輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)分析*

余進(jìn)超，李軍（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶　400074）

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)分析*

余進(jìn)超，李軍
（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶400074）

摘要：以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，介紹了輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及其集成制動(dòng)系統(tǒng)的解決方案；闡述了輪轂電機(jī)再生制動(dòng)的基本原理；根據(jù)再生制動(dòng)系統(tǒng)的要求，分析了輪轂電機(jī)再生制動(dòng)的約束條件；通過(guò)對(duì)幾種不同典型的再生制動(dòng)系統(tǒng)控制策略的對(duì)比分析，確定了一種適合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)控制方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；輪轂電機(jī)；再生制動(dòng)；控制策略

*重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：CSTC2013yykfB0184）；重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號(hào)：20120108）

0　引言

再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)是指在電動(dòng)汽車制動(dòng)或減速時(shí)，將汽車行駛的動(dòng)能或勢(shì)能通過(guò)傳統(tǒng)系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)，并將其轉(zhuǎn)換成電能，為動(dòng)力電池充電，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生利用，提高電動(dòng)汽車的能量利用率，并起到保護(hù)環(huán)境的積極作用[1]。電機(jī)再生制動(dòng)力并不是作用在任何車輪上，只有與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相連的車輪即驅(qū)動(dòng)輪才能獲得電機(jī)再生制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)能向電機(jī)的傳遞和轉(zhuǎn)化。因此，相較于前輪或后輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的能量回收效果最佳[2-4]。

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究是電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，而其性能則主要依賴于該系統(tǒng)的控制策略[4]。本文以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，對(duì)其再生制動(dòng)系統(tǒng)能量回收及其控制策略進(jìn)行研究和分析。

1　輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)及制動(dòng)系統(tǒng)集成

1.1輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的動(dòng)力性需求，安裝在電動(dòng)汽車上的輪轂電機(jī)要求在低速時(shí)能提供較大的轉(zhuǎn)矩，以確保汽車能夠順利起步；同時(shí)，電機(jī)還要有較寬的調(diào)速范圍，以使汽車有較好的動(dòng)力性能。目前，在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車上運(yùn)用較多的是永磁無(wú)刷直流電機(jī)，該種輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，不僅可減少汽車的軸向尺寸，且對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快[5]。

如圖1和圖2所示，該種輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式為外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)，由電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、軸承、逆變器及控制器等組成；通過(guò)線控系統(tǒng)將整車的控制器與電機(jī)的控制器聯(lián)系起來(lái)，去除了傳統(tǒng)的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，在保留傳統(tǒng)的剎車系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高整車能量利用效率的同時(shí)簡(jiǎn)化了汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其擁有更多的布置空間。

圖1　電動(dòng)輪三維分解圖

1.2輪轂電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的集成

汽車的制動(dòng)性能是影響汽車安全行駛的最重要特征之一，它是汽車安全行駛的重要保障。根據(jù)汽車制動(dòng)性的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：制動(dòng)效能、制動(dòng)效能恒定性和制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性，汽車的制動(dòng)系統(tǒng)必須滿足以下要求：（1）緊急制動(dòng)時(shí)必須保證汽車有較好的制動(dòng)效能；（2）保持汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性[6]。

圖2　輪轂電機(jī)示意圖

利用輪轂電機(jī)可以被控制作為發(fā)電機(jī)使用的特性，在汽車的制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)輪轂電機(jī)的發(fā)電特性將汽車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并保存至能量?jī)?chǔ)存裝置，同時(shí)負(fù)的電樞電流產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)性的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給車輪以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的制動(dòng)；然而由于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)電制動(dòng)容量較小，不能滿足整車制動(dòng)效能的要求，因而需要附加機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或盤(pán)式制動(dòng)器。由于輪轂電機(jī)電制動(dòng)容量的存在，往往可以使機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)器的設(shè)計(jì)容量適當(dāng)減小，如圖3所示輪轂電機(jī)集成制動(dòng)系統(tǒng)。

圖3　輪轂電機(jī)集成制動(dòng)系統(tǒng)

2　輪轂電機(jī)再生制動(dòng)基本原理

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的回收系統(tǒng)對(duì)于提高電動(dòng)汽車能量的利用率，增加續(xù)駛里程具有重要意義。該系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換裝置、能量?jī)?chǔ)存裝置以及控制部分組成。當(dāng)電動(dòng)汽車通電時(shí)，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛；汽車制動(dòng)時(shí)，此時(shí)輪轂電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)轉(zhuǎn)矩給車輪，使汽車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)能量進(jìn)行回收再利用，以提高汽車的能源利用率并增加其續(xù)駛里程[7]。

