微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)分析*

龐小蘭，邱梓楠

（1.廣東理工學(xué)院，廣東肇慶 526100；2.山東天博食品配料有限公司，山東濟(jì)寧 272067）

0 引言

純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了其發(fā)展，再生制動(dòng)技術(shù)利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)回收制動(dòng)能量，能夠有效提升車輛的能量利用率，延長(zhǎng)續(xù)駛里程[1]。其工作是在電動(dòng)轎車處于減速或制動(dòng)工況時(shí)，由于慣性作用車輛繼續(xù)行駛，而電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中以重復(fù)使用的過程[2]?，F(xiàn)在，世界各國(guó)和各大轎車品牌都十分重視再生制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，如日本國(guó)家環(huán)境協(xié)會(huì)的經(jīng)濟(jì)性車實(shí)現(xiàn)了再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)的協(xié)調(diào)控制；豐田普銳斯再生制動(dòng)受整車ECU控制，可以根據(jù)制動(dòng)力矩需求和實(shí)際可用的再生力矩，決定摩擦制動(dòng)力的大?。籚olt 電動(dòng)車提供了再生系統(tǒng)，可以更為方便地控制能量回收，提高回收力度[3]。國(guó)內(nèi)的奇瑞、比亞迪等電動(dòng)轎車公司均擁有再生制動(dòng)系統(tǒng)。本文從再生制動(dòng)的控制策略和制動(dòng)回收效率等方面研究，從而提高電動(dòng)轎車的能量使用效率，使電動(dòng)轎車的巡航里程數(shù)有了較大的提升。

1 微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)基本原理

再生制動(dòng)又稱再生回饋制動(dòng)，其原理是轎車在制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電模式，同時(shí)通過傳動(dòng)系統(tǒng)接收轎車行駛時(shí)產(chǎn)生的慣性能量，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動(dòng)能，電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)子上的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，并將其通過逆變器的反向二極管回饋到直流側(cè)，為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，實(shí)現(xiàn)能量的再生利用。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)切割磁感線產(chǎn)生的反作用力又可通過產(chǎn)生的電機(jī)制動(dòng)力矩通過傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力，使傳動(dòng)系統(tǒng)形成制動(dòng)力，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)，從而達(dá)到了制動(dòng)的目的。

再生制動(dòng)基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板減速時(shí)，電泵開始工作，通過液壓調(diào)壓器傳輸和調(diào)節(jié)液壓制動(dòng)力，液壓傳感器接收到信號(hào)變化時(shí)，就使轎車開始制動(dòng)控制。調(diào)壓閥開始工作，信號(hào)傳遞給ABS控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小防止車輪抱死。于此同時(shí)，再生制動(dòng)控制系統(tǒng)開始工作，其會(huì)根據(jù)電動(dòng)轎車所需的制動(dòng)力調(diào)節(jié)機(jī)械軸動(dòng)力和再生制動(dòng)力的大小，按照一定比例為轎車提供制動(dòng)；然后會(huì)回收車輪上溢出的能量，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量一部分轉(zhuǎn)化為再生制動(dòng)力繼續(xù)提供給車輛制動(dòng)，而另一部分則以電能的形式傳輸?shù)叫铍姵卮鎯?chǔ)。

圖1 典型微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)基本結(jié)構(gòu)

2 微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)影響因素分析

微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)功能在實(shí)際行駛時(shí)會(huì)受到各種因素的影響，不能達(dá)到最佳工況，所以并不是所有制動(dòng)能量都能被回收利用。因此在一般工況下，以下這些因素會(huì)影響電動(dòng)轎車的再生制動(dòng)效率。

（1）儲(chǔ)能裝置

蓄電池作為最常用的儲(chǔ)能裝置，在實(shí)際使用時(shí)因?yàn)椴煌囊蛩叵拗?，其存?chǔ)和釋放電能的效率會(huì)受到影響。從表1可以看出，首先不同電池的額定電壓不同；其次是當(dāng)其比能量不同時(shí)，也就是蓄電池反應(yīng)時(shí)單位質(zhì)量的電極材料放出電能多少不一樣，導(dǎo)致在相同體積電池反應(yīng)時(shí)釋放電能多少不一樣。所以比能量越高，放出能量就越多，參與再生制動(dòng)能量越高。而能量密度越高，則單位體積的電池所儲(chǔ)存電量越高，就是回收再生制動(dòng)能量就可以越多。還有電池的壽命長(zhǎng)短更是重要，直接影響了整車的使用時(shí)間。因此對(duì)于以蓄電池為儲(chǔ)能裝置的純電動(dòng)轎車，蓄電池的狀態(tài)對(duì)轎車的再生制動(dòng)效率有很大的影響。

