電動車再生制動系統(tǒng)研究

羅溶

電動車再生制動系統(tǒng)研究

羅溶

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

為了提高電動汽車制動能量的回收效率，文章主要從三個方面進行探討：首先介紹了再生制動定義及基本原理，進而闡述其設(shè)計、主要功能等規(guī)范，最后介紹了再生制動控制策略，對行業(yè)人員有一定的借鑒作用。最終滿足人們對電動汽車的使用需求，推動電動汽車的發(fā)展。

電動車；再生制動；能量回收；策略

引言

傳統(tǒng)汽車在行駛中，大約有35-80%的能量損失在制動過程中，而電動汽車和傳統(tǒng)汽車相比，有一個明顯的特點：即在制動過程中能夠進行能量回收利用，提高能源利用率同時提高電動汽車續(xù)航里程，此回收過程即為再生制動，是當前電動汽車研究的一個熱點[1]。本文圍繞再生制動的策略進行研究分析。

再生制動是一種使用在電動車上的制動技術(shù)，在制動時把車輛的動能轉(zhuǎn)化及儲存在電機中，而不是變成無用的熱能，釋放到空氣中。再生制動在制動過程中將電動機轉(zhuǎn)換成發(fā)電機運轉(zhuǎn)，利用車的慣性帶動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，將一部分的動能或勢能轉(zhuǎn)化為電能并加以儲存或利用，是一個能量回收的過程。再生制動被廣泛應(yīng)用于純電動車和混合動力車輛上。

1 再生制動定義及基本原理

1.1 再生制動定義

再生制動是指電動汽車制動時，電機反轉(zhuǎn)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，將動能轉(zhuǎn)化為電能的制動能量回收方式，在制動過程中，車輛的動能可以通過電機作為發(fā)電設(shè)備，來對電池包進行充電，將車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)能量的再生利用[1]。

1.2 再生制動基本原理

再生制動最簡單的方式是在傳統(tǒng)的液壓制動力矩的基礎(chǔ)上增加再生制動力矩，即非合作式再生制動系統(tǒng)，因為液壓制動系統(tǒng)與額外施加的再生制動扭矩是彼此獨立的，沒有調(diào)節(jié)液壓制動扭矩以滿足駕駛員制動要求。只有在踩制動踏板時，再生制動才會觸發(fā)，此時再生制動扭矩和摩擦制動扭矩是同時施加在輪邊的，因此再生制動系統(tǒng)可以視為一個與液壓制動并行的制動系統(tǒng)[2]。如圖1所示：

圖1 再生制動扭矩與駕駛員請求制動扭矩關(guān)系圖

2 再生制動功能規(guī)范

2.1 再生制動系統(tǒng)設(shè)計概述

再生制動系統(tǒng)功能的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)來自駕駛員的制動請求，發(fā)送一個目標扭矩給電機，請求回收制動扭矩，與此同時，電機產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩又可通過傳動系統(tǒng)施加到車輪上產(chǎn)生制動力和液壓制動產(chǎn)生制動力矩共同滿足駕駛員的請求。

最高效的再生制動方式是將駕駛員的制動請求盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能并盡可能減少施加的液壓制動扭矩，這需要同時考慮回收效率，車輛穩(wěn)定性以及制動舒適性。

再生制動能力取決于車速，并受到電池充電狀態(tài)的限制。

2.2 再生制動主要功能

再生制動功能主要分解為三塊：

（1）回收能力的預(yù)處理（Pre-Shaping）；

（2）制動扭矩分解（Brake Torque Distribution）；

（3）扭矩協(xié)調(diào)（Toque Blending）。

圖2 再生制動系統(tǒng)功能分解圖

上圖2中：

MregenPotential 由動力系統(tǒng)提供的可回收能力；

vVehicle 車輛速度；

MRegenPotential,F當0 <= MRegenPotential,F <= Mregen Potential時預(yù)處理后的可回收能力；

MdriverRequest 駕駛員的制動需求；

MVafRequest 增值功能提供的制動請求，（比如自適應(yīng)巡航系統(tǒng)）；

CoFA,RA前后軸的動力系統(tǒng)扭矩；

MTarget,FA,RA用于扭矩疊加的前后軸具體的制動請求；

Fstability 過渡制動的穩(wěn)定因子；

MregenTarget 需要動力系統(tǒng)實現(xiàn)的回收制動請求；

pFrictionTarget,FA,RA 需要通過壓力控制來達到的前后軸目標壓力；

M：扭矩；

P：壓力；

F：因素。

2.2.1回收能力的預(yù)處理

預(yù)處理包含了從動力系統(tǒng)接收可回收能力的全過程，該能力值需要滿足安全限制和舒適性梯度。安全限制是由制動系統(tǒng)或者制動回收執(zhí)行機構(gòu)來決定的。

2.2.2制動扭矩請求分解

制動扭矩請求分解是按照前后軸來分解制動請求，需要同時考慮可回收能力和動力系統(tǒng)的扭矩分配。此外，還考慮了車輛穩(wěn)定性方面的可能限制。

駕駛員的制動請求在前后軸之間的分配，與主缸壓力、回收能力和動力系統(tǒng)扭矩分布有關(guān)。

2.2.3扭矩協(xié)調(diào)