汽車在行駛過(guò)程中，牽引力Ft應(yīng)滿足：

其中：Ff為滾動(dòng)阻力、Fj為加速阻力（制動(dòng)力）、Fi為坡度阻力、Fw為空氣氣阻力。

設(shè)剎車前車速為V1，剎車后車速為V2，則剎車過(guò)程中的動(dòng)能損耗為：

在存在頻繁制動(dòng)的城市交通工況下，一般車速和路面坡度都較低，故可認(rèn)為坡度阻力Fi和空氣阻力Fw均可忽略不計(jì)，所以式（2）可簡(jiǎn)化為：

m為汽車質(zhì)量；s為制動(dòng)距離。滾動(dòng)阻力由車輪變形及與地面的摩擦產(chǎn)生，這部分能量以熱能的形式散發(fā)，無(wú)法回收；輪轂電機(jī)集成制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)力包括再生動(dòng)力和傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)力；摩擦制動(dòng)力產(chǎn)生的能量無(wú)法回收，只有再生制動(dòng)力消耗的能量才可以回收。

輪轂電機(jī)在制動(dòng)發(fā)電時(shí)滿足的功率平衡關(guān)系如式（4）：

其中：P1為電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下的輸入功率；Pm為機(jī)械損耗；Pf為定子損耗；Pe為電磁功率；電機(jī)電樞輸出功率與電磁功率之間的關(guān)系如式（5）：

其中：P2為電機(jī)電樞輸出功率；P1為電機(jī)電樞電流；R為定子單相繞組電阻；n為定子繞組相數(shù)。

3　再生制動(dòng)系統(tǒng)要求與約束條件

3.1再生制動(dòng)系統(tǒng)要求

制動(dòng)能量回收兩個(gè)基本原則：一是確保整車行駛安全，盡量使整車制動(dòng)過(guò)程符合傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣；二是最大限度地進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

為使再生制動(dòng)系統(tǒng)較好地完成汽車制動(dòng)與制動(dòng)能回收的雙重任務(wù)，須滿足如下要求[7-8]。

（1）制動(dòng)穩(wěn)定性：為保證車輛制動(dòng)安全，要求加入再生制動(dòng)系統(tǒng)后，一方面要避免出現(xiàn)后輪先抱死的危險(xiǎn)工況；另一方面要盡量避免前輪先抱死，以保證車輛的轉(zhuǎn)向能力；同時(shí)制動(dòng)時(shí)前、后輪均要有足夠的制動(dòng)效率，以保證足夠的制動(dòng)效能。

（2）制動(dòng)平順性：在滿足車輛制動(dòng)需求的條件下，機(jī)械摩擦制動(dòng)能根據(jù)電制動(dòng)力矩的大小相應(yīng)地變化，使駕駛員在加入再生制動(dòng)力后制動(dòng)時(shí)的感覺(jué)與傳統(tǒng)燃油車一樣平順。

（3）能量回收率：在保證制動(dòng)穩(wěn)定性與平順性的前提下，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)恼囋偕苿?dòng)控制策略，盡可能多地回收制動(dòng)能。

3.2輪轂電機(jī)再生制動(dòng)約束條件

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收受到電池荷電狀態(tài)、車速、電機(jī)特性、制動(dòng)法規(guī)及地面附著力等因素的限制[7，9]。

制動(dòng)能量回收時(shí)輪轂電機(jī)的發(fā)電功率不能大于電池的最大充電功率，否則會(huì)對(duì)電池造成損壞；同時(shí)制動(dòng)能量回收還受到電池荷電狀態(tài)SOC的影響，當(dāng)電池SOC值較高時(shí)，為延長(zhǎng)電池壽命，不再進(jìn)行制動(dòng)能量回收；輪轂電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電能力不同，同時(shí)根據(jù)輪轂電機(jī)特性，當(dāng)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，以恒定轉(zhuǎn)矩輸出；而輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，以恒定功率輸出，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩成反比。另外，當(dāng)車輛的制動(dòng)初速度低于某一閥值（10～15 km/h）時(shí)，輪轂電機(jī)便停止制動(dòng)能的回收；輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在制動(dòng)時(shí)，每個(gè)車輪上都會(huì)有電機(jī)制動(dòng)力參與，以制動(dòng)安全穩(wěn)定為首要目標(biāo)，其制動(dòng)力的大小受到相關(guān)制動(dòng)法規(guī)的限制。