表1 蓄電池類型

（2）驅(qū)動(dòng)形式

驅(qū)動(dòng)形式不同就是轎車的驅(qū)動(dòng)輪數(shù)不同，而對(duì)于電動(dòng)轎車來說，再生制動(dòng)只作用在驅(qū)動(dòng)輪上，只有驅(qū)動(dòng)輪上才能夠回收制動(dòng)能量。而從動(dòng)車輪因?yàn)槭菃渭兊臋C(jī)械制動(dòng)，所以不存在制動(dòng)能量回收。因此驅(qū)動(dòng)輪的多少?zèng)Q定了回收能量的多少，從而影響了能量回收的效率。所以四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)轎車的再生制動(dòng)效率會(huì)比前輪驅(qū)動(dòng)或后驅(qū)動(dòng)的高。

（3）電機(jī)性能

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車易于快速準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回饋[4]。電機(jī)是產(chǎn)生再生制動(dòng)力的主要工具，所以電機(jī)的性能直接影響再生制動(dòng)的效率。當(dāng)電動(dòng)轎車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力的多少會(huì)影響到轎車的制動(dòng)力分配。不同的電機(jī)性能和類型不同，其轉(zhuǎn)速、功率、峰值、質(zhì)量等因素都會(huì)影響回收能量的大小，因此選擇合適的電機(jī)可以提高再生制動(dòng)率。如表2 所示，當(dāng)電機(jī)峰值效率越高，單位時(shí)間內(nèi)做功越多，則產(chǎn)生的電能越高，回饋到電池內(nèi)存儲(chǔ)的電能就越多。且電機(jī)的可靠性保證了電機(jī)在工作時(shí)不會(huì)因?yàn)闇囟冗^高而有冷卻時(shí)間，或者運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障導(dǎo)致再生制動(dòng)效率降低。所以電機(jī)的性能也是影響再生制動(dòng)的關(guān)鍵因素之一。

表2 電機(jī)類型及性能

（4）行駛工況

電動(dòng)轎車在行駛時(shí)的行駛工況也會(huì)影響轎車的再生制動(dòng)率。如在城市的路況下，因?yàn)檐囕v數(shù)目多，導(dǎo)致道路擁擠，加上存在行人等因素，轎車的制動(dòng)次數(shù)較多，轎車的制動(dòng)頻頻率高，代表著轎車的再生制動(dòng)次數(shù)多，再生制動(dòng)次數(shù)多就可以回收更多制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量。而在高速公路或鄉(xiāng)間公路的行駛路況下，因?yàn)檐囕v和行人都少，那么轎車制動(dòng)次數(shù)就少，回收制動(dòng)的能量就少。

（5）控制策略

對(duì)于市面上一般的電動(dòng)轎車來說，再生制動(dòng)控制策略主要是為了可以合理分配再生制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力的比例，使轎車在滿足總制動(dòng)力要求下，盡可能多地回收溢出的能量，回饋到蓄電池中。可是不同的控制策略會(huì)產(chǎn)生不同的效果，如理想制動(dòng)力分配控制策略，其制動(dòng)穩(wěn)定性好，可回收的能量有限。而最小二乘法的最優(yōu)制動(dòng)控制策略就是舒適性一般，可回收的制動(dòng)能量大。

除上以上幾個(gè)主要影響因素外，適合的環(huán)境溫度和駕駛工況、良好的駕駛習(xí)慣、合理的設(shè)計(jì)匹配等有利于提升制動(dòng)能量回收效率[5]。

3 微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)能量流動(dòng)過程分析

在電動(dòng)轎車行駛的過程中，能量會(huì)不停地流動(dòng)和轉(zhuǎn)化，來應(yīng)對(duì)各種工況和提供給車上一些附件使用。為了分析出影響電動(dòng)汽車中制動(dòng)能量回收的具體因素，對(duì)電動(dòng)汽車在制動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的能量以及能量流動(dòng)展開分析[6]。

