3仿真结果
从上述仿真结果可以分析得出,利用本文所设计的再生制动控制策略,电机的再生制动力矩和传统摩擦制动器提供的液压制动力矩能够工作协调,确保汽车的稳定性和行驶的安全性。
因此,该再生制动系统能实现制动能量的回收利用同时确保了制动安全的前提,达到了预期的目标。
参考文献:
[1] 彭栋.混合动力汽车制动能量回收与ABS集成控制研究[D].上海交通大学,2007.
[2] 宫帅.10CVT混合动力汽车再生制动系统的研究与仿真[D].湖南大学,2008.
[3] 韩学军,侯建勋,徐海利.基于DSP的无刷直流电机速度控制系统[J].电机技术,2008(2).
[4] 陈清泉,孙逢春.混合动力电动车辆基础[M].北京:北京理工大学出版社,200l.
[5] 赵国柱.电动汽车再生制动稳定性研究[D].南京航空航天大学,2006.
[6] 张容萍.世界电动汽车的发展趋势[J].汽车与社会,200l(4).
作者简介:
傅彩虹(1972- ),女,本科学历,江苏省无锡交通高等职业技术学校讲师。多年从事机械及机电专业CAD、CAM和CAE的教学与研究。
(责编 张宇)
关键词:混合动力汽车 再生制动 策略 仿真
混合动力汽车,其英文缩写为HEV(Hybrid Electric Vehicle)。它一方面结合了传统内燃机车辆技术与现代工业的发展,另一方面也结合了电动汽车环保节能的特点,同时发扬了石油燃料比能量和比功率高的长处,显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性。
城区中的三大汽车群体(公共交通车辆、公务车辆、私家车)中,公共交通车辆(主要指公交汽车和出租汽车)在数量上占相当大的比例,是城市中相当突出的污染大户。在相当长的时期内,大量更新公共交通车辆的措施在我国是不现实的。这是因为,我国公共交通车辆的数量极其庞大,混合动力车辆的造价又比较高,在我们这样一个发展中国家,不可能轻易地实施更新。
针对这样的背景,特提出如下的研究设想:
研发一种简易的电力驱动系统,对现有的内燃机出租车进行改造,使其成为混合动力车辆,从而以较低成本达到节能减排的目的。
一、混合动力汽车的再生制动基本原理
混合动力汽车技术经过逐步的发展,目前比较常用的再生制动原理大体如下:当车辆处于制动状态时,通过一系列传动,汽车由行驶到制动这一过程中所产生的动能和势能传递给电机,根据电机的工作特性,这时候电机的作用相当于发电机,也就是说电机转子轴上的动能将会转变为电能,再经逆变器转换,能量最终将储存在蓄电池中,从而实现能量的再生利用,也提高了能量的利用效率。同时,由于发电产生的力矩又可以通过传动系统对驱动轮施加制动,产生制动力。
常用的电机为三相交流异步电机,它的再生制动原理可以进一步阐述如下:根据电磁感应原理,三相电流通入定子后,产生的磁场将以同步转速旋转,转子绕组中将会产生感应电流和感应电动势,电磁力引起的电磁转矩使得转子旋转,电机这时就能够带动它所承载的机械负荷。如果给转子施加一定的外部机械力使其转动,并使得转速超过同步转速,这时转子导体上也会产生感应电流和感应电动势,不过方向却是相反的。导致的结果是:定子电流和电机的输出转矩反向,能量则由电机处进行回馈。
综上,通过增大转子的转速或减小其同步转速均可使异步电机进入发电状态。从实现的难易程度来看,对于混合动力汽车的再生制动控制,通过后者相对来说更容易满足电机实际运行转速大于同步转速。
二、再生—摩擦制动系统的构成
汽车具有行驶、转弯、停车三个最基本的机能。其减速停车机能是由制动系统来完成的,通常包括制动器及其操纵装置等。混合动力汽车的整车制动包括发动机制动部分以及动力制动部分。发动机制动部分取决于汽车的实际车速以及加速踏板的操作状况。动力制动的机理与传统内燃机汽车类似,制动力的大小都由制动踏板的行程长短来确定,其不同之处在于,混合动力汽车同时包含了再生制动和摩擦制动,因此它不仅装有摩擦制动系统,同时还装有电机再生制动系统。根据前面的再生制动原理,当车辆在较高的车速下减速制动时,电机的作用相当于发电机,它会把减速制动所产生的能量转换成电能,储存在电池中,当车辆在较低的车速下制动或加速时再释放出来,这样就能达到能量回收利用的效果。两者的实际分配比率应该以两个方面为依据:一是能够使得制动能量的回收率尽可能高,二是能够满足制动的安全性。
图1所示为混合动力汽车再生制动系统的构成,其控制系统框图如图2所示。选用的车型是桑塔纳2000系列(包括桑塔纳3000、桑塔纳vista志俊),且维持原有车辆结构基本不变,所以,电力驱动和再生制动只有后轮。
