純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀分析

王靜怡　吳濤　吉麒麟

摘 要：文章以制動(dòng)能量回收控制策略為核心，展開制動(dòng)能量回收系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀分析。首先重點(diǎn)闡述制動(dòng)能量回收前后軸制動(dòng)力與電-液制動(dòng)力分配原則與技術(shù)要點(diǎn)。其后提出電機(jī)性能、儲(chǔ)能裝置性能狀態(tài)、再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行駛工況四類關(guān)鍵因素對(duì)制動(dòng)能量回收的影響，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析。最后提出制動(dòng)能量回收系統(tǒng)未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)能量回收 制動(dòng)力分配 控制策略 影響因素

Analysis of the Status Quo of Key Technologies for the Braking Energy Recovery System of Pure Electric Vehicles

Wang Jingyi，Wu Tao，Ji Qilin

Abstract：This article takes the braking energy recovery control strategy as the core to analyze the current situation of the key technologies of the braking energy recovery system. Firstly， it focuses on the principle and technical points of braking energy recovery front and rear axle braking force and electro-hydraulic braking force distribution. Afterwards， four key factors including motor performance， energy storage device performance status， regenerative braking system structure， and driving conditions are proposed to affect the braking energy recovery， and the current research status of its key technologies is comprehensively analyzed. Finally， the future research direction of braking energy recovery system is proposed.

Key words：braking energy recovery， braking force distribution， control strategy， influencing factors

1 引言

純電動(dòng)汽車在排放、結(jié)構(gòu)、技術(shù)上的巨大優(yōu)勢(shì)讓其成為汽車發(fā)展的重要方向，但其續(xù)航里程短的問題是制約純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要因素。因此制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究對(duì)提高能量利用率，延長(zhǎng)車輛續(xù)航里程十分重要。研究表明由于電機(jī)參與制動(dòng)，電機(jī)通過內(nèi)部轉(zhuǎn)子切割定子繞組磁場(chǎng)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)回收電能，并產(chǎn)生制動(dòng)扭矩。然而制動(dòng)總能量中具體能有多少能量作為電能回收還受多方面制約因素的影響。如制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制動(dòng)力分配策略、電動(dòng)機(jī)和電池工作特性、傳動(dòng)系統(tǒng)特性、各部件及傳遞線路損耗和控制器損耗等[1]。

本文將這些制約因素進(jìn)行分類，并綜合闡述各制約因素對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的影響以及為提高能量回收效率針對(duì)各類因素進(jìn)行優(yōu)化研究的研究現(xiàn)狀。

2 制動(dòng)力分配策略模式

再生制動(dòng)控制策略是制動(dòng)能量回收技術(shù)的核心，策略在滿足制動(dòng)安全法規(guī)的要求下，解決前后輪上制動(dòng)力的分配問題及電機(jī)制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力在驅(qū)動(dòng)軸上的分配問題。一方面實(shí)現(xiàn)制動(dòng)穩(wěn)定性，另一方面改善再生制動(dòng)控制效果，提高能量回收率。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究都是基于控制策略的優(yōu)化與拓展。

2.1 前后軸制動(dòng)力分配

由于電機(jī)的參與，電動(dòng)汽車在制動(dòng)時(shí)前后軸的制動(dòng)分配不再按照燃油車以固定制動(dòng)力分配系數(shù)分配，此時(shí)的分配系數(shù)將是一個(gè)變動(dòng)的值。所以從提高制動(dòng)穩(wěn)定性及能量回收率考慮，制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)變動(dòng)范圍必須要合理。

從汽車?yán)碚撝?，汽車在制?dòng)時(shí)前后車輪同時(shí)抱死是一種理想狀態(tài)，此時(shí)可以充分利用地面附著力以免車輪打滑，并且保證汽車方向穩(wěn)定性最高。因此制動(dòng)力優(yōu)化分配都要求前后制動(dòng)力分配盡可能在理想的制動(dòng)力分配曲線I附近。

另外基于制動(dòng)時(shí)方向的穩(wěn)定性考慮，前后軸的制動(dòng)力分配還必須以ECE法規(guī)為依據(jù)。ECE規(guī)定：汽車?yán)酶街禂?shù)在Φ=0.2—0.8之間時(shí)，要求汽車制動(dòng)強(qiáng)度滿足Z≥0.1+0.85（Φ-0.2）;并且為避免后輪先于前輪抱死而導(dǎo)致側(cè)滑，ECE還規(guī)定前軸的利用附著系數(shù)要大于后軸的利用附著系數(shù)。根據(jù)約束條件可得到ECE法規(guī)邊界曲線，又稱為M曲線。按照要求當(dāng)前后軸制動(dòng)力優(yōu)化分配位于M曲線上方及I曲線下方區(qū)域時(shí)，能滿足制動(dòng)法規(guī)的要求。

