插電式混合動力汽車結構原理簡介(二)

◆文/北京 王新旗

(接上期)

(2)再生制動

所謂再生制動，是指通過控制使車輛動力模塊全部或部分具有能量逆向流動功能，從而實現將車輛的慣性能部分回饋至儲能器，與此同時，對車輛起制動作用。在電動汽車中，再生制動的性質是電氣制動，此時驅動電機工作處于發電模式。這里說的電動汽車再生制動是一種宏觀稱謂，它是指電動汽車在電氣制動過程中，整體上表現為將車輛慣性能變成電能，并將其儲存于蓄能器中。而在微觀上，根據電機驅動系統功率變換器控制信號的不同，再生制動的基本制動模式有兩種：一種模式是蓄能制動與回饋制動的交替，另一種是反接制動與回饋制動的交替。所謂蓄能制動是指驅動電機產生的電能除部分消耗于回路電阻上之外，其余全部以磁場能形式儲藏于電路電感中的電氣制動；所謂回饋制動是指驅動電機產生的電能除部分消耗于回路電阻之外，其余全部回饋于蓄能器中的電氣制動；所謂反接制動是指驅動電機的反電動勢與電源電壓順向串聯所形成的一種電氣制動，這種制動不但沒有電能回饋于蓄能器中，反而蓄能器要輸出電能。

混合動力電動汽車可以在制動時候通過再生制動進行能量回收，以便再次利用來提高能源的利用率，延長續駛里程。在車輛制動時，通常需要的制動轉矩比電動機所能產生的最大轉矩要大得多，所以在混合動力汽車或電動汽車中，摩擦制動與再生制動將會同時存在。由于再生制動的輔助制動作用，可以延長制動系統的工作壽命，特別是在連續下坡時候，提高效能的恒定性，摩擦制動在控制回路中的電磁閥存在死區時間，管路中的傳力介質也存在滯后顯現，所以制動延時比較大(一般在0.1s以上)，而再生制動中的電機時間常數一般在0.001s左右，所以再生制動的反應速度要快得多，同時再生制動的控制精度也要比摩擦制動精確。

2.影響饋能制動的因素

饋能制動受到多方面因素的影響，例如驅動類型、變速器類型與擋位、電機類型及其控制策略、蓄能器類型。下面對各主要因素進行簡單分析。

(1)驅動類型

由于饋能制動只發生于驅動輪上，因此驅動輪承擔的制動份額越多，制動能回收量就可能越多。由于制動時載荷前移及制動穩定性的約束，前驅型電動汽車比后驅型更有利于制動能的回收。全輪驅動的電動汽車具有的制動能回收能力最強。

(2)變速器類型與擋位

對于變速器采用CVT的電動汽車，饋能制動時，通過對CVT速比的控制，使電機沿最優效率工作線運行，或使電機與蓄電池的總效率最優，可提高制動能回收量。對裝備AMT的電動汽車，饋能制動時，相同車速條件下，電機工作效率會因AMT擋位不同而不同，因此，需要根據運行狀態進行自動換擋控制，使電機位于高效工作區，以提高制動能量收量。

(3)電機類型及其控制策略

在混合動力電動汽車的電驅動動力系統中，驅動電機的恒功率工作區越寬，電機在高效率區工作時間就越長，制動能回收效率就越高。目前適合于電動汽車的驅控制系統有4種：直流驅控系統、交流感應驅控系統、永磁同步驅控系統及開關磁阻驅控系統。直流驅控系統的優點是技術成熟、控制簡單、調速性能好、成本低，缺點是系統笨重，維護性能差。交流感應驅控系統的優點是可靠性高、免維護及低成本，缺點是控制技術復雜，有待進一步提高。永磁同步驅控系統的優點是永磁同步電動機具有高比功率、高效率、高功率因素，缺點是成本高。開關磁阻驅控系統的優點是開關磁阻電動機結構簡單、成本低、轉矩/轉速特性好，缺點是設計和控制非常困難、轉矩脈動大及工作噪聲大，成本高。

