汽車制動能量回收系統研究綜述

王爍宇 郭鵬 徐振寧 安林春

1.天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室 天津市 300384

2.天津理工大學 機電工程國家級實驗教學示范中心 天津市 300384

1 前言

在保證車輛行駛穩定性的前提下，制動能量回收系統將汽車制動或減速過程中的部分機械能，經過再生系統轉化為其他形式的能量，并通過能量轉換裝置儲存在儲能裝置中，同時產生一定的制動阻力，實現車輛制動減速[1]。制動能量回收對于增加續航里程、降低能耗和提高經濟性能有重要的作用。對車輛制動能量回收系統的深入研究對新能源汽車的普及具有推動作用。

制動能量回收系統主要包括兩個子系統：再生制動系統和液壓制動系統[2]。為了提高再生制動能量回收的效率和性能，合理的管理策略、能量回收模式和制動力分布是不可缺少的，現有的管理策略主要是并行策略和串行策略。并行策略下的再生制動可以直接添加到傳統的液壓制動中，而不需要對液壓制動力進行任何調整。對于串行策略，再生制動力優先于液壓制動力，伴隨著相應的液壓制動力調整。所以廣泛采用串行策略，可以帶來良好的制動感覺。

制動能量回收技術可以有效地降低汽車的燃油消耗，對制動能量回收技術的研究涉及多種科學技術。目前，國內外對制動能量回收系統進行了廣泛深入研究，在回收方式研究和策略研究等方面取得了一系列成果。本文總結和歸納了關于能量回收系統的國內外文獻，綜述國內外研究現狀和上述研究方面取得的成果，并指出了制動能量回收系統研究的發展方向。

2 能量回收系統在車輛中的應用及研究現狀

法國人Darracq首次應用制動能量回收。由于電機與電池性能的局限性和內燃機技術突飛猛進，制動能量回收技術發展停滯不前。隨著現代科學技術快速發展、環保意識增強，制動能量技術儼然成為汽車研究的熱門話題。然而，在制動過程中，大部分動能由于制動器和車輪之間的摩擦而損失，傳統的機械制動方法會因摩擦產生大量的熱量，在當今日益擁堵的城市道路上，汽車頻繁的啟動和制動勢必造成大量摩擦散失。國內外科研人員和汽車公司都對制動能量回收技術進行了大量的研究，目前，制動能量回收系統的研究主要集中在兩個方面，一是如何盡可能多地獲取制動能量，二是如何更快、更安全地回收制動能量[3]。

國外針對制動能量回收的研究較完善，不僅在理論研究方面，而且在實物應用方面也相對成熟。豐田在1997 年開發了Prius 混合動力汽車，第一代Prius 再生制動系統沒有采用電子控制制動器（ECB），在制動能量回收與液壓制動協調控制存在問題，導致車輛制動時舒適性差。在第二代中，通過調整液壓制動力和再生制動力之間的比例，從而提高了能量回收系統的能量利用率[4，5]。通過對電子控制制動器不斷改進研究，不斷提高系統性能，以及實現低重量和低成本。

本田第一代采用雙制動力分配系數的控制策略，通過制動踏板開關聯動實現一定量的制動回收[6，7]。第二代在第一代的基礎上，根據駕駛員的制動踏板力提高制動回收比例，進一步提高回收量。最大的創新是第三代，使用電子控制實現制動回收協調方案，最大限度地使再生制動力代替摩擦制動，同時兼顧制動舒適性確保車輛穩定性和安全性。采用雙BOX 設計概念是本田電子制動助力系統最為獨特所在[7]，在不影響制動感覺的情況下大大提高了制動回收量。IMA 混合動力系統在2010 款Insight 混合動力車上應用，系統采用執行器和電控單元組成的一體化模塊[8]。

福特公司的線傳電液系列再生制動系統，用線傳操控技術、電子系統和機械制動器取代機械及液壓制動系統，將駕駛者的踏板命令轉變為電信號，驅動電機執行所需的操作，明顯提高了制動性能[9]。然而駕駛感覺、制動距離和最佳能量回收等控制目標往往是互相制約的，這些要求在實際駕駛中無法同時滿足。Susan R.Cikanek 介紹了PHEV 新型并聯再生制動系統，通過高效、單齒輪、直接驅動變速箱來實現再生制動，以實現最佳的制動效率。這種再生制動系統已經在車輛上進行了模擬和測試[10]。