驅(qū)動(dòng)過程：轎車在驅(qū)動(dòng)過程中，作為車上唯一的能源裝置，蓄電池就會(huì)開始放電（有放電損耗），電能一部分給空調(diào)等附件使用，另一部分傳遞給電機(jī)，供電機(jī)運(yùn)作。電機(jī)接收到電能后，把電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（電機(jī)運(yùn)作時(shí)有機(jī)械損耗），經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給驅(qū)動(dòng)軸（有傳動(dòng)損耗），驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)車輪克服空氣阻力、摩擦阻力等阻力后，化為整車的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)轎車行駛。

制動(dòng)過程：當(dāng)轎車制動(dòng)時(shí)，整車的動(dòng)能一部分被機(jī)械制動(dòng)所消耗，另一部分經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)（有傳動(dòng)損耗）流向電機(jī)，此時(shí)電機(jī)反向運(yùn)作，由驅(qū)動(dòng)模式改為發(fā)電模式，為蓄電池充電（有充電損耗），把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)過電線流向蓄電池，把回收的動(dòng)能存儲(chǔ)在蓄電池中，完成能量回收。

4 微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)效率分析

在電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，機(jī)械制動(dòng)力為F機(jī)械制動(dòng)力，再生制動(dòng)阻力為F再生制動(dòng)阻力，汽車行駛時(shí)的阻力和為F，電動(dòng)汽車減速至0所需要的合力為F合。則：

式中：C為空氣阻力系數(shù)。

式中：f為地面摩擦因數(shù)。

以物理的動(dòng)能方程式說明當(dāng)電動(dòng)汽車行駛的速度越快，汽車的動(dòng)能就越高。

式中：Ebreaking為電動(dòng)汽車開始剎車時(shí)所具有的動(dòng)能，v為開始的減速度。

電動(dòng)汽車在剎車過程中，需要將動(dòng)能轉(zhuǎn)移，其中轉(zhuǎn)移的能量包含空氣阻力等各種阻力所消耗的能量之和為EF，機(jī)械制動(dòng)所消耗的能量為E機(jī)械制動(dòng)，制動(dòng)回饋的能量E制動(dòng)回饋。因此，可以回收的能量則為電動(dòng)汽車的總動(dòng)能量減去由行駛阻力所消耗的能量和機(jī)械制動(dòng)所消耗的能量?？苫厥盏哪芰客瑫r(shí)受到電機(jī)的效率影響，故設(shè)電機(jī)的效率為K，則再生制動(dòng)能量可用下式表示：

式中：S為制動(dòng)距離。

因此當(dāng)轎車制動(dòng)時(shí)，轎車的整備質(zhì)量不變時(shí)，制動(dòng)過程損失的動(dòng)能就是隨車速的變化而變化，車速變化越大，損失的動(dòng)能就越大，當(dāng)轎車的電機(jī)功率和蓄電池功率在制動(dòng)時(shí)沒發(fā)生變化，制動(dòng)器處的機(jī)械制動(dòng)消耗的能量越少，也就是再生制動(dòng)力占總制動(dòng)力的比例越多，則再生制動(dòng)功率越大，那么在制動(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。

5 微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)控制策略分析

再生制動(dòng)控制策略就是通過一定的方法，完成轎車在行駛過程中機(jī)械制動(dòng)力和再生制動(dòng)功力的分配。一個(gè)理想的再生制動(dòng)策略可以提高轎車的再生制動(dòng)效率和能量回收率。

（1）理想制動(dòng)力分配控制策略主要原理是根據(jù)轎車的行駛工況，準(zhǔn)確地檢測(cè)到轎車前后軸的各自所需制動(dòng)力，然后控制轎車的總制動(dòng)力以理想分配曲線I分配到轎車的前后輪上，從而獲得最大的制動(dòng)力和最優(yōu)的制動(dòng)穩(wěn)定性。圖2 所示為理想制動(dòng)力控制策略的前后輪制動(dòng)力變化情況。

