純電動汽車再生制動策略現(xiàn)狀與展望

肖博一，曾細(xì)強(qiáng)，張震邦，李斌，楊益彬

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510640）

純電動汽車再生制動策略現(xiàn)狀與展望

肖博一，曾細(xì)強(qiáng)，張震邦，李斌，楊益彬

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510640）

介紹電動汽車再生制動的工作方式以及工作特點(diǎn)，并針對制動感覺、最大回收策略等主流再生制動策略進(jìn)行詳細(xì)解釋并概述國內(nèi)外的最新發(fā)展?fàn)顩r。同時(shí)，在梳理電動汽車現(xiàn)有再生制動策略的關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)一些尚存的缺陷，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。

電動汽車；再生制動系統(tǒng)；能量回收；控制策略

隨著有限化石燃料需求量的不斷增長及當(dāng)今社會所面臨PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)的環(huán)境危機(jī)，截止至2015年底，國家及地方政府已經(jīng)出臺推出新能源政策152項(xiàng)。在此背景下，電動汽車要做到能源利用最優(yōu)化，采取再生制動是必要途徑之一。在中國城市區(qū)間的汽車行駛特點(diǎn)為頻繁起動、加速、減速、停車，大約有1／3到1／2直接驅(qū)動車輛運(yùn)行的能量消耗于制動過程中［1］。如何回收利用這些寶貴的能量并減少傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的磨損損耗，成為新的熱門研究項(xiàng)目。

對于純電動汽車，其電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)能滿足汽車從零到最大行駛速度的要求，同時(shí)也有能力吸收制動反饋能量［2］。基于以上特點(diǎn)和要求，目前主流選擇異步電機(jī)或者永磁同步電機(jī)作為車輛的驅(qū)動電機(jī)。

1 工作原理

純電動汽車的制動回收系統(tǒng)由能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)-能量控制系統(tǒng)-能量儲存系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 制動回收能量路線簡圖

在車輛減速或者制動時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子被制動力拖動，從而轉(zhuǎn)子的線圈不斷切割定子磁感線運(yùn)動產(chǎn)生電流，電流通過變換器給儲能系統(tǒng)［3］。目前，利用發(fā)電機(jī)發(fā)電的回收總效率約為10%～30%［4］。

1）再生制動技術(shù)優(yōu)勢再生制動是保證并改進(jìn)純電動汽車能量利用率的重要途徑之一，特別是在起、停頻繁的城市工作情況下，理論上利用再生制動可使純電動汽車?yán)m(xù)駛里程延長14%～40%［5］。同時(shí)，再生制動可完成低制動要求以及長時(shí)間制動（如長下坡）的制動任務(wù)并且不容易出現(xiàn)制動疲勞現(xiàn)象。在借助車輛變速器、減速器等齒輪傳動比機(jī)構(gòu)后，再生制動能承擔(dān)的制動強(qiáng)度可以更大。

2）路面安全優(yōu)勢再生制動可起輔助制動作用。特別是純電動汽車恒速下長坡時(shí)，為保持制動強(qiáng)度的恒定性，延長行車制動系統(tǒng)工作壽命，再生制動單獨(dú)或與行車制動系協(xié)同對車輛進(jìn)行速度控制。

和傳統(tǒng)機(jī)械A(chǔ)BS的電磁制動系統(tǒng)不同的是，在低附著系數(shù)路面上進(jìn)行再生制動時(shí)，再生制動可以在ECU的電子控制下迅速讓驅(qū)動輪獲得最佳滑移率，進(jìn)而縮短制動距離，過程中沒有液壓等延遲環(huán)節(jié)介入，快速高效。

再生制動系統(tǒng)反應(yīng)速度快，控制精度高。制動系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間對車輛動態(tài)性能的影響十分顯著。由于傳統(tǒng)行車制動系制動管路中的電磁閥存在死區(qū)時(shí)間，管路中傳力介質(zhì)的壓力反應(yīng)也存在明顯的遲滯現(xiàn)象，所以傳統(tǒng)制動系作用時(shí)間一般會比較長：如真空助力制動系與氣壓制動系的起作用時(shí)間為0.3～0.9 s，液壓制動系起作用的時(shí)間則在0.1s左右。由于電動汽車再生制動系統(tǒng)的制動性質(zhì)為電制動（電機(jī)反應(yīng)時(shí)間常數(shù)一般為1ms），有利于對制動力矩實(shí)現(xiàn)快速而精確的控制。

