電動汽車再生制動技術研究

山西中北大學研究生院車輛工程系 成龍 崔俊杰

1 引言

再生制動是電動汽車[1,2,3,4,5]最重要的特性之一。再生制動[1,2,3]是指在車輛減速或制動時，將其中一部分能量（車輛行駛動能和坡路上汽車具有的勢能）轉化為其他形式能量存儲到能量存儲系統中以備驅動時使用的過程。通常，電動汽車借助二次元件電動機被控制作為發電機運行，在不增加輔助裝置的前提下，方便實現制動能量回收。這相比于傳統的內燃機汽車而言更有優勢，而其研究目前正處于起步階段，有必要對其進行深入研究。

2 再生制動的節能分析

傳統汽車的制動原理[2]即利用制動裝置把汽車行駛的動能通過機械摩擦方式轉換為熱能散發掉，以達到使汽車制動或減速的目的。制動消耗的能量占到驅動能量的很大一部分，如果能將這部分能量進行回收，無疑將極大地提高汽車的運行經濟性和安全性。再生制動技術做到了這一點，其理論節能分析如下：

當汽車在平直無坡道路上行駛時，其功率P表達式為：

式中：m為汽車總質量；g為重力加速度；f為汽車滾動阻力系數；Cd為空氣阻力系數；A為汽車迎風面積；v為行駛車速；δ為汽車旋轉部件旋轉質量換算系數，δ＞1。（注：P≥0時為驅動功率，p＜0時為制動功率）

需求總能量E表達式為：

當E≥0時為驅動能量[1,2,3,5]，則在驅動狀態時，蓄電池需要消耗的能量E1表達式為：

當E＜0時為制動能量[1,2,3,5]，則在制動狀態時，蓄電池需要回收的能量E2表達式為：

式中，η1為動力傳動系統的驅動效率，η2為動力傳動系統的回收效率。

給定一組汽車參數：m=1540kg；f=0.048；Cd=0.19；A=1.8m2；δ=1.05；η1=0.75；η2=0.65。分別在幾種典型運行循環的回收工況下進行對比，如表1所示。由表可知，采用再生制動可獲得較高的能量回收率。因此，再生制動對電動汽車的節能研究有重要的價值。

表1 典型運行循環能量回收對比

3 電動機再生制動原理

電動機的再生制動原理[2]即為在電動汽車制動時，二次元件電動機以發電狀態運行，將汽車行駛的動能轉化為電能保存至電能存儲系統中。在此過程中，負的電樞電流產生制動性的轉矩以降低汽車的行駛車速。

圖1 二象限DC-DC變換器控制直流電動機工作原理圖

圖1為實現對直流電動機控制的二象限DC-DC變換器工作原理圖。圖中U1、U2為驅動電源電壓，其大小相等，方向相反；T1、T2為絕緣柵晶體管；D1、D2為續流二極管；M為直流電動機；U為蓄電池等效電壓；R為蓄電池等效電阻；C為外接電容。變換器的負載為直流電動機的電樞?；趫D2所示，電動機的再生制動原理可從以下三種狀態來進行分析。

3.1 電動狀態

當電動機在電動狀態下運行時，T1、D2交替導通，T2始終截止。T1導通時，蓄電池電壓加到電樞兩端，電流沿回路1流通；D2導通時，電流沿回路2續流。通過調節T1的導通占空比例δ（δ=Ud/U），可以改變電樞兩端平均電壓Ud的大小。

3.2 制動狀態

制動過程中，T2、D1交替導通，T1始終截止。T2導通時，電動機反電動勢E產生反向電流并沿回路3流通，產生能耗制動；D1導通時，反向電流沿回路4續流，對蓄電池充電。制動運行時產生的反向電流可獲得制動性的電磁轉矩，實現電動汽車的再生制動。