2.2 電-液制動(dòng)力分配

為確保制動(dòng)過程的安全可靠性，純電動(dòng)汽車并不會(huì)摒棄原有機(jī)械液壓制動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)再生制動(dòng)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)軸上組成復(fù)合制動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)與機(jī)械摩擦制動(dòng)力的分配可分為串聯(lián)制動(dòng)與并聯(lián)制動(dòng)[2]。

2.2.1 串聯(lián)制動(dòng)

串聯(lián)制動(dòng)首先考慮電機(jī)制動(dòng)力參與制動(dòng)，當(dāng)電機(jī)制動(dòng)力小于需求總制動(dòng)力時(shí)，機(jī)械液壓制動(dòng)力再參與制動(dòng)彌補(bǔ)剩余制動(dòng)力。這種制動(dòng)方式能使電機(jī)制動(dòng)得到最大化利用，制動(dòng)能量回收效率高，但其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。

2.2.2 并聯(lián)制動(dòng)

并聯(lián)制動(dòng)是電機(jī)再生制動(dòng)力與機(jī)械液壓制動(dòng)力按照固定比例同時(shí)參與制動(dòng)[3]。再生電機(jī)控制器確定制動(dòng)力是基于液壓制動(dòng)之上需要加載的電機(jī)制動(dòng)力矩，并且該力矩由整車靜態(tài)制動(dòng)力分配關(guān)系、電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性、駕駛員制動(dòng)感覺以及輪胎與路面附著特性等方面綜合確定[4]。以往的研究中并聯(lián)結(jié)構(gòu)通常采用模糊控制、模型預(yù)測(cè)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等算法，優(yōu)化電液復(fù)合制動(dòng)分配比例。

3 電機(jī)性能

電機(jī)制動(dòng)力的大小是影響能量回收的關(guān)鍵。學(xué)術(shù)界對(duì)電—液制動(dòng)力分配方式基本達(dá)成一致，即在電機(jī)能力允許的范圍內(nèi)盡量使電機(jī)所占的制動(dòng)比例增大。

電機(jī)向電池充電過程中，會(huì)由于轉(zhuǎn)子定子電阻、銅損、熱損耗等問題導(dǎo)致電機(jī)并不能將再生制動(dòng)力完全轉(zhuǎn)換成電能，因此再生制動(dòng)力的大小受到電機(jī)發(fā)電功率影響。在高強(qiáng)度制動(dòng)下考慮到制動(dòng)安全性，需要電機(jī)和摩擦制動(dòng)協(xié)同參與，因此能量回收控制策略制定時(shí)因充分考慮電機(jī)性能和行駛狀況，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)力最大化。

現(xiàn)目前基于電機(jī)特性角度出發(fā)設(shè)計(jì)能量回收控制策略的研究十分廣泛。如王茹潔等基于最優(yōu)制動(dòng)能量回收控制策略，采用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化出恒定電機(jī)轉(zhuǎn)速下，電機(jī)有效發(fā)電功率達(dá)到最大時(shí)的轉(zhuǎn)矩值，再利用最小二乘法擬合出電機(jī)有效發(fā)電功率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速與再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線進(jìn)行控制策略的建模，仿真得到28.71%的有效回收率。熊會(huì)元等以理想制動(dòng)力分配與ECE法規(guī)為約束，對(duì)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收進(jìn)行研究，文獻(xiàn)基于電機(jī)map特性構(gòu)建電機(jī)利用效率最大化的轉(zhuǎn)矩分配模型，獲得了前后電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)分配規(guī)律，并以此設(shè)計(jì)再生制動(dòng)力分配策略，研究表明該策略制動(dòng)能量回收效率達(dá)到80.94%。

4 儲(chǔ)能裝置性能狀態(tài)

能量回收的多少還受儲(chǔ)能方式（電池類型或結(jié)構(gòu)）以及電池充電能力的限制，在儲(chǔ)能方式已定的條件下，制動(dòng)過程中需要避免因電池充電功率過高損壞電池，縮短電池壽命。因此按照規(guī)定，只有在電池SOC值較低時(shí)才觸發(fā)回收系統(tǒng)回收能量，當(dāng)SOC>0.9時(shí)，則不進(jìn)行制動(dòng)能量回收。所以制動(dòng)能量回收需充分考慮SOC當(dāng)前大小合理回收能量。如白志峰等提出了基于蓄電池充電電流的控制策略，通過仿真分析驗(yàn)證了該策略可以在保證車輛制動(dòng)安全性的前提下保護(hù)蓄電池。

另外以儲(chǔ)能裝置作為側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化能量回收效率的研究也有許多，如高建樹等研究機(jī)場(chǎng)電動(dòng)牽引車復(fù)合能源系統(tǒng)的制動(dòng)能量回收效率，在理想制動(dòng)力分配和模糊控制電液制動(dòng)力分配的基礎(chǔ)上，采用超級(jí)電容和DC/DC串聯(lián)再與鉛酸電池并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)制動(dòng)中中速段與低速段電能回收進(jìn)行分段控制，研究表明該復(fù)合能源結(jié)構(gòu)低速下的能量回收效率更高。