2 主流再生制動控制策略分類

純電動汽車再生制動力受諸多因素的約束而有限，當(dāng)請求的制動力大于再生制動力時(shí)，需行車制動系統(tǒng)參與制動，從而形成機(jī)電混合制動系統(tǒng)按回饋制動力與摩擦制動力的耦合關(guān)系，制動能量回收系統(tǒng)可分為疊加式和協(xié)調(diào)式。

圖2 疊加式再生制動

疊加式再生制動方式簡單高效，如圖2所示，直接把再生制動力疊加到傳統(tǒng)液壓制動上，不需要對液壓制動進(jìn)行改進(jìn)。這種制動方式實(shí)施簡易方便，然而存在回收效率低下、制動感覺比較差等缺點(diǎn)。它在再生制動研發(fā)初始階段受到關(guān)注。

圖3 協(xié)調(diào)式再生制動

協(xié)調(diào)式再生制動則是采用分段式分配再生與傳統(tǒng)制動力。如圖3所示，系統(tǒng)優(yōu)先考慮使用再生制動力，在制動需求到達(dá)某種需求后，液壓制動同時(shí)介入，2種制動力相互調(diào)節(jié)達(dá)到系統(tǒng)總制動要求。這種方式回收效率高，但控制復(fù)雜，需要改造傳統(tǒng)制動。如今在技術(shù)的不斷進(jìn)步中，協(xié)調(diào)式憑借著種種優(yōu)勢已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為國內(nèi)再生制動的主流發(fā)展方向。

接下來展開總結(jié)當(dāng)前的各類主流再生制動控制策略。2.1最佳制動感覺策略

當(dāng)制動強(qiáng)度要求較小時(shí)，只有驅(qū)動軸上的再生制動力對車輛起制動作用。當(dāng)制動需求繼續(xù)上升后，使前后軸制動力分配按照車輛自身的理想制動力比例（I曲線）來分配，此時(shí)實(shí)際制動力由摩擦制動力和再生制動力組成。這樣能有效利用地面附著條件，有足夠高的制動能回收潛力；這種策略的不足在于制動控制器的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜。這種策略駕駛實(shí)用性、舒適性優(yōu)秀，實(shí)用性較高。

吉林大學(xué)的初亮、楊毅等設(shè)計(jì)了一套基于制動感覺再生策略，通過增加主動增壓模擬器來對制動踏板進(jìn)行模擬，達(dá)到模擬傳統(tǒng)汽車的制動感覺［6］；華南理工大學(xué)的孫大許、蘭鳳崇等設(shè)計(jì)出基于雙軸雙電機(jī)四驅(qū)結(jié)構(gòu)的I曲線分配策略，并完成dSpace的半實(shí)物的建模仿真［7］。山東理工大學(xué)的郭棟、朱文平等提出了一套以城市電動巴士為對象、基于制動強(qiáng)度劃分的非線性控制策略，改進(jìn)后軸氣壓管路添加調(diào)壓閥以增加后輪電機(jī)制動的比例，并完成利用Simulink的后向仿真驗(yàn)證［8］。

2.2最佳能量回收策略（自由行程策略）

在制動踏板自由行程過程，該策略對車輛施加再生制動力，制動力的大小與踏板自由行程成固定比增大，直到踏板到達(dá)自由行程與液壓制動行程時(shí)，再生制動力到達(dá)額定最大制動力，驅(qū)動輪上的再生制動力維持不變，不足部分由從動軸上的機(jī)械制動補(bǔ)充；最后當(dāng)輪速降到某一低限定值時(shí)，再生制動停止工作。該策略有著最高的能力回收率，然而再生制動階段的抱死隱患依舊待解決。

Tesla特斯拉公司Model S等車型將執(zhí)行再生制動方式簡化為單一的油門松放，通過判斷是否踩踏油門踏板來執(zhí)行再生制動，該方式實(shí)施簡單高效，但駕駛員需要時(shí)間習(xí)慣。然而，車輛在遇到附著力低的地面路況時(shí)（如結(jié)冰地面），即使請求的制動強(qiáng)度較小，也極易造成驅(qū)動輪先抱死，導(dǎo)致制動效能失效甩尾或者抱死的情況。

BOSCH公司研發(fā)出ESP-hev與HAS-hev系統(tǒng)［9］，是全球首款無需額外部件即可協(xié)調(diào)車輪和電機(jī)制動的系統(tǒng)。通過制動踏板解耦，利用電機(jī)控制器與液壓調(diào)節(jié)器分配制動力。該系統(tǒng)首先用在奔馳S400混動版本上，接下來又搭載在凱迪拉克CT6-PHEV。系統(tǒng)對踏板處力學(xué)解耦后，通過控制器可以執(zhí)行不同強(qiáng)度要求的能量回收，同時(shí)在CT6的駕駛艙也有特設(shè)撥片可以進(jìn)行再生制動力的快速調(diào)節(jié)。博世也已經(jīng)完成對比亞迪部分混動車型的匹配。

