電動汽車制動能量回收系統(tǒng)研究

王楠

摘要：近年來，由于能源危機(jī)和環(huán)保問題，電動汽車越來越受到人們的關(guān)注和青睞，全球各大汽車制造商也不斷推出新的電動車型.電動汽車特有的電機(jī)和蓄電設(shè)備為回收利用制動能量提供了便利的條件。制動能量由車輪至蓄電設(shè)備的傳遞效率大致為68%，大大高于整車的平均能量利用率。因此，制動能量的回收利用可以有效提高整車能量利用效率。

關(guān)鍵詞：電動汽車；制動能量；回收系統(tǒng)

與傳統(tǒng)汽車相比，配備制動能量回收系統(tǒng)的電動汽車在制動過程中可將部分制動能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能，最終以化學(xué)能的形式儲存到驅(qū)動電池中，從而提高電動汽車的能量利用率和續(xù)航里程等。

一、制動能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

制動能量回收系統(tǒng)包括摩擦制動和再生制動兩個子系統(tǒng)。摩擦制動子系統(tǒng)由原有制動系統(tǒng)和增設(shè)的踏板位移傳感器、液壓控制單元組成，并且在液壓控制單元和儲液室之間增加了回油管路。為了不影響ABS 的防抱死功能，降低開發(fā)風(fēng)險，液壓控制單元設(shè)置在ABS 模塊之前，制動主缸之后。再生制動系統(tǒng)主要由前軸驅(qū)動電動機(jī)和蓄電池儲能系統(tǒng)兩部分組成。此系統(tǒng)同樣具備機(jī)械制動備份功能，當(dāng)電氣系統(tǒng)失效時，液壓控制單元會放棄對管路液壓的控制，保持制動主缸至輪缸管路暢通。駕駛員促動制動踏板可以保證制動效能和駕駛員的安全。

1. 驅(qū)動電動機(jī)。目前，大部分新能源汽車的驅(qū)動電動機(jī)均布置在前軸，也就是說電動機(jī)產(chǎn)生的再生制動力只施加在前軸上。同時驅(qū)動電動機(jī)的外特性決定了電動機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下可輸出的最大再生制動力，再生制動狀態(tài)下電動機(jī)外特性如電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時處于恒功率發(fā)電狀態(tài)；轉(zhuǎn)速較低時處于恒轉(zhuǎn)矩發(fā)電狀態(tài)。

2. 電池儲能系統(tǒng)。電池儲能系統(tǒng)通常布置在汽車的中后部。再生制動時，電池儲能系統(tǒng)可以將電動機(jī)發(fā)出的電能儲存起來以供再次利用。為了保障電池的性能和壽命，電池的充電功率不能過大，這也間接約束了再生制動功率的最大值。由于整個制動過程時間較短，電池的SOC、充電電壓和溫度變化很小，因此電池的充電電流可以表征其充電功率。

二、制動能量回收的影響因素

由再生制動時的能量流動可知，制動能量由車輪流至蓄電池，所流經(jīng)的任何一個零部件都會對能量造成損失.但考慮到機(jī)械傳動效率很高且穩(wěn)定，因此影響制動能量回收的主要因素包括以下3部分：電機(jī)、蓄電池、液壓制動系統(tǒng)。

1.電機(jī)。電機(jī)作為再生制動系統(tǒng)中能量形式轉(zhuǎn)換的部件，對制動能量的回收起著至關(guān)重要的作用。電機(jī)的外特性決定了某一轉(zhuǎn)速下再生制動力的最大值。電機(jī)的最大功率和基速決定了電機(jī)的功率特性.電機(jī)在基速以下時輸出轉(zhuǎn)矩保持恒定，功率與轉(zhuǎn)速呈比例關(guān)系；基速以上時，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加不斷減小，功率輸出保持恒定。當(dāng)車速很低時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會隨之變得很低，此時電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢很低，不能為蓄電池繼續(xù)充電。

2.蓄電池。蓄電池是再生制動系統(tǒng)的儲能元件，其性能和能量管理策略決定了蓄電池的工作狀態(tài)，主要體現(xiàn)在SOC和最大充電功率兩個方面。每一種電池都對SOC的運(yùn)行范圍有固定的要求，超出范圍的過充和過放都會對電池造成不利的影響。例如，鋰離子電池SOC 的運(yùn)行范圍是30%～70%，該段稱為主動充電區(qū)域。當(dāng)電池的SOC大于70%時，再生制動系統(tǒng)不再為蓄電池充電。由于整個制動過程時間很短，蓄電池的SOC、溫度和內(nèi)阻可認(rèn)為保持不變，因此蓄電池的開路電壓保持不變。同時為了保護(hù)蓄電池，每個電池都有最大充電電流的限制.整個制動過程蓄電池可以保持最大充電功率進(jìn)行充電。電機(jī)的發(fā)電功率和電池的充電功率共同限制了再生制動功率的大小，進(jìn)一步限制了再生制動力的最大值。

