電動汽車制動能量回收控制策略研究現(xiàn)狀分析

秦啟超，覃卓庚，陳友鵬，陳 強

(廣州南洋理工職業(yè)學院，廣州 510000)

0 引言

在國家“十四五”規(guī)劃出臺及“碳達峰、碳中和”目標提出后，節(jié)能減排勢必更加深入各個行業(yè)，因具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢，電動汽車行業(yè)必將得到加速發(fā)展。近年來電動汽車續(xù)航里程有所提高，主要得益于電池技術(shù)進步和能量回收技術(shù)的應(yīng)用。國外研究表明，在頻繁加減速的城市路況下運行時，采用制動能量回收技術(shù)的電動汽車續(xù)航里程可延長10%～30%[1]。在目前電池技術(shù)難突破的情況下，研究提高制動能量回收技術(shù)很有必要。

1 制動能量回收系統(tǒng)原理及控制策略

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)由電機、控制器、轉(zhuǎn)換裝置、儲能裝置等組成。制動能量回收指電動汽車在制動減速過程中，驅(qū)動輪帶動電機發(fā)電并儲存電能，與此同時電機對驅(qū)動輪進行制動回饋，給車輪施加阻力矩產(chǎn)生制動效果，因此制動能量回收系統(tǒng)也被稱為再生制動系統(tǒng)或回饋制動系統(tǒng)。原理框圖如圖1所示。

圖1 電動汽車制動能量回收原理框圖

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)是在原有制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加的，控制器通過控制兩種制動力的最優(yōu)分配實現(xiàn)制動、能量回收、舒適制動等功能。在確定電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)主要部件特性參數(shù)后，制動能量回收效率主要受制于控制策略和制動工況。