(4)蓄能器類型

用于電動汽車的蓄能器有蓄電池、超級電容器與蓄能飛輪，由于蓄電池技術相對成熟、價格合理及比能量高，是電動汽車目前與近期的主要蓄能器。內充電接受能力的大小對電機饋能制動能力的發揮起決定作用，SOC只有在適當范圍內，蓄電池SOC及蓄電池短時間內充電接受能力的大小對電機饋能制動能力的發揮起決定作用，SOC只有在適當范圍內，蓄電池才具有較強的充電接受能力，當蓄能器被充滿時，就不能接受充電。此外，蓄電池比功率較小，不能接受瞬時大功率充電。與蓄電池相比，超級電容器的比功率大得多，因而可接受瞬時大功率充電。但其比能量只有蓄電池的20%左右，使用時必須把多個單體電容器串聯成超級電容器模組才能運用，而且目前超級電容器價格仍較貴，并且必須使用升降壓變換器與功率控制器，所以能量的損耗也較嚴重。因此，回收制動能時，可先將電能充入超級電容器，再經升壓泵入蓄電池。蓄能飛輪的使用條件要求苛刻，再加上安全考慮，目前很難有所突破。而超級電容與蓄電池組成的復合電源系統兼顧了超級電容器接受瞬時大功率與蓄電池比能量大的優點，因此，這種復合電源最具有競爭力，是電動車蓄能系統發展的重要方向之一。

除此之外，其他影響制動能回收的因素還有車輪與路面間的附著條件、車輛質心位置、驅動鏈零件的慣性、電機與電力電子器件的動態變化等。

3.饋能制動的控制方式

(1)能量回饋制動控制的要求

在實際的使用過程中，能量回饋制動系統必須滿足一些條件和要求，制動過程中，對安全的要求是第一位的，通常，汽車的制動模式分為輕度制動、中度制動和急制動模式三種，根據各類制動的要求，提出如下分配策略：

第一是輕度制動，即制動強度較低時，優先采用饋能制動，由電機通過傳動系統單獨提供制動力，傳統的摩擦制動不工作。

第二是中度制動時，隨著制動強度的增加，采用復合制動方式，制動力矩由摩擦制動和能量回饋制動按照固定比例承擔，直至饋能制動飽和。

第三是急制動情況，此時能量回饋制動已近飽和，進一步增加的制動強度要求由摩擦制動提供。

(2)制動踏板符合駕駛人的制動習慣

對于傳統的燃油汽車，制動踏板的設計完全出于對摩擦制動的考慮，制動踏板的深度同制動力矩成正比，電動汽車的能量回饋制動雖然可以通過不同的控制策略(最大再生回饋功率、最大再生回饋效率、恒值制動電流以及恒定回饋電流)來實現，但考慮能量回饋必須要同摩擦制動配合使用，且要符合駕駛人的制動習慣，故較多采用恒值制動電流 (制動電流直接對應制動力矩)的控制策略，控制對象是電機繞組電流(制動電流)，在制動過程中，始終保持制動電流跟隨指令值的變化，調節制動力矩的大小。

(3)確保電池組在充電過程中的安全，防止過充

充電時，要避免因充電電流過大或充電時間過長而損壞電池。在實際應用中由于充電時間通常較短，所以主要考慮如何控制最大充電電流(一般車載蓄電池推薦以0.1倍蓄電池容量的電流容量充電)，如果采用恒值制動電流的控制策略，因為跟隨的指令是繞組電流，而非電池組兩端的充電回饋電流，所以必須通過功率控制的方法，或增加充電回饋電流的檢測環節來監測電池組最大充電電流，或直接采用恒定回饋電流的控制方法，以充電回饋電路作為指令值。

