純電動汽車制動能量回收系統關鍵技術現狀分析

王靜怡　吳濤　吉麒麟

摘 要：文章以制動能量回收控制策略為核心，展開制動能量回收系統關鍵技術現狀分析。首先重點闡述制動能量回收前后軸制動力與電-液制動力分配原則與技術要點。其后提出電機性能、儲能裝置性能狀態、再生制動系統結構、行駛工況四類關鍵因素對制動能量回收的影響，并對其關鍵技術的研究現狀進行綜合分析。最后提出制動能量回收系統未來的研究方向。

關鍵詞：制動能量回收 制動力分配 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

純電動汽車在排放、結構、技術上的巨大優勢讓其成為汽車發展的重要方向，但其續航里程短的問題是制約純電動汽車發展的主要因素。因此制動能量回收系統的研究對提高能量利用率，延長車輛續航里程十分重要。研究表明由于電機參與制動，電機通過內部轉子切割定子繞組磁場產生反電動勢回收電能，并產生制動扭矩。然而制動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。如制動系統結構、制動力分配策略、電動機和電池工作特性、傳動系統特性、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行分類，并綜合闡述各制約因素對制動能量回收系統的影響以及為提高能量回收效率針對各類因素進行優化研究的研究現狀。

2 制動力分配策略模式

再生制動控制策略是制動能量回收技術的核心，策略在滿足制動安全法規的要求下，解決前后輪上制動力的分配問題及電機制動力與機械制動力在驅動軸上的分配問題。一方面實現制動穩定性，另一方面改善再生制動控制效果，提高能量回收率。制動能量回收系統的研究都是基于控制策略的優化與拓展。

2.1 前后軸制動力分配

由于電機的參與，電動汽車在制動時前后軸的制動分配不再按照燃油車以固定制動力分配系數分配，此時的分配系數將是一個變動的值。所以從提高制動穩定性及能量回收率考慮，制動器制動力分配系數變動范圍必須要合理。

從汽車理論知道，汽車在制動時前后車輪同時抱死是一種理想狀態，此時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定性最高。因此制動力優化分配都要求前后制動力分配盡可能在理想的制動力分配曲線I附近。

另外基于制動時方向的穩定性考慮，前后軸的制動力分配還必須以ECE法規為依據。ECE規定：汽車利用附著系數在Φ=0.2—0.8之間時，要求汽車制動強度滿足Z≥0.1+0.85（Φ-0.2）;并且為避免后輪先于前輪抱死而導致側滑，ECE還規定前軸的利用附著系數要大于后軸的利用附著系數。根據約束條件可得到ECE法規邊界曲線，又稱為M曲線。按照要求當前后軸制動力優化分配位于M曲線上方及I曲線下方區域時，能滿足制動法規的要求。

2.2 電-液制動力分配

為確保制動過程的安全可靠性，純電動汽車并不會摒棄原有機械液壓制動系統。機械制動系統與電機再生制動系統在驅動軸上組成復合制動結構，該結構對電機與機械摩擦制動力的分配可分為串聯制動與并聯制動[2]。

2.2.1 串聯制動

串聯制動首先考慮電機制動力參與制動，當電機制動力小于需求總制動力時，機械液壓制動力再參與制動彌補剩余制動力。這種制動方式能使電機制動得到最大化利用，制動能量回收效率高，但其結構和控制系統復雜，成本高。

2.2.2 并聯制動

并聯制動是電機再生制動力與機械液壓制動力按照固定比例同時參與制動[3]。再生電機控制器確定制動力是基于液壓制動之上需要加載的電機制動力矩，并且該力矩由整車靜態制動力分配關系、電機轉矩特性、駕駛員制動感覺以及輪胎與路面附著特性等方面綜合確定[4]。以往的研究中并聯結構通常采用模糊控制、模型預測控制、滑模變結構控制等算法，優化電液復合制動分配比例。

3 電機性能

電機制動力的大小是影響能量回收的關鍵。學術界對電—液制動力分配方式基本達成一致，即在電機能力允許的范圍內盡量使電機所占的制動比例增大。

電機向電池充電過程中，會由于轉子定子電阻、銅損、熱損耗等問題導致電機并不能將再生制動力完全轉換成電能，因此再生制動力的大小受到電機發電功率影響。在高強度制動下考慮到制動安全性，需要電機和摩擦制動協同參與，因此能量回收控制策略制定時因充分考慮電機性能和行駛狀況，以實現電機制動力最大化。

現目前基于電機特性角度出發設計能量回收控制策略的研究十分廣泛。如王茹潔等基于最優制動能量回收控制策略，采用粒子群優化算法優化出恒定電機轉速下，電機有效發電功率達到最大時的轉矩值，再利用最小二乘法擬合出電機有效發電功率最大時對應的電機轉速與再生制動轉矩關系曲線進行控制策略的建模，仿真得到28.71%的有效回收率。熊會元等以理想制動力分配與ECE法規為約束，對雙軸驅動電動汽車制動能量回收進行研究，文獻基于電機map特性構建電機利用效率最大化的轉矩分配模型，獲得了前后電機轉矩的最優分配規律，并以此設計再生制動力分配策略，研究表明該策略制動能量回收效率達到80.94%。