圖2 理想制動(dòng)力分配控制策略變化曲線

（2）并聯(lián)控制策略的原理是將轎車總制動(dòng)力分配給再生制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力，二者共同作用，從而滿足轎車制動(dòng)需求，其中，摩擦制動(dòng)力以定比分配的方式作用在轎車前后軸上，電機(jī)再生制動(dòng)力作用在驅(qū)動(dòng)軸上，制動(dòng)時(shí)，傳感器檢測(cè)制動(dòng)主缸內(nèi)的油壓大小，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)控制器換算為需求再生制動(dòng)力，并將其傳輸給電機(jī)控制器，通過其控制電機(jī)提供需求再生制動(dòng)力[7]。

（3）最小二乘法的最優(yōu)制動(dòng)控制策略的原理轎車在制動(dòng)時(shí)，在不發(fā)生抱死的前提下盡可能多地把制動(dòng)力分配給車輪，在前后軸制動(dòng)力之和滿足制動(dòng)的總制動(dòng)力需求下盡量采用電機(jī)制動(dòng)，用再生制動(dòng)力來對(duì)轎車進(jìn)行制動(dòng)，以此達(dá)到最大程度地回收轎車在制動(dòng)過程中的能量。

（4）模糊邏輯控制策略是以一種智能化的算法去制定一個(gè)理想的控制器，解決一些數(shù)學(xué)模型無法很好表達(dá)的問題，再生制動(dòng)的引入會(huì)影響電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)的安全性與穩(wěn)定性。為了在解決上述問題的同時(shí)最大限度回收制動(dòng)能量，針對(duì)純電動(dòng)車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了再生制動(dòng)模糊控制器，提出了基于模糊控制的再生制動(dòng)控制策略[8]。

根據(jù)再生制動(dòng)控制策略優(yōu)缺點(diǎn)分析，不難看出理想制動(dòng)力分配控制策略和并聯(lián)控制策略能量回收的效果較差，不符合最優(yōu)再生制動(dòng)控制策略。而最小二乘法的最優(yōu)制動(dòng)控制策略和模糊邏輯控制策略回收效果較好，以比亞迪E6純電動(dòng)轎車為實(shí)驗(yàn)車型，比較兩種策略的再生制動(dòng)能量回收效果。

以最小乘二法的最優(yōu)制動(dòng)控制策略的原理和以模糊邏輯控制策略的原理分別對(duì)比亞迪秦的再生制動(dòng)做了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了比亞迪E6 在兩種控制策略中的再生制動(dòng)能量回收效率。從比亞迪E6 的車輛制動(dòng)測(cè)試可以得出如表3 所示的數(shù)據(jù)。由表可以看出，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度小的時(shí)候，模糊邏輯控制法的回收效率優(yōu)于最小乘二法的最優(yōu)制動(dòng)控制策略；可當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度上升的時(shí)候，最小乘二法的最優(yōu)制動(dòng)控制，策略的回收能量開始有了明顯的增長(zhǎng)，并且回收效率高于模糊邏輯控制策略。

表3 比亞迪E6 制動(dòng)測(cè)試

在中國(guó)，汽車保有量基數(shù)大，在路上的車輛多、路況復(fù)雜，所以導(dǎo)致轎車的制動(dòng)頻率大，因路上的行人、單車和摩托車等在路上穿插，當(dāng)轎車在30～50 km／h的車速下，司機(jī)為了躲避那些會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的因素時(shí)，很多時(shí)候制動(dòng)強(qiáng)度都會(huì)較大或者完全剎停轎車，那么在大的制動(dòng)強(qiáng)度下，最小乘二法的最優(yōu)制動(dòng)控制策略的能量回收多，回收效率高，所以為最優(yōu)制動(dòng)策略。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)的技術(shù)進(jìn)行了分析，其內(nèi)容主要包括了再生制動(dòng)技術(shù)的工作原理、對(duì)再生制動(dòng)技術(shù)的影響因素進(jìn)行分析以及微型電動(dòng)轎車再生制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能量的流動(dòng)過程分析。并對(duì)微型電動(dòng)轎車制動(dòng)控制策略進(jìn)行了分析，先簡(jiǎn)述了何為理想再生制動(dòng)的控制策略，再分析了多種典型的再生制動(dòng)控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，最后測(cè)試了典型車型在特定環(huán)境下的再生制動(dòng)回收效率，得出了最優(yōu)再生制動(dòng)控制策。