Исследование стратегии рекуперативного торможения электромобилей

В условиях энергетической нестабильности, вызванной трансформацией глобального спроса на энергию и энергоресурсы, одним из важнейших направлений в автомобилестроении является разработка транспортных средств на электрической тяге. Серийное производство высокотехнологичных электромобилей с большим запасом хода способствует стабилизации рынка энергоресурсов и устойчивому развитию всего топливно-энергетического сектора. Для оценки возможности оптимизации энергопотребления электромобилей в статье рассматриваются различные стратегии рекуперативного торможения на базе имитационной модели электромобиля Nissan Leaf, включающей субмодули тягового электродвигателя, гибридной тормозной системы, тяговой аккумуляторной батареи и шин. Результаты моделирования сопоставлялись с экспериментальными данными научно-исследовательской лаборатории Lab Avt (США), опубликованными для проверки адекватности имитационных моделей, воспроизводящих взаимосвязь между рабочими параметрами различных систем электромобиля и оценивающих их способность регенерировать энергию при торможении. Относительная погрешность результатов математического моделирования процессов рекуперации энергии составляет 4,5 %, что свидетельствует об адекватности имитационной модели электромобиля и возможности ее использования в качестве базовой для исследований и сопоставления энергоэффективности различных стратегий рекуперативного торможения. Как показали результаты экспериментов, использование предлагаемой стратегии управления максимальной силой рекуперативного торможения позволяет увеличить трафик энергии подзарядки в 2,14 раза по сравнению с базовой стратегией управления на основе фиксированного коэффициента распределения тормозных усилий по осям транспортного средства при увеличении тормозного пути на 10 м. Альтернативная стратегия управления оптимальной эффективностью рекуперативного торможения обеспечивает по сравнению с базовой стратегией уменьшение тормозного пути на 13,2 % при одновременном увеличении на 84,4 % количества вырабатываемой электродвигателем энергии для подзарядки тяговых аккумуляторных батарей. Проведенные исследования подтверждают имеющийся потенциал по повышению эффективности использования электромобилей за счет совершенствования стратегии и алгоритмов управления рекуперацией энергии торможения.

1. Bhurse S. S., Bhole A. A. (2018) A Review of Regenerative Braking in Electric Vehicles. 2018 International Conference on Computation of Power, Energy, Information and Communication (ICCPEIC), 363–367. https://doi.org/10.1109/ICCPEIC.2018.8525157.

2. Nian X. H., Peng F., Zhang H. (2014) Regenerative Braking System of Electric Vehicles Driven by Brushless DC Motors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61 (10), 5798–5808. https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2300059.

3. Bobba P. B., Rajagopal K. R. (2012) Modeling and Analysis of Hybrid Energy Storage Systems Used in Electric Vehicles. 2012 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), 1–6. https://doi.org/10.1109/PEDES.2012.6484365.

4. Onda K., Ohshima T., Nakayama M., Fukuda K., Araki T. (2006) Thermal Behavior of Small Lithium-Ion Battery during Rapid Charge and Discharge Cycles. Journal of Power Sources, 158 (1), 535–542. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.08.049.

5. Schaltz E., Khaligh A., Rasmussen P. O. (2008) Investigation of Battery/Ultracapacitor Energy Storage Rating for a Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle. 2008 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 1–6. https://doi.org/10.1109/VPPC.2008.4677596.

6. Wu Y., Jiang X. H., Xie J. Y. (2009) The Reasons of Rapid Decline in Cycle Life of Li-Ion Battery. Battery Bimonthly, 39 (4), 206–207.

7. Zhang J., Lu X., Xue J., Li B. (2008) The Regenerative Braking System for Series Hybrid Electric City Bus. World Electric Vehicle Journal, 2 (4), 363–369. https://doi.org/10.3390/wevj2040363.

8. Guo J., Wang J., Cao B. (2009) Regenerative Braking Strategy for Electric Vehicles. 2009 IEEE Intelligent Vehicles Symposium Conference. Xi’an, China, 864–868. https://doi.org/10.1109/IVS.2009.5164393.

9. Xiao B., Lu H., Wang H., Ruan J., Zhang N. (2017) Enhanced Regenerative Braking Strategies for Electric Vehicles: Dynamic Performance and Potential Analysis. Energies, 10 (11), 1875–1894. https://doi.org/10.3390/en10111875.

10. Genikomsakis K. N., Mitrentsis G. (2017) A Computationally Efficient Simulation Model for Estimating Energy Consumption of Electric Vehicles in the Context of Route Planning Applications. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 50, 98–118. https://doi.org/10.1016/j.trd.2016.10.014.

11. Chen Lv, Junzhi Zhang, Yutong Li, Ye Yuan (2015) Novel Control Algorithm of Braking Energy Regeneration System for an Electric Vehicle during Safety-Critical Driving Maneuvers. Energy Conversion and Management, 106, 520–529. https://doi.org/10.1016/j.encon man.2015.09.062.

12. Ming Lv, Zeyu Chen, Ying Yang, Jiangman Bi (2017) Regenerative Braking Control Strategy for a Hybrid Electric Vehicle with Rear Axle Electric Drive. 2017 Chinese Automation Congress (CAC). Jinan, China, 521–525. https://doi.org/10.1109/CAC.2017.8242823.

13. Setiawan J. D., Budiman B. A., Haryanto I., Munadi M., Ariyanto M., Hidayat M. A. (2019) The Effect of Vehicle Inertia on Regenerative Braking Systems of Pure Electric Vehicles. 2019 6th International Conference on Electric Vehicular Technology (ICEVT), 179–188. https://doi.org/10.1109/ICEVT48285.2019.8993977.

14. Peng D., Zhang Y., Yin C. L., Zhang J. W. (2008) Combined Control of a Regenerative Braking and Antilock Braking System for Hybrid Electric Vehicles. International Journal of Automotive Technology, 9 (6), 749–757. https://doi.org/10.1007/s12239-008-0089-3.

15. Güney B., Kiliç H. (2020) Research on Regenerative Braking Systems: A Review. International Journal of Science and Research (IJSR), 9 (9), 160–166.

16. Le T. N., Dinh B. T., Pham V. S., Le V. T., Nguyen T. D., Nguyen T. L., Nguyen T. D. (2021) Research on Building an Electric Car Model. Student Forum – Sustainable Energy, 514–520.

17. Luu V. T. (2019) Vehicle Theory. Ha Noi, Vietnam Education Publisher. 195.

18. Ngo P., Gulkov G. I. (2017) Calculation of a Mechanical Characteristic of Electric Traction Motor of Electric Vehicle. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (1), 41–53. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-1-41-53 (in Russian).

19. Ngo P. (2017) Calculation of Inductance of the Interior Permanent Magnet Synchronous Motor. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associa-tions, 60 (2), 133–146. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-2-133-146 (in Russian).

20. 2013 Nissan Leaf Advanced Vehicle Testing – Baseline Testing Results. Available at: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2015/01/f19/fact2013nissanleaf.pdf.

21. Chu L., Shang M., Fang Y., Guo J., Zhou F. (2010) Braking Force Distribution Strategy for HEV Based on Braking Strength. 2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 759–764. https://doi.org/10.1109/ICMTMA.2010.344.