3.液壓制動系統(tǒng)。由于電機(jī)再生制動的能力有限，同時考慮到電氣系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障，為了保證制動的安全性，液壓制動系統(tǒng)對于電動汽車來說是必不可少的。但是再生制動力隨車速不斷變化，相應(yīng)地摩擦制動力也要隨之改變，以保持與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)相同的制動強(qiáng)度。因此，液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上比傳統(tǒng)制動系統(tǒng)增加了液壓控制單元，以精確、穩(wěn)定地控制制動輪缸的壓力，保證汽車良好的制動效能。液壓控制單元對制動壓力的控制能力間接影響到再生制動力的大小，本文中液壓控制單元均理想化，為了最大化地回收制動能量，前軸再生制動力所占比例越大，汽車前后軸制動力分配曲線越偏離理想制動力分配線。但是，為了保障汽車基本的制動效能，前軸最大再生制動力不能突破。制動管路的布置形式會影響汽車制動效能和制動能量的回收。目前，汽車上采用最多的是管路，制動時前后制動器制動力成比例關(guān)系，這在一定程度上影響摩擦制動力和再生制動力的匹配自由度，輪缸處的液壓值不能隨意變化，但采用此種方式對汽車制動系統(tǒng)的改動最小。另外一種布置方式為布置，前后制動器制動力獨(dú)立控制，摩擦制動力可與再生制動力任意匹配，使再生制動力在總制動力中占更高的比例。對于各車輪制動輪缸壓力可獨(dú)立調(diào)節(jié)的制動系統(tǒng)，前后制動器制動力可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。

三、制動能量回收控制策略

1.制動能量回收系統(tǒng)控制方案。制動過程中，制動能量回收系統(tǒng)的制動控制ECU 通過檢測傳感器信號解釋出駕駛員的制動意圖及所期望的制動強(qiáng)度，并從整車控制器VMS 接收車速、蓄電池荷電狀態(tài)SOC 等信息；再生制動控制策略會根據(jù)當(dāng)前的電動機(jī)狀態(tài)、電池狀態(tài)和車輛狀態(tài)計(jì)算出最佳的再生制動力和摩擦制動力，根據(jù)分配得到的摩擦制動力調(diào)節(jié)液壓控制單元，將分配得到的再生制動力發(fā)送給電動機(jī)控制器MCU。

2. 制動力分配。制動力分配是制動能量回收控制策略中最為核心的部分。制動力分配直接關(guān)系到汽車制動能量回收和制動效能。從制動能量回收的角度，越多的前軸再生制動力參與制動則可回收的制動能量就越多；但前、后制動力分配線偏離（理想制動力分配線）也會越多。因此，制動力分配既要保證汽車的制動效能還要盡可能多地回收制動能量會受到很多限制，最主要的是電功率限制、ECE 法規(guī)的限制和線限制。理論上，汽車完全由再生制動力進(jìn)行制動，便可實(shí)現(xiàn)最大程度地回收制動能量。但由第一部分的分析可知，電動機(jī)的發(fā)電能力和電池的充電能力都是有限的。因此，電動機(jī)的發(fā)電功率和電池的充電功率共同限制了可回收制動功率，也就等同于限制了再生制動力的最大值。二是駕駛員踩下制動踏板時，車速較高，電動機(jī)可提供的再生制動力較小，需要摩擦制動力補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)駕駛員的制動意圖。隨著車速的降低，再生制動力的最大值有所增大，當(dāng)駕駛員再次輕踩制動踏板時制動強(qiáng)度低，再生制動力足以滿足總制動需求，此階段汽車處于純再生制動階段。當(dāng)車速低至10 km/h時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速過低，無法產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動勢為電池充電，再生制動力減小至零。此時，駕駛員明顯感到制動強(qiáng)度不夠，繼續(xù)踩下制動踏板，由摩擦制動力實(shí)現(xiàn)停車功能。通過再生制動，在大約30s的制動時間內(nèi)，電池的SOC 增長了4%，有效地回收了制動能量。針對整個循環(huán)工況，制動能量回收效率達(dá)到了59.15%。

本文的整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對原制動系統(tǒng)改動小，可靠性高，成本低。開發(fā)了一套再生制動控制策略，考慮到電動機(jī)的發(fā)電能力和電池的充電能力，同時還以ECE法規(guī)的約束保證汽車的制動效能。

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