驅(qū)動軸的制動力為再生制動力與機械制動力之和。當駕駛員制動時，高于主缸壓力的部分制動請求可通過再生實現(xiàn)，也即意味著整個主缸壓力用于摩擦制動，剩余的制動請求通過發(fā)電機實現(xiàn)。

最理想的能量回收系統(tǒng)，能量100%通過再生制動，不需要機械制動的介入，而且可以盡量減少在減速器、電機、電機控制器等環(huán)節(jié)的能量損失。但是機械制動由于以下三個原因，不能取消：

（1）當電池包處于滿電或接近滿電狀態(tài)時，不允許再存儲更多的能量，此時需要機械制動來滿足駕駛員的制動請求。電池的溫度SOC以及允許回充電流MAP是影響該因素的量化指標。

（2）根據(jù)電機制動能量回收最大力矩外特性曲線，當駕駛員請求的制動力矩超過電機最大回收能力時，為了安全，機械制動需要提供部分制動力矩。

（3）當車輛車速較低時，不能與車輛蠕行策略沖突，能量回收需退出，此時需要機械制動介入。能量回收退出的車速必須大于車輛蠕行工況的最大車速；或者取消蠕行策略，最低車速可以逼近0，而在車輛停止時由機械制動介入[3]。

2.2.4車輛穩(wěn)定性

為保證車輛的穩(wěn)定性，在某些駕駛情況下，不允許進行制動能量回收，例如急變道、猛打方向盤等。因此可以根據(jù)制動減速度的強度給出相對應(yīng)的穩(wěn)定因子，穩(wěn)定因子的大小決定了能量回收的強弱，穩(wěn)定因子一般在0~1的范圍：

（1）輕踩制動，減速度請求小于0.4g，穩(wěn)定因子為1，回收的能量較強，在制動減速度要求小于0.1g時，可以完全依靠電機再生制動滿足駕駛員的制動請求。

（2）在減速度請求大于0.4g小于0.6g時，此時穩(wěn)定因子在0-1之間，請求的減速度越大，穩(wěn)定因子越小，回收的能量就越少，制動請求更多依靠機械制動。

（3）在減速度請求大于0.6g時，此時車輛穩(wěn)定因子為0，認為是緊急制動，不會進行能量回收，完全依靠機械制動。

3 再生制動控制策略

3.1 能量回收策略

在駕駛員踩下制動踏板時，此時再生制動功能觸發(fā)，ESP電控單元會發(fā)出一個目標回收扭矩請求，整車電控單元會根據(jù)車速信號計算此時電機轉(zhuǎn)速進一步得到電機所能提供的最大再生扭矩，一般目標回收扭矩請求都小于電機所能提供的最大再生扭矩，此時電機施加到輪邊的回收制動力矩接近于目標回收扭矩，如果駕駛員請求的減速度小于0.1g，電機反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的再生制動力矩可以滿足駕駛員要求；如果大于0.1g，根據(jù)制動踏板位置信號計算得到駕駛員請求制動力矩，減去電機再生產(chǎn)生的制動力矩，剩下的制動力矩由機械制動提供。

3.2 再生制動評價指標

再生制動評價指標作為制動能量回收技術(shù)性能優(yōu)劣的評價標準，具有重要的理論研究價值。目前常利用電機允許能量回收強度、續(xù)航里程、制動能量回收效率等指標進行評價[4]。國內(nèi)電動車普遍能達到的續(xù)航里程一般在400公里左右，而某款著名的電動車續(xù)航里程可達到660公里，遠高于市場上同級別電池容量的電動車，具有高效的制動能量回收能力。目前傳統(tǒng)疊加式能量回收效率約為10%~15%，最大回收減速度可達到0.12g；而新型協(xié)調(diào)式能量回收做到了智能化、高效能量回收，回收率達到25%-30%。

4 總結(jié)

對于電動汽車來說，制動能量的有效回收非常重要，能量回收效率直接影響到電動汽車的續(xù)航里程，目前受制于一些技術(shù)等方面原因，再生制動達不到100%能量回收，還需要在這個領(lǐng)域進一步探索研究，滿足人們對電動汽車日益提高的使用需求，推動電動汽車的蓬勃發(fā)展。

[1] 趙文平.純電動客車再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制算法研究[D].長春:吉林大學(xué),2008.

[2] 張旭,于士軍.電動汽車制動能量回收系統(tǒng)設(shè)計[J].河北農(nóng)機,2016(12): 50+52.

[3] 胡建國,龔春忠,張永,何浩.電動汽車制動能量回收技術(shù)研究[J].汽車實用技術(shù),2019(02):10-12.

[4] 劉新天,王昊,何耀,鄭昕昕,曾國建.基于最優(yōu)能量回收的再生制動控制策略[J].時代汽車,2018(03):51-52.

Regenerative Braking Research for Electric vehicles

Luo Rong

( Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330052 )

In order to improve the recovery efficiency of braking energy of electric vehicles, this paper mainly discusses three aspects: the definition and basic principle of regenerative braking, and then expounds its design, main functions and other specifications. Finally, it introduces the regenerative braking control strategy, which has a certain reference for industry personnel. Finally meet the needs of people for the use of electric vehicles, promote the development of electric vehicles.

Electric vehicles; Regenerative braking; Braking energy recovery; Kinetic energy; Electricity

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.003

U469.7

B

1671-7988(2021)06-08-03

U469.7

B

1671-7988(2021)06-08-03

羅溶，工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，從事制動系統(tǒng)及底盤電控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)及研究工作。