3.3 電動與制動轉換狀態

在制動狀態時，出現T1關斷后，電流沿回路2短暫續流。當電流衰減到0時，D2兩端壓差降為0，此時電動機反電動勢E使T2飽和導通，產生沿回路3的反向電流，形成短時間的制動轉矩。當T2關斷時，反向電流沿回路4短暫續流。同樣，若反向電流衰減到0時，反電動勢E驅使T1導通，從而產生沿回路1的正向電流。所以，在一個開關周期內T1、D2、T2、D1輪流導通，實現電動與制動狀態的平穩轉換。

綜上所述，在一個周期內的0＜t≤δT區間，蓄電池電壓通過T1或D1導通加在電樞兩端；在δT≤t＜T區間，電動機電樞通過T2或D2導通續流。因此，電動機電樞電流始終流通，其端電壓為0，其平均電樞電流表達式為：

相應的蓄電池充電平均電流表達式為：

回饋蓄電池的功率表達式為：

回饋蓄電池的功率對制動功率的效率表達式為：

由上述公式可知，控制管T1的導通占空比δ，使之滿足0＜δ＜E/U，可實現對蓄電池的充電。

4 電動機再生制動策略

保證整車制動性能的基礎上，最大限度地回收制動能量，這是電動汽車制動策略的總體目標。具體到實際結構，就必須考慮汽車的總制動力需求、電動機所能提供的最大功率和能量存儲裝置的充、放電限制等因素，并結合控制的難易程度及成本，來制定再生制動的控制方法。

4.1 最大回饋功率制動策略[2]

該控制策略通過對制動過程中電樞電流的控制，以使回收功率達到最大。該策略的充電電流和回饋功率由公式(7)，令 dP/dδ=0，得：

由上式可知，該策略的充電電流和回饋功率達到最大，回饋能量的最大效率≤50%。但該策略在車速較高時，蓄電池的充電電流和電樞電流往往會超過限值。

4.2 最大回饋效率制動策略[2]

整車回饋效率[2]為：取dηv/d Id=0，得最大回饋效率制動策略的電動機

電樞電流表達式為：

式中，Tv為電動機負載轉矩，k為反電動勢系數，ω為電動機轉速，R為電動機等效內阻。

這種控制方法對電樞電流的控制，需要實時檢測車輛阻力，增加了控制的不確定性，實用性較差。

4.3 恒定充電電流制動策略[2]

為避免過大充電電流對蓄電池造成損害，現提出一種更實用的控制策略。即在制動過程中，以蓄電池充電電流為被控對象，所選取的蓄電池充電電流必須滿足：

該策略雖然能保證蓄電池的安全充電，但隨著車速的降低，電樞電流持續上升，有可能超過電樞允許最大電流，所以必須對充電電流的大小加以限制。另外，當制動踏板的開度與充電電流相對應時，在相同的踏板開度下，隨著車速的降低，汽車將獲得逐漸增大的制動力，這種現象不符合駕駛員的操作習慣。

4.4 恒定力矩制動策略[2]

綜上四種制動控制策略的分析可知，對于電動汽車的制動系統，要同時實現制動時駕駛員制動感覺與駕駛燃油汽車的一致性、最大化的能量回收和制動安全性，可以考慮來自制動踏板的制動需求、車速、電動機和蓄電池的電流限制等因素，綜合采用各種電動機制動方法。

5 結語

面對能源和環境的壓力，發展電動汽車，實現汽車節能與能量回收，在國際上已經形成了廣泛共識。今后，對電動汽車再生制動技術的研究主要有三個重點。重點一是能量回收，這是再生制動技術的根本出發點。重點二是制動防抱死功能。重點三是穩定性控制。如何運用現代智能控制方法，在兼顧制動穩定和安全性以及能量回收的基礎上，設計實用方便的再生制動系統，是其研究方向之一。再生制動技術作為汽車尤其是電動汽車技術的重要組成部分，它的進一步發展將會對汽車技術的發展產生推動力。

[1]張子英.車輛電儲能制動能量回收系統研究 [D].中北大學,2011.

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