4 儲能裝置性能狀態

能量回收的多少還受儲能方式（電池類型或結構）以及電池充電能力的限制，在儲能方式已定的條件下，制動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。因此按照規定，只有在電池SOC值較低時才觸發回收系統回收能量，當SOC>0.9時，則不進行制動能量回收。所以制動能量回收需充分考慮SOC當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，通過仿真分析驗證了該策略可以在保證車輛制動安全性的前提下保護蓄電池。

另外以儲能裝置作為側重點進行優化能量回收效率的研究也有許多，如高建樹等研究機場電動牽引車復合能源系統的制動能量回收效率，在理想制動力分配和模糊控制電液制動力分配的基礎上，采用超級電容和DC/DC串聯再與鉛酸電池并聯的拓撲結構，對制動中中速段與低速段電能回收進行分段控制，研究表明該復合能源結構低速下的能量回收效率更高。

5 再生制動系統結構

電機制動力與機械制動力的耦合形式不同，液壓調節單元的構型就不同，也會導致系統軟件執行層的控制不同，進而影響制動能量回收率。為保證制動系統工作可靠性，制動法規要求行車制動器的液壓管路至少有兩個互相獨立的回路，市面上汽車常見制動管路布置形式有Ⅱ型和X型。

主要研究有楊坤等提出了基于ABS電磁閥壓力調節特性的解耦式制動能量回收控制策略，通過在原有制動系統的基礎上增加2個壓力傳感器，再利用現有ABS電磁閥作為解耦裝置，來實現電機制動力與機械制動力的精確耦合，從而準確跟蹤駕駛員制動需求，最大化利用電機制動提高能量回收效果。張炳力等采用X型雙管路布置的真空助力帶電動真空泵的液壓制動系統，對基于I曲線的前后軸制動力分配與串聯式的電液制動力分配能量回收控制策略仿真，并搭建實車臺架試驗驗證該策略能實現能量回收目標，整車電池SOC的消耗降低了7.5%。王猛等人改進了電動汽車液壓制動系統，增設了液壓控制單元和踏板位移傳感器，并開發新的控制策略在燃料電池汽車上進行試驗研究。

6 行駛工況

從能量回收的角度，不同行駛工況要求汽車加、減速的次數與時長不同，進而影響回收能量的多少。城市循環工況交通流量大且紅綠燈設置多，要求汽車頻繁制動且制動時間長，可回收能量多。高速公路工況制動次數少且多為緊急制動，可回收能量少。從制動安全角度，不同路面附著系數會影響制動時制動強度的大小，從而影響制動能量回收。如干瀝青水泥路面路面附著系數高，制動時可以獲得較大制動力與較好的方向穩定性。

昌誠程等基于I線和ECE法規邊界曲線設計兩種前后軸制動力分配方式，采用路面識別模塊，根據不同路面附著系數動態調整控制策略，可實現保證制動安全的前提下提高能量回收效率。郭金剛等結合理想制動力分配控制策略研究單次工況對能量回收效果的影響，通過計算不同制動初速度下能量回收最大的最優制動強度，再以能量回收最大化為目標，提出一種再生制動能量回收最優的控制策略。

7 總結與展望

制動能量回收控制策略涉及的影響因素眾多，目前眾多學者對其各個影響因素展開了不同深度的研究并取得了較好的成果。以后的制動能量回收控制策略研究可以從以下幾個方面繼續展開研究。首先，涉及電池因素對再生制動回收研究的影響時，大多數研究者只考慮了SOC值，并未考慮到電池溫度對電池充放電速率的影響，因此后續研究可結合電池SOC值與電池溫度對控制策略進行改進。其次，大多數研究者在設計制動回收控制策略時，將控制條件設置在觸發ABS系統之前進行能量回收，但實際應用中應更多的考慮制動能量回收系統與ABS系統的協調控制，以提高制動安全性考慮設計更綜合的控制算法。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，后續可更多的設計實車實驗驗證控制策略的效果并兼顧實車運行過程中的影響因素。

參考文獻：

[1]郭金剛，董昊軒，盛偉輝，涂超.電動汽車再生制動能量回收最優控制策略[J].江蘇大學學報（自然科學版），2018，39（02）：132-138.

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

[3]竇建明，田文朋，李嘉波.電動汽車電-液并聯ABS制動系統能量回收研究[J].測控技術，2018，37（11）：148-152+157.

[4]葛恒勇.純電動汽車再生制動控制策略研究[D].西華大學，2016.