因此，如何協(xié)調(diào)控制輪轂電機(jī)再生制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力之間，以及前、后輪制動(dòng)力之間的比例關(guān)系，是輪轂電機(jī)再生制動(dòng)能量回收的關(guān)鍵。

4　輪轂電機(jī)再生制動(dòng)控制策略分析

再生制動(dòng)控制策略的總體目標(biāo)是：在保證整車制動(dòng)性能的前提下，使制動(dòng)能量的回收達(dá)到最大化。

本文研究的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)，主要由四個(gè)輪轂電機(jī)、逆變器、電機(jī)控制器、整車控制單元ECU、動(dòng)力電池、機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)壓裝置組成。該結(jié)構(gòu)方案的特點(diǎn)是在汽車前后制動(dòng)管路上裝有調(diào)壓機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)壓機(jī)構(gòu)可以按照要求調(diào)節(jié)前后輪機(jī)械制動(dòng)力的大??；該系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛者的制動(dòng)意圖確定出所需的總制動(dòng)力，并實(shí)時(shí)獲取車速及電池SOC值，通過(guò)整車控制單元ECU計(jì)算出四個(gè)輪轂電機(jī)的再生制動(dòng)力；當(dāng)四個(gè)輪轂電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力小于所需總制動(dòng)力時(shí)，則控制調(diào)壓機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)械制動(dòng)液壓來(lái)補(bǔ)充剩余的制動(dòng)力；否則，所需的總制動(dòng)力全部由四個(gè)輪轂電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力提供。

由于機(jī)械制動(dòng)力的大小是可以調(diào)節(jié)的，為了使再生制動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)能夠很好地協(xié)調(diào)工作，同時(shí)在確保制動(dòng)安全性的前提下，盡可能的多采用輪轂電機(jī)制動(dòng)以對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行高效的回收，就需要對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究分析[10]。

4.1再生制動(dòng)控制策略

根據(jù)制動(dòng)目標(biāo)的不同，再生制動(dòng)控制策略主要有理想制動(dòng)力分配策略、最優(yōu)能量回饋分配策略、固定比值制動(dòng)力分配策略、并行制動(dòng)能量回收控制策略等[10-12]。

（1）理想制動(dòng)力分配策略

該制動(dòng)力分配策略按照理想制動(dòng)力分配策略曲線（I曲線）來(lái)分配前后軸制動(dòng)力，如圖4所示。

圖4　理想制動(dòng)力分配策略

以滿載為例，當(dāng)需求制動(dòng)力較小時(shí)，前后軸制動(dòng)力由四個(gè)輪轂電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力提供，如圖中A點(diǎn)；若需求制動(dòng)力較大時(shí)，輪轂電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力不能滿足制動(dòng)性需求時(shí)，不足的部分由機(jī)械制動(dòng)力補(bǔ)充。雖然此種制動(dòng)力分配能取得非常滿意的制動(dòng)效果，但由于車輛在不同載重下，其理想制動(dòng)力分配曲線也是不同的，因此，前后輪所需制動(dòng)力分配也要隨著理想制動(dòng)力分配曲線而變化，這需要復(fù)雜的控制策略和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（2）最優(yōu)能量回饋分配策略

該策略制動(dòng)力分配特點(diǎn)是：在滿足制動(dòng)請(qǐng)求和安全性的基礎(chǔ)上，最大程度地讓輪轂電機(jī)參與制動(dòng)，以回收盡可的能多制動(dòng)能量。如圖5所示。

圖5　最優(yōu)能量回饋分配策略

在該種制動(dòng)力控制策略下，當(dāng)車輛制動(dòng)強(qiáng)度低于輪轂電機(jī)能提供的最大制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，則完全由輪轂電機(jī)提供制動(dòng)力矩。當(dāng)車輛制動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)輪轂電機(jī)能提供的最大制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，輪轂電機(jī)則滿負(fù)荷地參與制動(dòng)，剩余的不足制動(dòng)力由傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)提供，以保證最高的能量回收率。雖然這種制動(dòng)力控制策略的能量回收率最高，但其制動(dòng)穩(wěn)定性有待提高，且對(duì)硬件要求較高。

