電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)分析*

方春杰 李軍

（重慶交通大學(xué)）

電動(dòng)汽車(chē)作為一種新型代步工具，憑借自身安裝的電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收[1]。由于再生制動(dòng)系統(tǒng)能夠使能量利用率有所提高，從而增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，因而它在電動(dòng)汽車(chē)中占有重要地位。文章以電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在介紹其結(jié)構(gòu)分類(lèi)的基礎(chǔ)上，分析再生制動(dòng)的影響因素和控制策略。

1 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置形式大致可分為中央電機(jī)式、輪邊電機(jī)式和輪轂電機(jī)式3類(lèi)。其前輪驅(qū)動(dòng)形式下的具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以上3種系統(tǒng)中，由于輪轂電機(jī)式再生制動(dòng)系統(tǒng)去除了機(jī)械連接，全部采用電力連接，機(jī)械損失減少，因而其能量回收效率較高。但是該系統(tǒng)的不足之處是輪轂電機(jī)制造成本相對(duì)較高。

2 再生制動(dòng)影響因素分析

再生制動(dòng)的影響因素很多。其中主要的影響因素有電機(jī)的特性、蓄電池組的狀態(tài)、行駛工況、驅(qū)動(dòng)形式以及控制策略。

2.1 電機(jī)特性的影響

電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的輸出特性必須滿(mǎn)足工作要求。電機(jī)的再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為[2]：

式中：T——電機(jī)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；

Pn——電機(jī)額定功率，kW；

nb——電機(jī)基速，r/min；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

T越大，其能提供的最大再生制動(dòng)力就越大，有利于提高制動(dòng)能量回收效率，從而充分地回收制動(dòng)能量。由公式可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速及其發(fā)電功率對(duì)再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小起限制作用，若制動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，電機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足工作要求[3]。此外，若電機(jī)發(fā)電功率越大，則能提供給電池的充電功率也隨之增大，制動(dòng)過(guò)程中回收的能量同樣就越多[4]。

2.2 蓄電池組狀態(tài)的影響

蓄電池組的荷電狀態(tài)（SOC）值、蓄電池組溫度、充電電流以及充電功率都會(huì)限制蓄電池組的充電效率[5-6]。當(dāng)蓄電池組SOC值很高或者溫度過(guò)高時(shí)，為了保護(hù)蓄電池組，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，均不允許進(jìn)行制動(dòng)能量回收。蓄電池組溫度會(huì)因?yàn)槌潆婋娏鬟^(guò)大而迅速升高，此時(shí)也不允許進(jìn)行制動(dòng)能量回收。此外，電池組的充電功率不可高于允許的最大充電功率。

2.3 行駛工況的影響

行駛工況影響電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量的回收。不同的工況下，制動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)頻率存在差異，因而能量回收效果也存在較大差異。在城市工況下，特別是早晚出行高峰期，交通比較擁堵，電動(dòng)汽車(chē)需要頻繁地起停，制動(dòng)的頻率較高、制動(dòng)強(qiáng)度較大，因而回收的能量相對(duì)較多[7-8]。而在鄉(xiāng)村道路或高速公路工況下，行車(chē)過(guò)程制動(dòng)頻率較低，制動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小，因而回收的能量相對(duì)較少。

2.4 驅(qū)動(dòng)形式的影響

驅(qū)動(dòng)形式一般可分為前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生再生制動(dòng)力，且只將其作用于驅(qū)動(dòng)輪，因而再生制動(dòng)系統(tǒng)回收的制動(dòng)能量也只能來(lái)源于驅(qū)動(dòng)輪。

汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，由于存在向前的慣性，與后輪附著條件相比，前輪附著條件更加良好，而且前輪制動(dòng)力大于后輪制動(dòng)力，因此，在相同條件下，前輪驅(qū)動(dòng)回收的能量更多。此外，與兩輪驅(qū)動(dòng)形式相比，四輪驅(qū)動(dòng)形式下，電動(dòng)汽車(chē)具有更強(qiáng)的再生制動(dòng)能力，能夠回收更多的制動(dòng)能量。