美國Texas A&M 大學的YiminGao 等人提出了三種控制策略：理想再生制動策略、最優再生制動策略和并聯再生制動策略[11]，從制動性能的角度分析和評價三種制動力分配控制策略，對汽車的續航能力和能源效率有重要影響，并在城市駕駛循環條件的中型混合動力汽車上進行了模擬分析。

Yimin Gao 和Mehrdad Ehsani 解決了能量回收系統與ABS 系統兼容工作的問題。研究出一種集成ABS 系統的制動控制策略，并對基于該策略的全電動和混合動力汽車進行了仿真實驗[12]。然而，制動能量回收系統和ABS 系統處理相同的參數，這使得軟件處理變得更加困難，當車輪抱死時，這兩個系統必須切換其操作，這增加了系統的錯誤率。

國內針對制動能量回收的研究都只停留在理論分析或者建模仿真階段，研究技術水平高于目前市場主流產品，在實車上應用較少，難以實現量產和產業化。國內研究人員針對控制策略進行了深入研究，提出一些改進意見，并建立了相關模型進行仿真驗證。重慶大學的譚強俊等人通過對CVT 混合動力車進行研發升級，使系統具有再生制動、復合制動和摩擦制動三種工作模式[9]。清華大學羅禹貢、李蓬等人用了最優控制理論建立了制動力分配模型，顯著提高了制動反應速度和能量回收率[13]。上海交大王保華等人對純電機制動模式和機電混合制動模式的汽車能量回收進行了仿真研究，建立了并聯式混合動力汽車動力模型[14]。

3 能量回收系統回收方式研究分析

系統工作原理是在制動減速過程中將車輛的一部分動能轉化成電能或者其它形式的能，并將其儲存在儲能裝置中，儲存起來的能量也可以通過驅動裝置轉化為車輛動能，如圖1 所示。根據能量回收方式的不同可以分為機械儲能、液壓儲能和電化學儲能[15，16]。其中以電化學儲能制動能量回收系統發展較為完善[17]。

圖1 制動能量轉化圖

3.1 機械儲能

飛輪儲能是一種常見的機械儲能方式。在行駛中需要制動或減速時，車身的慣性動能通過飛輪儲能系統驅動飛輪轉動，將制動能量回收轉化為飛輪動能并儲存起來。當車輛啟動或加速時，高速旋轉的飛輪會逐漸減速，并將自身的動能傳遞給車身，充當車輛啟動或加速時額外的能量來源。飛輪儲能機械結構簡單，容易實現，但飛輪中儲存的動能大小與飛輪的轉動慣量有關，而轉動慣量又取決于飛輪的直徑和質量，而較大質量和直徑與成本和安裝空間相矛盾，因此在實車應用中受到一定限制[18]。沃爾沃公司是第一家嘗試研究飛輪儲能系統的汽車公司，目前已研制成功的新系統KERSS 就是飛輪儲能系統；意大利的FIAT 在試驗中用飛輪作為輔助系統，取得了良好的效果。日本豐田公司在這項技術上做的最好，雷克薩斯的ES300H 等車型將這項技術發揮到了最高境界。

彈簧儲能是在車輛爬坡或制動過程中使彈簧發生形變，將能量轉化為彈性勢能，并在車輛需要加速時通過彈簧釋放能量。該儲能方式還沒有用于真正的車輛，而且在這方面的研究也很少。

3.2 液壓儲能

液壓儲能系統的回收包括兩個過程：制動能量的回收儲存以及釋放。這些能量被轉化為液壓能，在下降或減速時被儲存起來，并在車輛輔助加速時由液壓泵釋放。然而，該系統很沉重，只在公共汽車上實施過。液壓系統的密封性、受熱影響的液壓油粘度及油液中的空氣、雜質等都會影響該系統工作的可靠性[18]。

3.3 電化學儲能

在制動回收中將動能轉化為電能并儲存起來，儲存的能量在汽車啟動或加速時被釋放。豐田Prius 和本田Insight，它們都使用電化學儲能[19]。當汽車制動過程中，制動能量回收裝置中的電機在發電機的狀態下工作，汽車高速運動的機械能通過分流驅動裝置帶動電機轉動轉化為電能儲存在蓄電池中。當車輛開始起步時，電機作電動機將儲存的電化學能轉化為驅動車輛運動的機械能。電化學儲能方式在制動過程中進行頻繁的能量轉換，大大縮短了蓄電池的壽命，也是未來要攻克的難題。電液復合制動系統具有高功率密度和節能效率，適用于重型車輛[20]。安全駕駛時，電液復合能量回收制動既可進行ABS 液壓制動，又能實現ABS 與電液復合能量回收制動和自動輔助制動[16]。

