纯电动客车制动电阻回馈方案设计

梁丰收， 林 超， 姜昆明， 杨 伟

(比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118)

纯电动客车在动力电池满电时为避免电池过充损坏，禁止回馈制动，因此引发车辆的制动性能下降，在不同SOC下的回馈制动力一致性差。另外对于轮边驱动桥结构的纯电动客车，驱动电机与车轮间无传动轴[1]，难以加装缓速器，当车辆满电时，也无法执行回馈制动，不能满足GB 12676—2014中IIA型试验(缓速制动性能)要求[2]。有方案提出利用超级电容或大电感并联在电池两端以存储回馈能量[3]。由于在IIA型试验中要求缓速制动的平均回馈功率和回馈总电量要大，所以这种方案要匹配相应等级的电容或电感在成本和体积上不可取，且该方案只能存储能量，电容或电感无法消耗能量，还需提供额外途径给其放电。

本文针对纯电动客车设计一种满电回馈方式，利用制动电阻释放回馈电能，使车辆在全SOC范围内都能执行回馈制动，满足标准要求，提升制动性能。

1 制动电阻回馈方案

1.1 制动电阻回馈原理

车辆执行制动回馈时，整车控制器将蓄电池不能吸收的回馈功率发送给电阻控制器，由制动电阻释放。电阻控制器通过IGBT管将制动电阻接入电池回路，并由PWM波调节电阻两端电压控制释放功率P的大小：

P=U2/R

(1)

式中：U为控制器输出电压端电压，最高电压为母线电压；R为制动电阻阻值。

制动电阻回馈原理图如图1所示。

图1 制动电阻回馈原理图

1.2 制动电阻功率计算

在纯电动车的IIA型试验中，车辆依靠电机的回馈扭矩致使车辆在斜坡上受力平衡从而匀速下滑[4]。车重越大，所需电机回馈扭矩越大，产生的回馈功率也就越大[5]，因此需匹配相应等级的制动电阻来释放回馈功率。

以某纯电动客车(质量为9 700 kg)为例，根据GB 12676—2014中IIA型试验(缓速制动性能)条件，计算出车重对应的电机回馈扭矩和回馈功率[2]。

已知车辆在7%斜坡上受力平衡：

F+f1+f2=mgsinα

(2)

轮胎滚动阻力：f1=μmgcosα

(3)

整车风阻：f2=CAv2/21.15

(4)

电制动回馈功率：PB=F·v

(5)

回馈扭矩：T=F·R·η/n

(6)

式中：α为试验坡度，tan α=0.07；μ为30 km/h车速下车轮的滚动阻力系数，值为0.006 51；A为车辆迎风面积，值为7.44 m2；C为风阻系数，值为0.62；η为机械轴的效率，值为0.913；v为试验要求的匀速速度，30 km/h；R为车轮滚动半径，值为0.513 m；n为减速器速比，值为8.5。

将相关参数代入以上各式求得：电机需提供回馈功率44.6 kW，回馈制动扭矩322 N·m。试验中要求电池满电，回馈能量须全部由制动电阻释放[6]，所以匹配制动电阻的额定释放功率应不小于44.6 kW，本方案选取电阻额定释放功率为44.6 kW。

1.3 回馈策略制定

引入制动电阻使整车能执行的回馈能力增加44.6 kW，即满电时由制动电阻释放功率44.6 kW，非满电下回馈能量优先由电池吸收，多余回馈能量由制动电阻释放。电池允许回馈功率P1由电池管理器BMS根据电池电荷量SOC值、电池状态实时计算得到[7]，具体回馈策略如下：

整车控制器通过车速、制动踏板深度、电池状态信息等计算出车辆当前需要的总回馈功率P2，当电池禁止回馈电量时，回馈功率P2全部由制动电阻释放；当电池允许回馈电量时，若P2≤P1，总回馈功率P2全部由电池吸收储存；若P2>P1，则制动功率优先回馈给电池P1，多余的回馈功率由制动电阻释放，即制动电阻释放功率为P2-P1[8]。

2 试验验证

现有额定44.6 kW的制动电阻和电阻控制器，加装在某纯电动客车上做IIA型制动试验；另验证当车辆回馈功率减小时，制动电阻的释放功率P是否跟随回馈功率P2变化，使电阻工作时不额外损耗电池电量；及验证当电池允许回馈下，整车是否分配回馈功率。

2.1 IIA型制动试验验证

整车控制器设定车辆在车速为30 km/h，双电机执行的回馈扭矩322 N·m刚好满足车辆在斜坡上受力平衡的要求，试验时SOC值为100%，电池不允许回馈能量，用牵引车牵引车辆，模拟IIA型制动试验工况。

如表1和图2所示，车辆在外力的牵引下，车速稳定在30 km/h，持续执行制动回馈，回馈功率和制动电阻上释放的功率均约为44.6 kW，持续时间大于12 min(试验距离大于6 km)，电机回馈扭矩与理论值相等，示波器测得母线无冲击电压、电池端无充电电流[9]，满足IIA型试验要求，具备缓速制动性能。

表1 车速、回馈扭矩和释放功率测试数据表

图2 母线电压、电阻电流、母线电流波形图

2.2 制动电阻释放功率跟随性验证

牵引车以25 km/h牵引车辆，然后将车速降至15 km/h，验证当回馈功率变化时制动电阻的释放功率P能否及时响应[9]。

如表2所示，在车速从25 km/h变化至15 km/h的过程中，回馈扭矩跟随车速变化，因此回馈功率P2也在变化。制动电阻的释放功率P与回馈功率P2保持一致，证明制动电阻控制跟随性良好，不会额外消耗电池电量。

表2 车速、回馈扭矩和释放功率数据表

2.3 整车回馈功率分配试验

试验时SOC值为60%电池允许回馈(一般SOC≥95%时电池禁止回馈)，车辆加速至55 km/h后，松油门，踩刹车。

如图3所示，车辆执行刹车回馈功率P2，当P1≥P2时，回馈能量全部由电池吸收；当P1

图3 分配回馈功率波形图

2.4 制动电阻温度测试

当制动电阻消耗回馈能量时，会大量发热，试验全程监测制动电阻的温度和出风口温度。

制动电阻持续工作中内部温度持续升高，经风扇冷却后温度趋于稳定，可持续工作；由于制动电阻工作发热量大，后续可开发水冷制动电阻，以提升散热性能。

3 结束语

引入制动电阻单元可以解决纯电动车满电不能回馈问题，使车辆在全SOC范围内都具有缓速制动性能，满足GB 12676—2014中IIA型制动试验(缓速制动性能)要求[10]。

在非试验条件，制动电阻也可以参与制动，提升整车在不同SOC下回馈制动的一致性，改善驾驶员驾驶感受，减轻机械制动负荷[11]。

电阻控制器响应整车控制器命令，可以实时、无极调节制动电阻上的泄放功率，接入回路中不会额外损耗电池电量且智能分配回馈功率。