2.5 控制策略的影響

為了實(shí)現(xiàn)能量充分回收，需要合理地設(shè)計(jì)再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)的分配關(guān)系，同時(shí)也必須考慮前后軸制動(dòng)力的合理分配，以確保制動(dòng)的安全性。制定合理的控制策略有利于提高能量回收效率，因此控制策略對(duì)制動(dòng)能量回收具有重大的影響[9]。

3 再生制動(dòng)控制策略分析

制定再生制動(dòng)控制策略的目的就是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械制動(dòng)力和再生制動(dòng)力的合理分配。為保證控制的合理性，再生系統(tǒng)控制策略應(yīng)滿(mǎn)足以下要求[10]：

1）合理分配再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力，以不影響制動(dòng)性能為前提，盡量最大化地回收制動(dòng)能量，從而使汽車(chē)的續(xù)航能力有所提高；

2）合理分配前后輪軸上的制動(dòng)力，以達(dá)到穩(wěn)定的制動(dòng)效果，保證汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性；

3）控制策略應(yīng)與ABS，ASR，ESP等系統(tǒng)相融合，不影響其制動(dòng)性能。

針對(duì)不同車(chē)型再生制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的控制策略。文獻(xiàn)[11]提出了恒值能量回收、定速率能量回收及最大化能量回收3種能量回收控制策略；文獻(xiàn)[12]提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的最佳制動(dòng)力分配控制策略。文獻(xiàn)[13]提出了慮及變速器擋位影響的分段復(fù)合再生制動(dòng)控制策略。在一定程度上，上述3種控制策略均能提高再生制動(dòng)系統(tǒng)的性能，具有一定的理論參考價(jià)值，但這些控制策略?xún)H局限于理論層面上的研究或者處于虛擬仿真階段，大多數(shù)沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。

目前，常見(jiàn)的控制策略有理想制動(dòng)力分配控制策略、并行再生制動(dòng)控制策略和最佳制動(dòng)能量回收控制策略。此外，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員還提出了諸多其他的控制策略。

3.1 理想制動(dòng)力分配控制策略

該控制策略要求前后輪制動(dòng)力嚴(yán)格按照理想制動(dòng)力分配曲線(xiàn)（I曲線(xiàn)）進(jìn)行分配，具體分配關(guān)系，如圖2所示。

圖2 理想制動(dòng)力分配控制策略分配關(guān)系

以滿(mǎn)載為例，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸所需要的制動(dòng)力未超過(guò)電機(jī)提供的再生制動(dòng)力時(shí)，電機(jī)為驅(qū)動(dòng)軸提供所需的制動(dòng)力，而機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供非驅(qū)動(dòng)軸所需的制動(dòng)力（如圖2中A點(diǎn)所示）；當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸所需要的制動(dòng)力大于電機(jī)提供的再生制動(dòng)力時(shí)，電機(jī)為驅(qū)動(dòng)軸提供最大的再生制動(dòng)力，不足部分的制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供，非驅(qū)動(dòng)軸的制動(dòng)力則全部由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)提供（如圖2中B點(diǎn)所示）。

在該控制策略下，地面附著條件能夠得以充分利用，制動(dòng)系統(tǒng)具有良好的制動(dòng)效果，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化；但該控制策略需要特定的制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)與智能化程度較高的控制器，才能對(duì)前后輪制動(dòng)力進(jìn)行獨(dú)立精確控制，且控制系統(tǒng)復(fù)雜[3]。由于市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)仍然沿用傳統(tǒng)的制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，無(wú)法嚴(yán)格按照I曲線(xiàn)對(duì)再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力進(jìn)行合理分配，其協(xié)調(diào)控制難度大，因此該控制策略還未得到實(shí)際應(yīng)用[10]。