4 能量回收系統控制策略研究分析

制動能量回收控制策略既要保證車輛穩定性，又要提高能量回收率，最終提高車輛的整體效率。能量回收的目的是使能量回收率最大化，并使駕駛者的駕駛體驗感舒適。研究制動能量回收控制策略時，提高再生制動力矩在整車總制動力矩中所占的比例是提高回收率的必要手段。馬什鵬等人根據是否考慮加速踏板的狀態，制動力分配策略的研究分為考慮加速踏板狀態的制動力分配策略和未考慮加速踏板狀態的制動力分配策略[21]。其思維導圖如圖2。

圖2 制動力分配策略

4.1 考慮加速踏板狀態的制動力分配策略

對制動意圖的精確識別是制動穩定性的重要保證，也是完善控制策略的基礎。H He等人將制動過程分為松開加速器踏板和踩下制動踏板兩個過程。在松開加速器踏板操作中，提出了基于自適應模糊控制算法的加速器踏板再生制動控制策略，在較少頻率使用制動踏板的情況下，制動能量可以得到有效地回收利用；在踩下制動踏板操作中，為復合制動系統提出了一個多目標優化的神經網絡模型，控制模型被采用來優化分配再生制動力和液壓制動力，以同時優化能源經濟性和制動穩定性[22]。通過實驗驗證了智能制動的控制效果，比歐盟260 標準中的制動控制策略更節能、更智能和更安全。

Ji F 等人研究了基于踏板情況的電動汽車再生制動系統能量回收，提出了一種能量回收模式，在油門踏板(AP)解除、制動踏板(BP)按下、AP 和BP 完全釋放的情況下回收制動能量；并提出了一種基于模糊識別方法識別駕駛員意圖的再生制動控制策略。提出的能量回收模式為實現電動汽車單踏板的設計提供了可行性[23]。

4.2 未考慮加速踏板狀態的制動力分配策略

4.2.1 經典制動力分配策略

根據文獻代表中的典型再生制動控制理論，理想制動力分配控制策略目的是在保證車輛具有最佳前后制動力分配的前提下盡可能回收制動能量。并聯制動控制策略是針對具有固定比例分配制動力的車輛上進行控制，所以有些文獻中又叫做固定比例制動力分配策略。最優能量制動力分配策略的目的是保證安全性的前提下最大程度對制動能量進行回收。這三種典型控制策略共同的特點就是再生制定力足夠滿足制動需求下，則制動力完全由再生制動生成，不需要液壓制動介入。只有當再生制動不足以滿足制動需求時，才讓液壓制動系統參與制動。而且在制動過程中電機始終發揮最大的制動力，摩擦制動系統僅起到一個輔助作用[24-26]。

對前輪驅動的車輛來說，在制動力分配安全區間(即I 線下方和M 線上方)內盡量多的增大前輪制動力的分配比例，因此吳興康結合典型策略模型，考慮制動力分配曲線與ECE 法規線構建了基于ECE 法規、I 線的制動力分配策略[27]。通過ECU 對所需制動強度進行分析處理，從而確定前后輪制動力大小。Z Zhang 等人綜合考慮道路狀況等因素對最優再生制動力的影響，提出ECE 法規線和f 線相交和不相交的前后軸制動力分配策略[28]，通過半實物仿真有效地保證了電動汽車的駕駛安全性、舒適性、穩定性和電池安全性，使制動能源利用率提高約10%。但是未考慮路面附著系數對結果的影響。Shengqin Li 等人將該分配策略與理想制動力分配策略進行對比，結果仿真模擬驗證了前者能更好地提高制動回收率。試驗研究考慮到電機和電池的工作特性，可以有效提高電池SOC，提高續航里程范圍，但其忽略了路面附著系數對回收的影響[29]。

