（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

電動汽車滑行工況能量回收規(guī)律探究

譚密，羅永革，黃兵峰，吳桐

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

以某型純電動車為研究對象，旨在探究電動汽車處于滑行工況時的能量回收規(guī)律。判斷了汽車是否處于滑行工況，分析了能量回收的條件和影響因素，確定了電機目標轉矩和轉矩變化規(guī)律；運用Matlab/Simulink實現(xiàn)汽車以不同擋位和初速度開始滑行時的建模仿真，并完成實車測試驗證。結果表明：電機目標轉矩與實車測試轉矩基本一致，且在適當?shù)姆秶鷥?，滑行車速越高且擋位越高時能量回收率越大。

電動汽車；滑行工況；能量回收；實車測試

近年來我國電動汽車產(chǎn)銷量迅猛增長，作為其核心技術之一的能量回收技術倍受關注。電動汽車能量回收技術是一種汽車節(jié)能技術，當電動汽車處于滑行或者制動工況時，將車輛動能通過適當?shù)目刂品椒▉砜刂乞寗与姍C發(fā)電，所產(chǎn)生的電能儲存于動力電池中，減少能量以熱能形式耗散，有效提高能量利用率和汽車續(xù)駛里程。因此對電動汽車能量回收規(guī)律進行深入研究具有重大意義。

目前，對能量回收的研究重點主要集中在制動工況。哈爾濱工業(yè)大學的林雙武提出了基于滾動優(yōu)化算法對能量回收進行有限步尋優(yōu)［1］；清華大學的盧東斌等研究永磁同步電機在磁場定向控制下的制動原理，提出電動汽車最優(yōu)制動能量回饋控制策略［2］；中國汽車技術中心的徐月云等通過道路實際測試數(shù)據(jù)分析了電動汽車再生制動能量回收特性［3］；吉林大學初亮等結合汽車制動動力學和ECE法規(guī)分析，提出一種基于全解耦式制動系統(tǒng)的串聯(lián)式再生制動控制策略［4］。從上述文獻中不難看出，對能量回收的研究更偏向于制動工況而非滑行工況。文中以搭載AMT兩擋變速箱、采用永磁同步電機后置后驅的某型純電動車為研究對象，重點探究電動汽車滑行工況的能量回收規(guī)律。

1 電動汽車滑行工況

1.1 滑行工況簡介

滑行工況是電動汽車（簡稱“汽車”）行駛過程中的常見工況，是指在既沒有加速踏板也沒有制動踏板信號輸入時，車輛在慣性作用下行駛的工況，通常分為空擋滑行和帶擋滑行。文中討論的滑行工況均屬于帶擋滑行。由此可見，擋位是判斷滑行工況的一個重要條件，但要全面準確地判斷汽車是否處于滑行工況，必須同時滿足以下4個條件：擋位不為空擋、加速踏板開度為零、制動踏板開度為零、車速大于汽車自動起步工況穩(wěn)定車速。若4個條件中有任意一個不能滿足即認為汽車退出滑行工況而進入其他工況。根據(jù)實際的行駛狀況，汽車進入滑行工況有3種途徑：1）從驅動到滑行，指汽車在驅動狀態(tài)時迅速松掉加速踏板；2）從制動到滑行，指汽車在制動減速狀態(tài)時迅速松掉制動踏板；3）從自動起步到滑行，指汽車在自動起步后進入長下坡且車速大于自動起步穩(wěn)定車速。

1.2 滑行工況受力分析

無論汽車是從驅動到滑行還是從制動到滑行，根據(jù)汽車行駛動力學分析，汽車在平直路面處于滑行工況時主要受到滾動阻力、空氣阻力和電機再生制動力，3個力的合力使汽車產(chǎn)生一個滑行減速度，此時汽車處于減速滑行過程［5］：

式中：m為整備質量；g為重力加速度；f為滾動阻力系數(shù)；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積；ua為車速；T為電機再生制動轉矩；ig為主減速比；i0為該擋傳動比；r為車輪半徑；a為滑行減速度。其中T為負值，其大小直接反映汽車在滑行工況時能量回收的潛力。而汽車自動起步后進入長下坡滑行且坡度足夠時，在自身重力作用下會產(chǎn)生的加速度使車速不斷增加，當車速較高時屬于相對危險的滑行情況。

2 能量回收規(guī)律

能量回收規(guī)律應該保證汽車在整個滑行過程中能量回收的普適性、高效性和車輛在行駛方向上的平順度。作為能量回收的核心，電機應充分發(fā)揮其準確控制且響應優(yōu)良的優(yōu)勢，盡可能多地提高能量回收率，增加汽車續(xù)駛里程。