5 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電機(jī)制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力的耦合形式不同，液壓調(diào)節(jié)單元的構(gòu)型就不同，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)軟件執(zhí)行層的控制不同，進(jìn)而影響制動(dòng)能量回收率。為保證制動(dòng)系統(tǒng)工作可靠性，制動(dòng)法規(guī)要求行車制動(dòng)器的液壓管路至少有兩個(gè)互相獨(dú)立的回路，市面上汽車常見制動(dòng)管路布置形式有Ⅱ型和X型。

主要研究有楊坤等提出了基于ABS電磁閥壓力調(diào)節(jié)特性的解耦式制動(dòng)能量回收控制策略，通過在原有制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加2個(gè)壓力傳感器，再利用現(xiàn)有ABS電磁閥作為解耦裝置，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力的精確耦合，從而準(zhǔn)確跟蹤駕駛員制動(dòng)需求，最大化利用電機(jī)制動(dòng)提高能量回收效果。張炳力等采用X型雙管路布置的真空助力帶電動(dòng)真空泵的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)基于I曲線的前后軸制動(dòng)力分配與串聯(lián)式的電液制動(dòng)力分配能量回收控制策略仿真，并搭建實(shí)車臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證該策略能實(shí)現(xiàn)能量回收目標(biāo)，整車電池SOC的消耗降低了7.5%。王猛等人改進(jìn)了電動(dòng)汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)，增設(shè)了液壓控制單元和踏板位移傳感器，并開發(fā)新的控制策略在燃料電池汽車上進(jìn)行試驗(yàn)研究。

6 行駛工況

從能量回收的角度，不同行駛工況要求汽車加、減速的次數(shù)與時(shí)長(zhǎng)不同，進(jìn)而影響回收能量的多少。城市循環(huán)工況交通流量大且紅綠燈設(shè)置多，要求汽車頻繁制動(dòng)且制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，可回收能量多。高速公路工況制動(dòng)次數(shù)少且多為緊急制動(dòng)，可回收能量少。從制動(dòng)安全角度，不同路面附著系數(shù)會(huì)影響制動(dòng)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度的大小，從而影響制動(dòng)能量回收。如干瀝青水泥路面路面附著系數(shù)高，制動(dòng)時(shí)可以獲得較大制動(dòng)力與較好的方向穩(wěn)定性。

昌誠(chéng)程等基于I線和ECE法規(guī)邊界曲線設(shè)計(jì)兩種前后軸制動(dòng)力分配方式，采用路面識(shí)別模塊，根據(jù)不同路面附著系數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，可實(shí)現(xiàn)保證制動(dòng)安全的前提下提高能量回收效率。郭金剛等結(jié)合理想制動(dòng)力分配控制策略研究單次工況對(duì)能量回收效果的影響，通過計(jì)算不同制動(dòng)初速度下能量回收最大的最優(yōu)制動(dòng)強(qiáng)度，再以能量回收最大化為目標(biāo)，提出一種再生制動(dòng)能量回收最優(yōu)的控制策略。

7 總結(jié)與展望

制動(dòng)能量回收控制策略涉及的影響因素眾多，目前眾多學(xué)者對(duì)其各個(gè)影響因素展開了不同深度的研究并取得了較好的成果。以后的制動(dòng)能量回收控制策略研究可以從以下幾個(gè)方面繼續(xù)展開研究。首先，涉及電池因素對(duì)再生制動(dòng)回收研究的影響時(shí)，大多數(shù)研究者只考慮了SOC值，并未考慮到電池溫度對(duì)電池充放電速率的影響，因此后續(xù)研究可結(jié)合電池SOC值與電池溫度對(duì)控制策略進(jìn)行改進(jìn)。其次，大多數(shù)研究者在設(shè)計(jì)制動(dòng)回收控制策略時(shí)，將控制條件設(shè)置在觸發(fā)ABS系統(tǒng)之前進(jìn)行能量回收，但實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)更多的考慮制動(dòng)能量回收系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，以提高制動(dòng)安全性考慮設(shè)計(jì)更綜合的控制算法。最后，基于一些客觀因素的限制，大部分研究者的研究采用理論仿真的方式，后續(xù)可更多的設(shè)計(jì)實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制策略的效果并兼顧實(shí)車運(yùn)行過程中的影響因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭金剛，董昊軒，盛偉輝，涂超.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)能量回收最優(yōu)控制策略[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，39（02）：132-138.

[2]葉敏，郭金剛.電動(dòng)汽車再生制動(dòng)及其控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2013：10-11.

[3]竇建明，田文朋，李嘉波.電動(dòng)汽車電-液并聯(lián)ABS制動(dòng)系統(tǒng)能量回收研究[J].測(cè)控技術(shù)，2018，37（11）：148-152+157.

[4]葛恒勇.純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)控制策略研究[D].西華大學(xué)，2016.