電動汽車制動能量回收相關技術

孟祥飛 盧衍彬 王仁廣 張磊

（1.天津科技大學；2.中國汽車技術研究中心有限公司）

制動能量回收技術不僅能夠提高能量利用率，而且可以減少磨損和制動熱量，降低噪聲，緩解熱衰退，從而優(yōu)化汽車的制動性能，提高制動穩(wěn)定性。研究表明，在城市工況中近34%的汽車驅動能量消耗在制動過程中，在有些城市更高達80%[1]；而在電動汽車中，這部分能量通過電氣系統(tǒng)由驅動輪至蓄電池的轉化效率可高達68%[2]，在城市路段，可增加續(xù)駛里程超過20%[3]。文章從制動能量回收潛力、影響因素、駕駛意圖和控制策略等方面，簡述電動汽車制動能量回收技術的研究現(xiàn)狀及存在問題。

1 制動能量回收潛力研究

制動能量回收潛力研究能為電動汽車的收益評估提供支撐，為制動能量回收技術提供指導。

文獻[3]研究發(fā)現(xiàn)，制動能量回收能夠提升續(xù)駛里程約24.4%。制動最大功率曲線與電機制動時外特性曲線基本吻合，但制動回收密集區(qū)與電機的高效率區(qū)吻合不好。為了高效回收，提出在滿足驅動的同時兼顧能量回收率的驅動系統(tǒng)設計建議，使電機工作在制動能量分布密集區(qū)域，或調整系統(tǒng)傳動比使二者盡量重合。節(jié)能潛力分析研究發(fā)現(xiàn)，工況對能量回收有很大影響，車型參數(shù)的影響程度隨著制動力分配比例的增大而增大[4]11。文獻[5]分析了車輛在NEDC 工況的節(jié)能效果，估計了制動能量回收潛力極限。回收潛力因駕駛員個人因素有1/6 的差異，這在標準循環(huán)下無法測得，城市路況有著最高的回收潛能。

2 制動能量回收影響因素分析

除了路況等因素外，制動能量回收率還受到制動布置形式、電機、儲能系統(tǒng)、能量傳遞和整車質量等因素影響，要發(fā)揮再生制動的最大潛力，就要對這些因素進行優(yōu)化。

2.1 制動布置

制動布置涉及到前后軸制動力分配、驅動軸再生制動與機械制動分配等方面。制動策略是針對制動布置形式制定的，制動布置對控制策略有著決定性的影響。電動汽車制動要滿足[6]：不出現(xiàn)后輪單獨抱死或后輪比前輪先抱死的情況；盡量少出現(xiàn)只有前輪抱死或前后輪同時抱死的情況?；仞佒苿硬贾眯问酵瑯右紤]這2 點，結合復合制動特點選擇合適的布置形式。

2.1.1 再生制動布置

制動布置對應的驅動有后軸驅動、前軸驅動、雙軸驅動和四輪驅動。只有電機參與的驅動輪可以進行制動能量回收。為了能量回收效果，需要為驅動輪分配更多制動力。后輪單軸驅動，其再生制動潛能受到限制；而前軸單軸驅動在制動過程中比后輪的制動力分配更多，因此更適合采用前輪驅動；雙軸驅動前后各1 個電機，避免了單軸驅動為回收更多能量使得前后軸制動力分配偏離I曲線造成穩(wěn)定性下降的情況，使得前后軸制動力可以按照理想制動曲線進行分配，且都可進行再生制動，能量回收率得到了保障，且驅動性能較單軸提高；四輪各配1 個電機，簡化了能量傳遞，傳遞效率提高，回收潛力提升，且在輕量化、空間利用率、軸荷分布、驅動布置和穩(wěn)定性等方面優(yōu)勢明顯，但存在簧下質量增大等負面影響。

2.1.2 機械制動布置

機械制動有X 型和H 型，X 型的前后制動力成比例關系，制動力無法自由調節(jié)以配合回饋制動力達到理想狀態(tài)，且機械制動比例較大，所以能量回收空間小。H 型前后輪制動力獨立控制，與制動回收系統(tǒng)高度匹配，可將電機制動力調到理想值再配合摩擦制動，使總制動達到要求。