2.1 滑行工況能量回收的條件和影響因素

電機產(chǎn)生的再生制動轉矩能進行能量回收增加汽車續(xù)駛里程，但必須滿足能量回收的條件方可進行。一般而言，能量回收要滿足電機轉速、再生制動轉矩、發(fā)電功率、電池SOC等一系列條件，若電機轉速較低、再生制動轉矩較小、發(fā)電功率較低、電池SOC過高或者過低時則無需進行能量回收。能量回收的最直接表現(xiàn)是電池的充電電流，能量回收率則是評價汽車經(jīng)濟性的重要參考［6］。

滑行工況能量回收的影響因素主要有控制策略、電機、電池、變速箱擋位以及汽車使用環(huán)境等。適當?shù)目刂撇呗詫δ芰炕厥掌饹Q定性作用；電機定子、轉子電阻和自身效率對能量回收有很大影響，同時電機及其控制器要工作在適當?shù)臏囟确秶鷥?，電機轉速越高、轉矩越大、功率越大，可回收能量就越多；電池作為能量回收后的存儲裝置，與能量回收關系密切，電池的溫度、充電電流、SOC、能量管理策略等都將對能量回收產(chǎn)生直接影響；當擋位高時傳動比較小所需轉矩就更大，可回收的能量更多，反之可回收的能量較少；汽車使用環(huán)境對能量回收的影響涉及路況、環(huán)境溫度和車況是否良好等，在車況良好、行車環(huán)境溫度適宜、路況平直低阻時，可回收能量越多。

2.2 目標轉矩的確定

在汽車滑行過程中，任意時刻的電機目標轉矩均由電機的特性曲線確定，在基速以下時，電機輸出轉矩保持恒定，其功率與轉速呈比例關系；基速以上時，電機輸出轉矩隨轉速增加不斷減小，功率輸出保持恒定。由式（1）知轉矩和滑行減速度相關，而滑行減速度與初始車速和滑行距離相關：

式中：S為滑行距離；u0為初速度；u1為自動起步工況穩(wěn)定車速；a為滑行減速度。

根據(jù)汽車實際要求，自動起步工況穩(wěn)定車速為5 km·h-1；且在D1擋以20 km·h-1車速滑行時，最大滑行距離為30 m；在D2擋以45 km·h-1車速滑行時，最大滑行距離為150 m。同時由能量回收的條件對車速的要求，車速低于15 km·h-1（分別對應電機轉速D1擋2 000 r·min-1，D2擋850 r·min-1）時不回收能量。將這些數(shù)據(jù)代入式（1）～（2）后得滑行減速度為0.5 m?s-2，電機再生制動轉矩的最大值分別在D1擋時為-2.3 N?m，D2擋時為-15 N?m。

根據(jù)上述分析計算，電機在不同擋位時的轉速與目標轉矩關系圖如圖1所示。

圖1 滑行時目標轉矩與轉速關系圖

2.3 電機轉矩變化規(guī)律

電機目標轉矩確定后，由當前轉矩到目標轉矩的變化過程，考慮到汽車行駛穩(wěn)定性和乘客的乘坐感受，要求轉矩不能產(chǎn)生突變。結合電機本身快速響應的特點，在不出現(xiàn)轉矩突變的前提下還要保證盡可能快的達到目標轉矩。在每個采樣時刻的電機轉矩變化量由當前轉矩和目標轉矩的差值確定。圖2所示提供了2種轉矩變化方式，即虛線表示線性變化規(guī)律和階梯形變化規(guī)律。在實際應用中，由于線性變化規(guī)律對系統(tǒng)精度要求高，并且在當前轉矩和目標轉矩的差值較小時適用性不佳；而階梯形變化規(guī)律簡單易實現(xiàn)且適用性優(yōu)勢突出，因此文中轉矩變化規(guī)律采用階梯形規(guī)律。

圖2 轉矩差值與實際轉矩變化量關系圖

3 Matlab/Simulink建模仿真

根據(jù)上述汽車滑行工況能量回收規(guī)律，運用Matlab/Simulink進行汽車滑行工況能量回收建模仿真，判斷汽車的行駛狀態(tài)并采用適當?shù)目刂撇呗裕M汽車滑行工況時能量回收情況，并通過能量回收率來表示：

式中：η為能量回收率；Er為滑行過程中整車動能變化量；ΔE為滑行過程中所回收的能量值。

3.1 Matlab/Simulink建模

汽車在滑行工況能量回收流程圖如圖3所示。根據(jù)圖3所示流程運用Matlab/Simulink進行建模，選用汽車進入滑行工況最普遍的從驅動到滑行途徑，對比在擋位和初速度不同情況下回收能量值和能量回收率的影響?；泄r能量回收控制模型如圖4所示，其中滑行子系統(tǒng)如圖5所示。

圖3 滑行工況能量回收控制策略流程圖

圖4 滑行工況能量回收控制模型

圖5 滑行子系統(tǒng)