德國Continental公司推出適用于自由行程策略的EMB系統(tǒng)，它對制動操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增設(shè)了主動式的踏板模擬裝置，并通過調(diào)節(jié)真空度，令踏板在自由行程過程中能有傳統(tǒng)制動感覺［10］。

韓國成均館大學(xué)提出一種基于自由行程策略、能初步針對低附著路況來判斷工作方式的新型控制策略［11］，如圖4所示。通過對路面附著系數(shù)進(jìn)行判斷，控制再生制動是否介入。未來的電動汽車在面對復(fù)雜工況時(shí)，制動系統(tǒng)如何穩(wěn)定工作，對成本、可靠性、安全性等提出了更高要求。2.3再生制動自協(xié)調(diào)策略

圖4 基于附著力系數(shù)的邏輯判斷圖

與其他策略不同的是，再生制動自協(xié)調(diào)策略有著較高的穩(wěn)定效能。在遇到特性制動需求時(shí)，通過預(yù)設(shè)邏輯策略主動改變再生制動力-傳統(tǒng)制動的制動比例，按照某一預(yù)設(shè)的制動分配比進(jìn)行制動；在緊急情況下（如瞬時(shí)制動需求過大），只行車制動系統(tǒng)工作，此時(shí)制動安全效能顯著提高。這種策略可憑借電機(jī)控制器，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池SOC及與機(jī)械制動力設(shè)定的比值等信息對再生制動力實(shí)施控制。特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，開發(fā)成本低，開發(fā)周期短，是目前常用策略之一。

浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)的黃智奇、姚棟偉等通過結(jié)合蓄電池、超級電容和雙向DC／DC變換器，提出按照發(fā)電機(jī)高低中速分段制再生制動優(yōu)化控制［12］。這種基于再生制動自協(xié)調(diào)的新型策略，在保證優(yōu)秀回收效率的前提下，保證了良好的制動感覺。

俄亥俄州立大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位的學(xué)者提出了混合制動ABS控制策略以及基于最佳滑移率的再生制動主動補(bǔ)償控制策略，通過采用邏輯門限值控制、模糊控制等方式進(jìn)行控制［13］。

3 關(guān)鍵問題

電動汽車再生制動在快速發(fā)展的過程中，有較多關(guān)鍵問題亟待合理改進(jìn)。目前主要問題有：①如何改善再生混合制動的抱死現(xiàn)象、行駛在低附著系數(shù)路面如何保證純再生制動能保持最佳滑移率；②在再生制動過程中有著良好回收效率的同時(shí)，保證駕駛員有較好的制動感受。

由于現(xiàn)今大部分純電動車輛的再生制動為單獨(dú)依靠單軸（如驅(qū)動輪拖動電機(jī)）進(jìn)行再生制動，尤其是容易在制動過程中造成前后制動力分配不均導(dǎo)致個別車輪在低附著地面上提前抱死，或者前后輪制動摩擦不均勻?qū)е录铀佥喬ギ惓Ｄp。尤其針對中大型車輛，以現(xiàn)代EBS制動力分配為依據(jù)，需要對車輛前后軸承載荷進(jìn)行分配：在混合制動時(shí)，主動分配制動力矩，需要進(jìn)行前后制動力均衡，防止其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)單軸車輪抱死，導(dǎo)致車身姿態(tài)異常。

接下來，在保證汽車制動安全性與穩(wěn)定性的前提下，研發(fā)人員需要對純電動汽車的再生制動控制進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到能量回收的能力以及駕駛員感受，需要結(jié)合車輪制動轉(zhuǎn)矩與電機(jī)能量回收制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，達(dá)到某個能充分回收制動能量的目標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)不僅需要更多的理論控制基礎(chǔ)，也需要通過重復(fù)HIL試驗(yàn)以及臺架試驗(yàn)、實(shí)車試驗(yàn)來進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證。

4 總結(jié)及展望

面對全新的新能源轉(zhuǎn)型契機(jī)，如何在保證防抱死等安全性前提下，達(dá)到更合理的再生制動與傳統(tǒng)制動分配比，來充分利用再生制動回收能量并保持擁有良好的制動感覺，是目前再生制動發(fā)展的重要方向。同時(shí)，如何優(yōu)化再生電機(jī)與減速器、變速器的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系來優(yōu)化再生制動效率，依舊是值得深度研究的課題，需要科研人員持之以恒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