（3）固定比值制動(dòng)力分配策略

該制動(dòng)力分配策略要求前后輪制動(dòng)力分配與原車機(jī)械制動(dòng)力分配保持一致，即前后輪制動(dòng)力分配曲線仍為β線，如圖6所示。

圖6　固定比值制動(dòng)力分配策略

該策略控制方法簡(jiǎn)單，可以使輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車前后輪的制動(dòng)力分配與傳統(tǒng)汽車制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力分配保持一致，不改變駕駛員的制動(dòng)習(xí)慣，并且能夠回收一部分的制動(dòng)能量；但其制動(dòng)穩(wěn)定性較差，且對(duì)于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，這種制動(dòng)方案會(huì)使前后輪輪轂電機(jī)再生制動(dòng)力不同，使前后軸輪轂電機(jī)的發(fā)電量不同，從而會(huì)對(duì)均衡充電造成影響，需要額外的控制器去控制調(diào)節(jié)。

（4）并行制動(dòng)能量回收控制策略

并行制動(dòng)力分配的主要思想是，在小制動(dòng)強(qiáng)度（Z≤0.1）時(shí)由輪轂電機(jī)單獨(dú)制動(dòng)，使可能的制動(dòng)能量回收比例達(dá)到最大；中強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)(0.1＜Z≤0.7)，前后軸制動(dòng)力是再生制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力按固定關(guān)系共同承擔(dān)；大制動(dòng)強(qiáng)度下(Z＞0.7)，以制動(dòng)穩(wěn)定性和最大制動(dòng)效能為主，僅有摩擦制動(dòng)力制動(dòng)，不考慮能量回收。

4.2輪轂電機(jī)再生制動(dòng)控制策略

基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，上述制動(dòng)控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，為保證制動(dòng)的安全穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)盡可能多地回收制動(dòng)能量，本文針對(duì)重慶市重點(diǎn)項(xiàng)目（重型礦用運(yùn)輸車電驅(qū)動(dòng)綜合輪開(kāi)發(fā)）的6輪混聯(lián)驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力車輛，確定了一種四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)控制策略，如圖7所示。

圖7　混合并聯(lián)制動(dòng)力分配策略

該控制策略要求在不改變?cè)嚽?、后輪機(jī)械制動(dòng)力分配比例的同時(shí)，使汽車制動(dòng)時(shí)前、后輪的再生制動(dòng)力相同。在需求總制動(dòng)力較小時(shí)，優(yōu)先使用輪轂電機(jī)再生制動(dòng)；當(dāng)需求總制動(dòng)力大于輪轂電機(jī)的最大再生制動(dòng)力時(shí)，剩余制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)力補(bǔ)充。此種再生制動(dòng)控制策略既保證了制動(dòng)的安全穩(wěn)定，使駕駛者的制動(dòng)習(xí)慣沒(méi)有改變，又使各輪轂電機(jī)回收的能量相同，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性且盡可能多的回收了制動(dòng)能量。

5　結(jié)語(yǔ)

文章在分析了輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其集成制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，介紹了輪轂電機(jī)再生制動(dòng)的基本原理，并對(duì)再生制動(dòng)系統(tǒng)的要求和約束條件進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)幾種不同制動(dòng)力分配策略的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，制定了一種適合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)力分配策略，并指出以常規(guī)摩擦制動(dòng)與電制動(dòng)組成的并聯(lián)制動(dòng)分配策略由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)可行，非常適合輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)與研究的需要。

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(編輯：向飛)

Analysis of Wheel Motor Drive Electric Vehicle Regenerative Braking System

YU Jin-Chao，LI Jun
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

Abstract:With wheel hub motor drive electric vehicle as the object，the structure of the wheel hub motor and the solution of integrated brake are introduced.This paper expounds the basic principle of wheel hub motor regenerative braking.According to the requirement of the regenerative braking system，the constraint conditions of the wheel hub motor regenerative braking are analyzed.Based on comparative analysis of several different typical regenerative braking control strategies，determined a suitable regenerative braking control scheme for wheel hub motor drive electric vehicle.

Key words:electric car；wheel hub motor；regenerative braking；control strategy

作者簡(jiǎn)介：第一余進(jìn)超，男，1988年生，河南信陽(yáng)人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：新能源汽車控制技術(shù)。

收稿日期：2015－04－22

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.022

文章編號(hào)：1009－9492 (2015 ) 08－0077－05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U469.72+2