前驅(qū)電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收影響因素分析

王 瑋，張 勇，王 雷

（濰坊職業(yè)學(xué)院，山東濰坊，261041）

隨著能源和環(huán)境污染問題日益突出，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程較短，這成為制約其大規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸。在電池技術(shù)還未取得突破性進(jìn)展的當(dāng)下，如何有效提高電動(dòng)汽車的能量利用率，成為促進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。

在電動(dòng)汽車中，電機(jī)是汽車行駛的驅(qū)動(dòng)裝置，而在汽車制動(dòng)時(shí)，又可以回收汽車制動(dòng)能量，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收技術(shù)不但可以提高能量的利用率，還能夠減少制動(dòng)磨損和熱量，降低噪聲，優(yōu)化制動(dòng)性能，提高汽車的制動(dòng)穩(wěn)定性[1]。

1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

制動(dòng)能量回收系統(tǒng)也稱為再生制動(dòng)系統(tǒng)。本文以目前較為普遍的前軸驅(qū)動(dòng)中央電機(jī)式電動(dòng)汽車為例，對(duì)制動(dòng)能量再生系統(tǒng)進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 制動(dòng)能量回收基本原理

電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中，整車的動(dòng)能通過車輪傳遞到電機(jī)，帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電模式，可以對(duì)儲(chǔ)能裝置(蓄電池或超級(jí)電容)進(jìn)行充電，從而將一部分制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中，實(shí)現(xiàn)能量的再生利用。同時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的阻力矩會(huì)作用于車輪，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，可以起到減速制動(dòng)的作用[2]。

車輛在行駛過程中，會(huì)受到滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力，其行駛方程式為：

式中，F(xiàn)T為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為坡度阻力，F(xiàn)j為加速阻力[3]。

在車輛驅(qū)動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)力用于克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力和加速阻力；在車輛制動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)力與滾動(dòng)阻力、空氣阻力一同克服慣性阻力。

因此，驅(qū)動(dòng)功率為PT=FT·v，

2 再生制動(dòng)系統(tǒng)能量流

在驅(qū)動(dòng)過程中，電池存儲(chǔ)的能量EQ，經(jīng)過電池、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)輪，最終輸出為驅(qū)動(dòng)能量ET。在制動(dòng)過程中，制動(dòng)能量EB無法完全回收，一部分能量轉(zhuǎn)換成熱能，消耗在制動(dòng)盤處，另一部分能量流動(dòng)方向與驅(qū)動(dòng)過程相反，經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)流向電機(jī)，此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電模式，可以為蓄電池充電，最后將回收的能量EQ’，儲(chǔ)存在蓄電池中。制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)力占總制動(dòng)力的比例越多，則再生制動(dòng)功率越大，制動(dòng)器處的摩擦損失越少，制動(dòng)過程結(jié)束時(shí)存儲(chǔ)在蓄電池中的能量越多，制動(dòng)能量回收效率越高[4]。

圖2電動(dòng)汽車制動(dòng)能量流分析

如圖2所示，在制動(dòng)過程中，定義電機(jī)能夠回收的能量占總制動(dòng)能量的比例為λ，傳動(dòng)系輸入能量為ED’=λEB，電機(jī)輸入能量為Egen=ED’ηdrv，電池輸入能量為Echg=Egenηgen，電池回收的能量為ED’=Echgηchg=λEBηdrvηgenηchg，其中，ηdrv為傳動(dòng)系機(jī)械效率，ηgen為電機(jī)發(fā)電效率，ηchg為電池充電效率。

3 制動(dòng)能量回收的影響因素

根據(jù)上述能量流分析可知，能量傳遞路徑上每個(gè)部件的效率都會(huì)制約著能量的回收率，因此影響制動(dòng)能量回收的因素主要有：蓄電池、電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)等，此外，電動(dòng)汽車的行駛工況和能量回收控制策略也有重要影響。

3.1 蓄電池特性

蓄電池作為制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中能量存儲(chǔ)的關(guān)鍵部件，其荷電狀態(tài)(SOC值)、蓄電池組溫度、充電電流和充電功率，都會(huì)影響蓄電池組的充電效率。當(dāng)蓄電池的SOC值很高(一般取SOC＞95%)，表明蓄電池容量接近飽和，為了避免過度充電而影響蓄電池的使用壽命，此時(shí)不允許進(jìn)行制動(dòng)能量回收；由于蓄電池可接受的充電能力受到最大充電電流的限制，因此出于保護(hù)電池的需要，電池有最大充電電流的限制。而蓄電池組溫度會(huì)因?yàn)槌潆婋娏鬟^大而升高，此時(shí)也不允許進(jìn)行制動(dòng)能量回收。此外，蓄電池的充電功率不可高于允許的最大充電功率。