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图1改造的再生制动系统构成
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图2混合动力汽车制动控制系统框图
三、基于比例的制动能量回收控制策略
本文研究的车辆主要是城市公共出租车辆为对象。理想状态下,我们希望在整车的制动过程中,无论车速处于什么状况,电机都能够以较高的能量回收效率回收能量并提供制动所需的转矩。不过受电机自身特性以及电池的局限,这种状况很难实现。事实上,当车辆以较高车速制动时,在制动的起始阶段,将由摩擦制动输出较大比率甚至是全部的制动力,随着车速下降,再生制动力逐渐增加,摩擦制动力逐渐变小甚至有可能为零。
然而随着车速的逐渐减小,直至车速过低或临近停车时,整车本身的能量较低,基本无法回收,此时电机不再产生再生制动力,因此需要增大摩擦制动力,来保证车辆制动的安全性。由此也可知,在混合动力汽车的制动过程中,摩擦制动是再生制动得以实现和安全性的重要保证,应使摩擦制动具有快速、准确的响应特性。
根据整车制动控制策略,可以得出:当电池SOC值比较高或者接近饱和(常数)时,应该采用比较小的再生制动力分配系数。与此同时,还应该设置再生制动的车速最低限值以及SOC的最高上限值,换言之,在此车速(如小于l0km/h)以下或者该SOC值之上(如SOC>0.7),再生制动不起作用,制动力完全由摩擦制动提供。
再来考虑制动强度对再生制动力分配系数的影响:在制动强度较低或中等 (如Z<0.5)时,制动任务将由再生制动及摩擦制动共同承担;在制动强度较大(如Z>0.5),或再生制动已经达到极限时,电机将输出最大再生制动力,对于不能满足的部分则由摩擦制动提供;在紧急制动(如Z>0.7)情况下,为保证整车制动的安全性,全部的制动力都将由摩擦制动系统提供。
根据上述的制动策略,当驾驶员踩下制动踏板时,由压力传感器得到制动力信息,在控制器中经过计算,分别得到四个轮上的制动器制动力和电动机的再生制动力矩。将这些指令发送到各轮制动执行器和电动机控制器,由一定的控制方法使得实际的制动力按需要的制动力变化。当制动要求较小时,仅再生制动系统工作,当加速度(制动要求)增大时,后轴制动力等于再生制动力和机械制动力总和。当驾驶员的制动要求被检测到之后,控制系统将依据电机的特性以及电池的SOC值来决定车辆后轴的制动力是由再生制动系统单独提供,还是由摩擦制动系统、再生制动系统共同提供。
四、仿真及分析
本研究利用在MATLAB和SIMULINK软件环境下的ADVISOR进行了仿真,以验证控制策略的可行性。以出租车社会保有量较大的桑塔纳2000系列(包括桑塔纳3000、桑塔纳vista志俊)为基础研究对象,选用了比较接近我国城市道路交通状况的城市循环工况CYC—UDDS,图3为仿真结果。
从图3中可以观察到:
1.在道路循环的停车期间,发动机处于关闭状态,以降低油耗;
2.在道路循环要求加速时,电机均提供辅助驱动;减速、停车时,电机回收制动。并且由于道路循环中停车次数多,能量回收效果明显;
3.蓄电池系统SOC的初始值为0.7,最后下降为0.65,波动范围(ASOC)为0.05,变化不大,对电池有利。
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图3仿真结果
从上述仿真结果可以分析得出,利用本文所设计的再生制动控制策略,电机的再生制动力矩和传统摩擦制动器提供的液压制动力矩能够工作协调,确保汽车的稳定性和行驶的安全性。
因此,该再生制动系统能实现制动能量的回收利用同时确保了制动安全的前提,达到了预期的目标。
参考文献:
[1] 彭栋.混合动力汽车制动能量回收与ABS集成控制研究[D].上海交通大学,2007.
[2] 宫帅.10CVT混合动力汽车再生制动系统的研究与仿真[D].湖南大学,2008.
[3] 韩学军,侯建勋,徐海利.基于DSP的无刷直流电机速度控制系统[J].电机技术,2008(2).
[4] 陈清泉,孙逢春.混合动力电动车辆基础[M].北京:北京理工大学出版社,200l.
[5] 赵国柱.电动汽车再生制动稳定性研究[D].南京航空航天大学,2006.
[6] 张容萍.世界电动汽车的发展趋势[J].汽车与社会,200l(4).
作者简介:
傅彩虹(1972- ),女,本科学历,江苏省无锡交通高等职业技术学校讲师。多年从事机械及机电专业CAD、CAM和CAE的教学与研究。
(责编 张宇)