2.1.3 機電耦合

電機制動轉矩有時不滿足制動需要，為保證能量回收率和制動安全，要將機械制動與再生制動耦合。機電制動耦合可分為疊加式耦合和協(xié)調式耦合[7]。

疊加式耦合基于X 型機械制動，機械制動與再生制動獨立控制，根據(jù)制動強度，在踏板空行程范圍內(nèi)對再生制動進行調節(jié)，機械制動不調節(jié)。這種形式控制參數(shù)少、簡單易實現(xiàn)、結構可靠性好，電機與機械制動互不影響，再生制動失效不影響安全制動；缺點是制動感覺差，能量回收率低。對于前軸電驅動而言，原機械的制動系統(tǒng)制動力分配曲線為β 線，在此基礎上前軸施加再生制動，制動力分配曲線滿足制動穩(wěn)定性要求，但前軸施加的再生制動力少，回收率較低[4]10。

協(xié)調式耦合基于H 型機械制動，需要對傳統(tǒng)制動主缸與輪缸壓力進行解耦，制動主缸提供制動壓力源，再通過調壓閥分配機械制動壓力；或配備電液制動對各輪制動獨立控制[8]11。因此可先進行再生制動力分配，再通過液壓調節(jié)單元調節(jié)制動力，與再生制動配合達到制動要求。這種形式制動感覺好且能量回收率高，但控制參數(shù)多。

2.2 電機

電動汽車使用直流、感應、永磁同步和開關磁阻電機，其中永磁同步電機應用最廣泛。作為制動轉矩輸出端，電機特性對再生制動影響很大，再生制動最大力矩受電機外特性約束，且不同電機轉速轉矩組合對應不同的轉換效率，直接影響再生制動力和回收效率[9]。

2.3 儲能系統(tǒng)

制動要求儲能裝置高功率充放且快速切換。為保護電池，當荷電狀態(tài)（SOC）較高時，應停止能量回收；當SOC過低時，也不應進行回收。

2.4 能量傳遞系統(tǒng)

能量回收路徑按照轉換形式分為：車輪—半軸—機械傳動構成的機械能傳遞系統(tǒng)；電機—電機控制器—逆變器組成的電能傳遞系統(tǒng)；電池及充電裝置構成的化學儲能系統(tǒng)。機械傳遞效率、電能傳遞效率和電池充放電效率及能量轉換效率都會對能量回收產(chǎn)生影響。

2.5 其他因素

整車質量大、滾動阻力小、迎風面積小、空氣阻力小，則可回收能量高，回收潛能大。另外，制動載荷轉移對單軸驅動車型能量回收率也有影響。

2.6 影響因素研究現(xiàn)狀

文獻[10]對比了制動液壓管路布置形式和驅動形式對制動能量回收的影響，制動強度為0.3 時，H 型前軸電驅動的能量回收率為43.91%，而X 型能量回收率為8.52%。雙軸驅動電動汽車制動更貼近I線，能源利用率比前驅高得多，對電機和儲能系統(tǒng)利用充分，對能量回收率改善明顯。文獻[11]對基于I線制動力分配的四驅純電動汽車再生制動策略的研究證明了雙軸驅動在制動穩(wěn)定性與制動能量回收潛力方面的優(yōu)越性。文獻[2]研究表明，約34.59%的能量消耗在能量傳遞過程中，而輪轂電機可有效減少傳統(tǒng)電機造成的能量損耗。文獻[12]對輪轂電機四驅汽車固定比例分配策略和理想制動力分配策略進行了比較，發(fā)現(xiàn)在小制動強度下2 種控制策略的能量回收率都接近70%，中等制動強度下理想制動力分配策略回收率明顯高于固定比例，但當車速較高、制動強度較大時，2 種控制策略回收率接近。文獻[13]引入超級電容且將控制器安排在電機和儲能系統(tǒng)間，在不同工況下對電池和超級電容能量進行分配，優(yōu)化續(xù)航性能和行駛性能，表明超級電容比電池回收效率提高4.73%，說明了儲能系統(tǒng)優(yōu)化對回收效果的影響。

3 制動意圖識別研究

準確識別制動意圖是制動穩(wěn)定性的重要保障，也是控制策略開發(fā)的基礎。僅通過油門和制動踏板開度識別的精度低，會導致能量管理和扭矩分配與預期有差別，性能下降。

文獻[14]中將駕駛意圖分為動力和經(jīng)濟2 種模式，并細分為低速巡航、高速巡航、緊急加速、一般加速、平緩加速；引入汽車加速度均值與均值方差來進行駕駛模式選擇，再通過油門開度與開度變化率識別加速程度，通過汽車平均加速度與車速進行識別。建立Takagi-Sugeno 模型可很好地識別駕駛意圖，基于此識別方法的控制策略可優(yōu)化經(jīng)濟性，且此方法對于制動同樣適用。