3.2 電機(jī)

電機(jī)是再生制動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，它能將電動(dòng)汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，其工作特性是影響能量回收的一個(gè)關(guān)鍵因素。電機(jī)特性決定了再生制動(dòng)時(shí)可提供再生制動(dòng)力的大小。

電機(jī)可提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，它就能夠提供更多的電機(jī)制動(dòng)力，增大其在制動(dòng)力總份額中的占比，從而回收更多的制動(dòng)能量。另外，當(dāng)車速較低時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速也較低，因而感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)也很低，難以為蓄電池充電[5]。因而，電機(jī)的狀態(tài)是制動(dòng)能量回收過程中需要考慮到關(guān)鍵因素之一。

3.3 制動(dòng)系統(tǒng)

由于在制動(dòng)條件下，產(chǎn)生的再生制動(dòng)力有限，且系統(tǒng)出現(xiàn)電氣故障的幾率較高，因此無法滿足汽車制動(dòng)力的需求，必須通過液壓制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦制動(dòng)力才能達(dá)到理想的制動(dòng)效果。因此，提高制動(dòng)系統(tǒng)液壓控制單元的精確性，確保制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)于提高制動(dòng)能量回收有重要意義。

3.4 車輛行駛工況

電動(dòng)汽車在不同的行駛工況下，其制動(dòng)的強(qiáng)度和頻率不相同，因此可回收利用的制動(dòng)能量也不一樣。在長(zhǎng)下坡或者需要頻繁減速制動(dòng)的工況下（如城市道路），可以回收的制動(dòng)能量較多。而車輛在車流量少的平直路面上行駛時(shí)（如高速公路），需要減速制動(dòng)的情況較少，可以回收的能量也較少。

3.5 制動(dòng)能量回收控制策略

制動(dòng)能量回收控制策略決定著電動(dòng)汽車前、后軸的制動(dòng)力分配，也決定著再生制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力的分配，因此，在能量的回收系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在保證制動(dòng)安全性的基礎(chǔ)上，合理選擇能量回收控制策略，對(duì)提高能量回收率有重要影響。

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力的合理分配，制定再生制動(dòng)控制策略。制定控制策略時(shí)，應(yīng)合理分配前、后軸上的制動(dòng)力，合理分配再生制動(dòng)力和機(jī)械摩擦制動(dòng)力，確保在不影響車輛制動(dòng)性能和行駛穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高能量回收率。同時(shí)，控制策略還應(yīng)與ABS，ESP，ASR等系統(tǒng)相適應(yīng)，不影響車輛的制動(dòng)性能[6]。

目前，多數(shù)電動(dòng)汽車采取前軸驅(qū)動(dòng)的形式，其相應(yīng)的制動(dòng)能量回收控制策略主要關(guān)注前、后輪制動(dòng)器提供的制動(dòng)力以及前輪電機(jī)提供的再生制動(dòng)力三部分之間的關(guān)系。由此得到三種基于電機(jī)再生制動(dòng)的能量回收控制策略，即前后軸制動(dòng)力理想分配控制策略、前后軸制動(dòng)力比例分配控制策略，以及最優(yōu)能量回收控制策略[7]。

表1三種常見制動(dòng)控制策略的對(duì)比

如表1，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以上三種制動(dòng)力控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，制動(dòng)力理想分配控制策略能夠使制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮良好的制動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化，但這一控制策略需要專門的制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)和智能化的控制器，才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力分配的精確控制，且控制系統(tǒng)較復(fù)雜。定比例再生制動(dòng)力分配策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)原有控制系統(tǒng)改動(dòng)較小，制動(dòng)穩(wěn)定與安全性較好，但其能量回收率不高。最優(yōu)能量回收控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回收的最大化，但影響能量回收率的因素眾多，對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高。

4 結(jié)語

根據(jù)前軸驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，分析其能量流動(dòng)，得到影響制動(dòng)安全與能量回收效率的因素主要有蓄電池特性、電機(jī)特性、制動(dòng)系統(tǒng)性能、車輛行駛工況和系統(tǒng)控制策略。通過對(duì)常見的三種控制策略的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)前后軸制動(dòng)力比例分配控制策略制動(dòng)穩(wěn)定性較好，能夠保證一定的能量回收率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，適合在前軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車上應(yīng)用。研究人員可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)相關(guān)參數(shù)和回收控制的策略，從而使制動(dòng)能量回收效率更高。