3.2 并行再生制動(dòng)控制策略

并行再生制動(dòng)系統(tǒng)的再生制動(dòng)只分配給驅(qū)動(dòng)輪，而機(jī)械制動(dòng)力在前后輪上按一定比例進(jìn)行分配[10]，其原理如圖3所示，圖3中，β線(xiàn)為實(shí)際前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配線(xiàn)，M線(xiàn)為ECE制動(dòng)法規(guī)下前輪抱死時(shí)后輪必須具有的最小制動(dòng)力分配曲線(xiàn)。其具體的分配關(guān)系為[14]：

1）當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度（z）＜0.1時(shí)，為了提高制動(dòng)能量回收總量，系統(tǒng)進(jìn)入純?cè)偕苿?dòng)模式，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力完全由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供；

2）當(dāng)0.1≤z＜0.7時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)械制動(dòng)和再生制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)模式，機(jī)械制動(dòng)力和再生制動(dòng)力共同承擔(dān)系統(tǒng)所需制動(dòng)力；

3）當(dāng)z≥0.7時(shí)，為了提高制動(dòng)穩(wěn)定性和制動(dòng)效能，縮短制動(dòng)距離，系統(tǒng)進(jìn)入純機(jī)械制動(dòng)模式，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)為電動(dòng)汽車(chē)提供全部制動(dòng)力，且前后輪制動(dòng)力按β線(xiàn)分配。

圖3 并行再生制動(dòng)控制策略分配關(guān)系

該制動(dòng)控制策略?xún)H需對(duì)電機(jī)再生制動(dòng)力的大小進(jìn)行控制，而無(wú)需對(duì)機(jī)械制動(dòng)力的大小進(jìn)行控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，制造成本低，易于實(shí)現(xiàn)[15]。即使再生制動(dòng)失效，仍可依靠機(jī)械制動(dòng)實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)，能夠較好地滿(mǎn)足ECE制動(dòng)法規(guī)的要求。但是由于該制動(dòng)控制策略及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因而很難兼顧制動(dòng)穩(wěn)定性和能量回收最大化的要求。與其他2種常見(jiàn)的控制策略相比，采用該策略制動(dòng)過(guò)程回收的能量相對(duì)較少[16]。

3.3 最佳制動(dòng)能量回收控制策略

最佳制動(dòng)能量回收控制策略的控制思想是[17]：在保證前后輪不發(fā)生抱死的前提下，優(yōu)先考慮系統(tǒng)制動(dòng)力矩完全由驅(qū)動(dòng)輪提供。當(dāng)電機(jī)提供的最大制動(dòng)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足制動(dòng)系統(tǒng)需求時(shí)，使電機(jī)的發(fā)電能力得到充分發(fā)揮，再生制動(dòng)系統(tǒng)提供全部制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)回收能量的最大化。當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)所需的制動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)電機(jī)能提供的最大制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，電機(jī)提供最大再生制動(dòng)力，不足的制動(dòng)力由機(jī)械制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充。具體分配關(guān)系，如圖4所示。

圖4 最佳制動(dòng)能量回收控制策略分配關(guān)系

由上述控制思路可知：理論上而言，最佳制動(dòng)能量回收控制策略可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的最大化，但其對(duì)路面附著系數(shù)的變化比較敏感，且需要精確控制機(jī)械制動(dòng)力和再生制動(dòng)力的合理分配，對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高，因而實(shí)現(xiàn)該控制策略需要智能化程度高的控制器，對(duì)技術(shù)要求很高，難于實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

文章對(duì)電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，將制動(dòng)能量回收和制動(dòng)力分配作為2個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)，分析了電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)的影響因素和控制策略。針對(duì)常見(jiàn)控制策略，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)與分析。通過(guò)對(duì)比分析可得：并行再生制動(dòng)控制策略和混合并聯(lián)控制策略由于其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，控制技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，非常適合電動(dòng)汽車(chē)研究與發(fā)展的需要。