制動回饋按開啟方式分為收油門回饋和踩制動踏板回饋，對后者的研究較多。文獻[15]建立油門和制動踏板模型，采用模糊識別方法對駕駛員駕駛意圖進行識別，將制動意圖分為緊急、中強度和小強度制動；在制動意圖基礎上建立了“僅考慮踩下制動踏板”和“同時考慮踩下制動踏板和收起油門”2 種模式，研究表明，油門收起模擬發(fā)動機制動的控制策略較普通控制策略在能量回收率和續(xù)駛里程方面均有提升。

4 機電制動協(xié)調控制策略研究

電制動響應快、機械制動響應慢，如何協(xié)調是機電復合制動的關鍵。目前復合制動策略的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)協(xié)調控制策略和動態(tài)協(xié)調控制策略[8]10。

4.1 穩(wěn)態(tài)協(xié)調控制策略

穩(wěn)態(tài)協(xié)調控制策略主要研究機電制動力協(xié)調分配，多針對制動器串聯(lián)耦合方式；按照具體要求對前后軸制動力、機電制動進行分配，以提高回收率與舒適效果。

制動強度＜0.1 時，根據(jù)制動力曲線I分配制動力；制動強度≥0.1 時，根據(jù)ECE 曲線分配制動力的增程式電動汽車串聯(lián)制動能量回收控制策略，能量回收效率也明顯提高[16]。文獻[17]充分考慮制動安全性和能量回收時的電池、電機功率限制和車速等影響因素，以ECE 的M曲線和f曲線分配前后輪制動力，根據(jù)制動強度確定前輪摩擦制動力，結果表明，能量回收率提高了163.4%。文獻[18]在制動能量回收過程對電制動與機械制動采用模糊控制進行分配，在保證制動安全的前提下增大制動響應時間，使得減速變化率更加平緩，獲得了更好的制動舒適性。

文獻[19]對自動擋HEV 的制動協(xié)調控制進行了研究，采用前輪再生制動與機械制動，后輪機械制動。其控制策略為當制動強度小于界定值時，制動只由前輪的再生制動或前輪再生制動與機械制動完成；若大于界定值時，由前輪再生制動和后輪機械制動或前輪機械制動加再生制動與后輪機械制動合作完成。仿真表明，其具有較好的能量回收效率，但是過高的前輪制動力分配會造成舒適性下降。

4.2 動態(tài)協(xié)調控制策略

動態(tài)協(xié)調控制策略主要針對制動過程中的突變因素，協(xié)調機電制動力，獲得較高的制動穩(wěn)定性和理想的能量回收率，主要涉及制動能量回收與機械制動、ABS動態(tài)協(xié)調控制。

文獻[20]針對熱衰退對制動穩(wěn)定性的影響，提出電機制動力補償算法，在車速為120 km/h，附著系數(shù)為0.8 的路面制動，對熱衰退影響下的機械制動力進行補償，使制動距離減少3.6 m、回收率提高2.2%。文獻[21]提出了依據(jù)路面附著系數(shù)調整ABS 與再生制動的控制策略，低附路面液壓制動提供基礎制動力矩，中附路面電機提供基礎制動力矩，高附路面退出電制動，完全由液壓制動提供制動力矩。仿真表明，該控制策略兼顧制動穩(wěn)定性與能量回收效率。文獻[22]將電子伺服制動引入制動，將再生制動與高精度的制動壓力協(xié)調控制，在進行模式切換過程中保持良好的制動踏板感覺，在跟車行駛工況下也保持較低的燃油消耗，在坡道起步時防止反轉，保持較好的駕駛感覺。

4.3 電池保護

電池壽命短、回收難、價格高，但基于目前的技術水平，還難以找到替代品，如何控制機電復合制動，保護蓄電池并延長使用壽命變得十分重要。

文獻[23]建立電池模型和車輛驅動模型，反映實時溫度，對傳動比進行模糊控制，調整制動電流。研究表明，小電流有助于控制電池的溫度并確保能量回收率，為電池的熱安全性能研究提供了參考。

5 結論

電動汽車的制動能量回收系統(tǒng)及機電復合制動技術已經(jīng)取得了較快發(fā)展，且能量回收率及制動穩(wěn)定性都已達到實用水平，但仍存在以下問題：增程式HEV的制動回收、SOC的精確計算方法以及如何考慮坡道對制動回收系統(tǒng)的影響有待深入研究；對無人駕駛汽車制動能量回收的研究較少；缺少準確的車輛制動數(shù)學模型。