3.2 仿真實驗與結果

根據(jù)汽車擋位和開始滑行時初速度的不同，設置了對比仿真，分別進行了D2擋時初速度分別為50 km·h-1、40 km·h-1、30 km·h-1的3次仿真和D1擋時初速度分別為40 km·h-1、30 km·h-1、20 km·h-1的3次仿真。由于AMT變速箱換擋控制策略和電機轉速的限制，D1擋時最高車速不會達到40 km·h-1，而只能達到36 km·h-1。汽車滑行工況回收的能量值和能量回收率仿真結果如表1所示。

表1 滑行工況回收能量值和能量回收率仿真結果表

3.3 實車驗證

針對從驅動到滑行的情況，在實車測試時根據(jù)汽車不同擋位和滑行初速度設置與仿真實驗一一對應的驗證實驗，對滑行能量回收做具體分析。實車驗證選擇平直開闊路面且整個過程歷時較短，可認為路況、電池SOC、汽車狀況、外圍環(huán)境等可能影響能量回收的因素均一致。數(shù)據(jù)采集是運用專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與車上預留數(shù)據(jù)接口連接，在汽車行駛過程中對電機轉速、轉矩、和電池電流等數(shù)據(jù)進行時間間隔0.1 s的實時采集。根據(jù)實車測試結果，電機目標轉矩和實際轉矩與轉速的關系對比曲線如圖6所示。由圖6中曲線可知：整個實車測試過程中，車輛運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)不正常抖動或者沖擊狀況。在進入滑行工況之后，電機實際轉矩根據(jù)轉矩變化規(guī)律由驅動時較大的正轉矩迅速變到滑行時的目標轉矩。在同一擋位時，不同初始車速滑行時能量回收規(guī)律基本一致。在 D1擋、電機轉速為 2 500～5 500 r·min-1、再生制動轉矩為-1～-2.3 N·m，D2擋、電機轉速為850～5 500 r·min-1、再生制動轉矩為-5～-15 N?m時，電機發(fā)電對電池充電，實現(xiàn)能量回收。

圖6 電機實際轉矩與轉速關系曲線

4 總結

根據(jù)電動汽車滑行工況能量回收規(guī)律的理論分析和Matlab/Simulink建模仿真以及實車測試驗證，得出結論：1）判斷電動汽車是否進入滑行工況時必須同時滿足擋位不為空擋、無加速踏板輸入、無制動踏板輸入和電機轉速高于自動起步工況穩(wěn)定轉速這4個條件；2）電動汽車滑行工況能量回收控制策略中電機轉矩規(guī)律符合電機特性曲線，所采用的階梯形轉矩變化規(guī)律簡單高效易實現(xiàn)，適用性高且不會造成明顯抖動或沖擊；3）電動汽車滑行工況能量回收率與回收能量值均與擋位和初始車速有關，擋位相同時，能量回收規(guī)律基本一致；且在一定范圍內，擋位高且初始車速大，能量回收率和回收能量值就越大。

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

［2］盧東斌，李建秋，歐陽明高，等.電動汽車永磁同步電機最優(yōu)制動能量回饋控制［J］.中國電機工程學報，2013（3）：83-92.

［3］徐月云.電動汽車再生制動能量回收特性研究［C］//中國汽車工程學會.中國汽車工程學會年會論文集.北京：中國汽車工程學會，2014：4.

［4］初亮，何強，富子丞，等.純電動汽車再生制動控制策略研究［J］.汽車工程學報，2016（4）：244-251.

［5］王保華，郁俊杰.混合動力客車制動能量回饋及控制仿真研究［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2008（4）：1-5.

［6］楊亞娟，趙韓，朱茂飛.電動汽車最大能量回收再生制動控制策略的研究［J］.汽車工程，2013（2）：105-110.

Research on Energy Recovery Laws of Electrical Vehicles Under Sliding Condition

Tan Mi,Luo Yongge,Huang Bingfeng,Wu Tong
（School of Automotive Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

Taking an electric vehicle as the research object,the law of energy recovery was explored when the electric vehicle is in the sliding condition.The sliding condition was judged,the condition of the energy recovery and the influencing factors were analyzed,and the law of torque and the motor torque were determined.The model of the vehicle with different gears and initial velocity was estab?lished and simulated by Matlab/Simulink,and the real vehicle test verification was completed.The re?sults show that the target torque of motor is basically the same as that of the actual vehicle test,and the higher the glide speed and the higher the gear,the higher the energy recoveryisintheappropriate range.

electric vehicle;sliding condition;energy recovery;vehicle test

U469.72

A

1008-5483（2017）04-0058-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.04.013

2017-09-02

汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新項目（2015XTZX04）；湖北汽車工業(yè)學院碩士研究生創(chuàng)新基金項目（Y2016304）

譚密（1992-），男，陜西寶雞人，碩士生，從事汽車電子控制技術的研究。E-mail：912458323@qq.com