展望再生制動技術(shù)發(fā)展，對于國外領(lǐng)頭車企，如TESLA，則以安全、節(jié)能、低價(jià)3個側(cè)重點(diǎn)，從E級車model s到2018年上市的B級車型model 3，爭取讓再生制動策略更適合國內(nèi)駕駛習(xí)慣，也將不斷降低產(chǎn)品價(jià)格；同時(shí)特斯拉是首家支持車載系統(tǒng)OTA升級的車企，這代表著未來汽車基于控制系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化的無限可能性。國內(nèi)在2015年中旬也推出比亞迪-唐、長安-逸動等支持再生制動的新能源車型。

從大局來看，國內(nèi)應(yīng)在穩(wěn)步優(yōu)化基礎(chǔ)制動策略的前提下，與綜上國外新思路相結(jié)合，如尋找當(dāng)前熱門的車聯(lián)網(wǎng)／智能駕駛技術(shù)與再生制動的共性；然而又不能局限于跟隨國外研發(fā)方向，應(yīng)該逐步結(jié)合國內(nèi)需求以及自身環(huán)境來解決再生制動執(zhí)行的具體問題，并推進(jìn)發(fā)展環(huán)境友好、符合國內(nèi)復(fù)雜交通、符合消費(fèi)者需要的再生制動系統(tǒng)。

［1］Gao Y，Chen L，Ehsani M.Investigation of the Effectiveness of Regenerative Braking for EV and H［J］. SAE Transactions，2000，108（6）：3 184-3 190．［2］Westbrook M.H.The electric and hybrid electric car［J］.Society of Automotive Engineers，2001：193.

［3］Wang F，Zhuo B.Regenerative braking strategy for hybrid electric vehicles based on regenerative torque optimization control［J］.Journal of Automobile Engineering，2008：499-513.

［4］陳清泉，孫逢春，祝嘉光，等．現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［5］中國汽車技術(shù)研究中心，清華大學(xué).GB／T18386-2005.電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［6］初亮，楊毅，等.基于制動感覺的制動能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，45（5）：1 029-1 035.

［7］孫大許，鳳崇，陳吉清.基于I制動力分配的四驅(qū)純電動汽車制動能量回收策略的研究［J］.汽車工程，2013，35（12）：1 057-1 061.

［8］郭棟，朱文平，孫宇航，等.城市電動公交車制動能量回收控制策略研究［J］.汽車工程，2016，38（3）：269-273.

［9］博世.博世底盤控制系統(tǒng)提升安全性和舒適性［J］．汽車零部件，2014（6）：11-12.

［10］Von albrichsfeld C，Karner J，Albrichsfeld-Continental C，et al.Brake system for hybrid adnelectric vehicles［J］.SAE Technical Paper，2009（1）：1 217.

［11］J.W.KO1，S.Y.KO，et al.CO-OPERATIVE CONTROL FOR REGENERATIVE BRAKING AND FRICTION BRAKING TO INCREASE ENERGY RECOVERY WITHOUT WHEEL LOCK［J］.International Journal of Automotive Technology，2014，15（2）：253-262.

［12］黃智奇，姚棟偉，等．電動汽車復(fù)合能源系統(tǒng)再生制動分段控制策略研究［J］．機(jī)電工程，2016，33（3）：280-286．

［13］張俊智，呂辰，李禹橦.電動汽車混合驅(qū)動與混合制動系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，36（8）：911-918.

（編輯 楊景）

Present Status and Prospect of the Regenerative-Braking Control Strategies of Electric Automobiles

XIAO Bo-yi，ZENG Xi-qiang，ZHANG Zhen-bang，LI Bin，YANG Yi-bin
（South China Agricultural University，Guangzhou 510640，China）

This article describes working methods and characteristics of regenerative braking for electric vehicles；meanwhile，explains in detail the braking-feeling，maximum-recovery strategy，and other mainstream strategies，then summarizes recent development around the world.Based on the review of key issues of electric vehicle regenerative braking，and existing policies，a number of flaws are pointed out，as well as prospects of the future development.

electric car；regenerative braking system；energy recycling；control strategy

U469.72

：A

1003－8639（2016）12－0001－03

2016-04-29；

2016-07-08

肖博一（1993-），男，碩士在讀，主要研究方向?yàn)殡妱悠嚒?/p>