4.能量回饋制動的基本原理及控制方式

電動汽車制動時，電動機作發電機運行，可使車輪制動或減速時的能量轉化成電能回饋到蓄電池(向蓄電池充電)，即電動機輸出能量，如圖6所示。

圖6 電機的制動饋能控制

電動機產生阻力轉矩Md，使車輛減速，由于電動機的回饋電流受電流的充電電流制約，車輛制動或減速時有40%～60%的能量是可以回收的，其中只有10%～20%的能量可轉化成電能向蓄電池充電。電動車輛電動機作為發電機運行構成饋能制動，使車輛的動能得以回收，有兩種情況：一是電動車輛下坡時，電動機的轉子轉速因阻力減小而提高，當超過最高允許轉速時，應轉入饋能制動狀態。二是車輛減速時，將車輛動能轉換成電能，反饋到電源中去。實現饋能制動應滿足兩個條件：一是電動機應運行在發電狀態，二是發電機產生的電能。(由制動能量轉換而來)應通過適當的電路反饋到蓄電池，即電動機產生的電壓必須高于蓄電池的電源，電動汽車能量回饋制動時會有兩種情況：一是制動初期電動機轉速高，產生的電動勢高于蓄電池電壓，采用三相整流回饋方式，二是電動機轉速低，產生的電動勢低于蓄電池電壓采用斬波升壓回饋方式，通過饋能制動回收的能量越多越好，但饋能制動力矩的大小受到諸多因素的制約，因此，為保證可靠的制動效能，電動汽車必須保留傳統的機械摩擦制動系統，并與饋能制動系統組成混合制動結構，這種混合制動系統可以按照兩種制動系統工作的方式分為串聯和并聯兩種類型。

(1)串聯制動

串聯制動的原理如圖7所示，串聯制動的特點是當饋能制動力達到其最大值時，機械摩擦制動系統才參與工作，以滿足車輛的制動需求。串聯制動需要與車輛的ABS集成控制，它能夠對單個車輪的液壓制動力進行單獨調整，并可以保證使用饋能制動與路面附著(滑移率)所能容許的最大極限，很顯然，由于充分利用了饋能制動，因此串聯制動將獲得最大的能量回收率，但與此用時，串聯制動結構復雜、成本高，需要集成的控制系統。

串聯制動系統的控制過程如圖8所示。為保持車輛的穩定制動而要求前后輪制動力平衡，根據駕駛人的制動命令，制動控制器分別計算需要由電動機和液壓制動系統提供的制動力，并給液壓制動系統和電動機控制器發出指令，電動機能夠提供的制動轉矩是電動機轉速的函數，該轉矩反饋回制動控制器，如果沒有達到需求的制動力矩，則需要由液壓制動系統予以彌補，由此可見，在串聯制動中，通過電動機制動和液壓制動之間的協調控制，可以最大化地利用電動機的制動轉矩，其能量回收率高。

圖7 串聯制動系統制動力分配原理

圖8 串聯制動系統控制原理

(2)并聯制動

并聯制動的原理如圖9所示，與串聯制動不同，并聯制動是按一個固定的比例分配饋能制動力和機械摩擦制動力，由于沒有充分發揮饋能制動力的作用，因此其回收的能量沒有串聯制動高，但并聯制動對傳統機械摩擦制動系統的改動少，結構簡單，只需增加一些控制功能即可，成本低。并聯制動系統的控制原理如圖10所示，根據駕駛人的命令，電動機控制器確定需要加在液壓制動基礎上的電動機制動轉矩，其大小由液壓主缸壓力確定，同樣，電動機制動轉矩是電動機轉速的函數，因此能夠加在液壓制動基礎上的電動機制動力要根據汽車的靜態制動力分配關系、電動機轉矩特性、駕駛人的感覺和輪胎與路面附著極限綜合確定，很明顯，由于缺乏主動制動控制功能，在電動機制動和液壓制動系統之間不能進行協調控制， 因此并聯制動對電動機制動轉矩使用不充分，能量回收率低。

圖9 并聯制動系統制動力分配原理

圖10 并聯制動系統控制原理