目前電動汽車制動能量回收控制策略主要針對如何在保證制動安全的前提下分配再生制動與液壓制動比例獲得最優(yōu)能量回收效率，如何合理分配前后輪軸上制動力保證整車制動效果，以及如何兼顧制動能量回收性能與整車舒適性等問題開展研究。控制策略主要采用模糊PID算法、遺傳算法、Q學習算法、滑模變結(jié)構(gòu)控制等算法，有理想制動力分配控制策略、最佳制動能量回收控制策略及并聯(lián)制動能量回收控制策略等常用類型[2]。因制動能量回收技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)展前景被廣泛看好，國內(nèi)外科研院所及車企對制動能量回收系統(tǒng)進行了大量研究。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外電動汽車制動能量回收技術(shù)研究較早，相對成熟。Gao Yimin等[3]對制動能量回收控制進行研究，提出了理想制動力分配、最佳及并聯(lián)等三種制動能量回收控制策略，并通過搭建仿真模型進行了對比分析各自優(yōu)劣。Chakraborty D等[4]針對電動汽車制動能量回收效率、制動安全與舒適性三者不能兼顧的問題，提出了以最佳制動減速度為控制對象、兼顧制動安全與舒適性的串聯(lián)控制策略，實驗證明該策略可行有效。Paul D等[5]針對四輪驅(qū)動電動汽車采用基于模糊邏輯的輪胎-道路摩擦估計算法，改進最佳制動能量回收控制策略，實現(xiàn)前后輪制動力分配，仿真分析可提高能量回收效率。Hoon等[6]基于理想制動力分配制動能量回收控制策略優(yōu)化了前后軸制動力分配方法，考慮緊急制動條件下當制動力大于地面附著力時控制器使前后軸同時抱死，保證制動穩(wěn)定性和能量回收效率的最優(yōu)。國外車企應(yīng)用研發(fā)上，豐田ECB制動系統(tǒng)及本田ESP系統(tǒng)都具有良好的制動能量回收功能。目前博世線控制動系統(tǒng)iBooster是較多大型車企采用的系統(tǒng)，其與制動能量回收系統(tǒng)(ESP HEV)組合使用可實現(xiàn)最高達0.3 g減速度的能量回收，制動能量回收效率較高，該技術(shù)行業(yè)領(lǐng)先。韓國現(xiàn)代汽車旗下純電動車制動能量回收采用與iBooster相近的控制策略，通過算法優(yōu)化及精細化標定后回收能量占總耗能的33%以上，并設(shè)置有能量回收調(diào)節(jié)撥片可人為選擇能量回收強度，平衡整車制動時舒適性。韓國現(xiàn)代某車型制動能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 某制動能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對制動能量回收的研究開始時間較晚，但在節(jié)能減排的政策引導下，國內(nèi)科研院所及車企針對制動能量回收技術(shù)也開展了大量研究。張俊智等[7]分別從按回饋制動與摩擦制動耦合關(guān)系、按液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)所依托的技術(shù)平臺劃分、按液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)的布置方式劃分、按制動踏板與制動力機械耦合關(guān)系劃分等四個方面總結(jié)了電動汽車制動能量回收系統(tǒng)分類，如圖3所示，并從正常制動和緊急制動兩種制動工況下協(xié)調(diào)控制研究方面分析了國內(nèi)外制動能量回收系統(tǒng)研發(fā)進展，認為國內(nèi)應(yīng)推進協(xié)調(diào)式制動能量回收系統(tǒng)研發(fā)，并圍繞系統(tǒng)研發(fā)制造中的關(guān)鍵點集中進行系統(tǒng)主要性能的綜合優(yōu)化，形成競爭力產(chǎn)品。朱志亮等[8]通過分析車輛行駛過程中的能量傳遞路徑，提出了一種基于ECE制動法規(guī)的電動車制動能量回收策略，并通過建模仿真證明其回收效率可達11.92%。郭金剛等[9]提出了一種基于制動強度控制的制動能量回收最優(yōu)控制策略，通過理論分析和建模仿真研究制動能量回收與制動強度之間的關(guān)系獲得不同制動初始速度下最優(yōu)制動強度，制定制動力分配和最優(yōu)制動強度控制的再生制動能量回收最優(yōu)控制策略，仿真結(jié)果表明最優(yōu)控制策略可實現(xiàn)制動單次工況能量回收率最優(yōu)。馬什鵬等[10]通過Q學習算法優(yōu)化獲得制動力矩分配系數(shù)，實現(xiàn)前驅(qū)混合動力汽車前、后輪機械制動力和再生制動力最優(yōu)分配，仿真結(jié)果表明與理想制動力分配策略相比，制動能量回收效率提升了6.5%。另外比亞迪、吉利、廣汽、長安等車企均在研發(fā)更新制動能量回收技術(shù)，應(yīng)用于電動汽車提升了續(xù)航里程。根據(jù)公開發(fā)明專利顯示，比亞迪研發(fā)了一種基于駕駛習慣的制動能量回收控制策略，通過識別駕駛員駕駛習慣實時改變松油門回饋扭矩，減少制動器能量消耗、增加制動能量回收效率[11]；中國一汽公開了一種兼顧車輛制動穩(wěn)定性及回收效率的制動能量回收控制方法[12]，并研發(fā)了一種使制動回收能量直接用于降低冷卻液溫度的技術(shù),可有效減少能量轉(zhuǎn)化損失[13]。

圖3 電動汽車制動能量回收系統(tǒng)分類

4 總結(jié)

從目前國內(nèi)外對電動汽車制動能量回收控制策略的研究可知，早期研究多數(shù)集中于在保證制動安全和制動性能的前提下如何提高能量回收效率，近十年研究主要開展能量回收效率與制動穩(wěn)定性、制動協(xié)調(diào)兼容、制動法規(guī)等性能綜合的最優(yōu)化研究，通過優(yōu)化控制策略實現(xiàn)多級控制或全局控制。因此，未來電動汽車制動能量回收技術(shù)兼顧組成部件性能提升的情況下，控制策略上的研究偏向于多性能綜合控制及控制策略的迭代優(yōu)化。