4.2.2 基于模型預測控制的制動力分配策略

該策略利用模型預測控制(MPC)原理來研究多目標和多約束問題，用于設計總制動力分配控制器，但由于其計算程度的復雜性，并沒有在實際中得到應用[30]。Huang X 等人提出了用于輕型電動汽車再生制動控制的非線性模型預測控制器，通過獨立確定前、后制動力來提高再生能量回收。考慮到電機到電池的效率問題，而且在控制算法中明確地結合了車輛的縱向模型。但沒有提到制動力分配，嚴重限制了能量回收的提高[31]。Xu W 等人基于模型預測控制(MPC)理論，解決了制動能量回收系統的多目標和約束問題。通過確定受執行器約束的液壓制動力和再生制動力。考慮電池的充電效率和SOC 和保證制動安全的情況下，對前后輪的制動扭矩進行了優化，使得前后輪制動力矩分布與液壓和輪內電機制動相結合，從而最大限度地提高再生效率。保證了汽車的穩定性，比分級控制結構更能提高了能量回收和車輛穩定性的可能空間。通過對電機和液壓系統的協調優化調整，使制動回收效率得到最大程度的改善[32]。

4.2.3 基于智能算法的制動力分配策略

基于某種數學算法處理制動能量回收的多目標、多約束的非線性問題，將制動協調控制轉化為再生制動力和摩擦制動力分配問題。

（1）基于模糊控制的復合制動力分配策略：

通過模糊控制器來確定再生制動力的大小，以操作人員的經驗為基礎，將無法用數學模型解決的問題用模糊語言的形式表達。模糊控制器的主要組成部分為：輸入模糊化、設計模糊規則、模糊推理和解模糊化[33]。牛繼高等人對模糊控制器的輸入因素進行不斷完善，制動強度、速度和電池SOC 等作為模擬控制器的輸入變量[34]。模糊控制理論具有魯棒性強、時變性大、非線性和滯后系統控制效果優良等特點。

（2）基于神經網絡控制的制動力復合分配策略：

制動力分布是一個非線性函數，依賴于許多參數，如加速度、速度和K 函數。結合神經網絡算法對再生制動力進行分配，神經網絡算法可以在優化參數后，根據輸入信息快速找到最優條件下的系統控制參數[35，36]。但神經網絡參數較多，不能進行學習觀察過程，輸出的控制參數難以被解釋，從而影響學習效果，可能無法達到預期值[35]。

（3）基于遺傳算法的制動力分配策略

利用遺傳算法理論將制動協調控制轉化為利用遺傳算法求解再生制動力和液壓制動力的全局最優分配問題。基于遺傳算法的多目標優化方法，優化了液壓再生制動系統的參數。遺傳算法的算法具有并行處理、全局最優解、快速收斂等特點。但算法的編程過程較復雜，它需要先對問題進行編碼，然后再對其進行譯碼，才能得到準確的解，所花費的時間也更長[37]。

（4）基于粒子群優化算法的制動力分配策略

采用粒子群算法對車輛制動力進行最優分配。粒子群算法優勢在于它具有所需的代碼和參數較少，不會受到問題的維數的影響，但是它的數學基礎較薄弱，至今尚無深入而又具有普遍的理論分析，對于收斂分析的研究還需要從確定性轉向隨機。基于智能算法優化得到的控制策略各有利弊，共同優化制動力分配策略，效果更加理想[21]。

5 能量回收系統的發展展望

近年來，制動能量回收系統研究發展迅速，制動的回收率和穩定性都已達到實際應用的要求。制動能量回收還受到電池SOC、制動強度、路面附著系數、車輛行駛速度和整車質量等因素影響，涉及影響因素眾多，要發揮最大再生回收率，就要對這些因素進行研究優化。當前，許多學者對其影響因素進行了深入的探討，并取得了良好的效果。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，研究電池因素對再生制動影響時，大多數學者僅將 SOC 值作為參考，而忽略了電池發熱量對電池充放電速度的影響。因此后續研究可結合電池荷電狀態SOC 值、電池溫度和電機工作性能對控制策略進行改進。其次，在設計制動回收控制策略時，研究人員都會在ABS 啟動前設定控制條件，需要考慮到實際駕駛過程中制動強度的因素影響，應更多地關注制動能量回收與ABS 的協同控制，以后的研究可加入對ABS/ESP 和制動感覺等因素。以改善制動安全為出發點，設計出更加全面的控制算法。最后，考慮到車輛的實際操作中受到各種因素的影響，盡量使制動回收系統對車輛傳動系統影響最小。大部分研究采用理論仿真的方式，今后可以通過大量的實車試驗來檢驗系統的回收效果，而且對無人駕駛汽車制動能量回收的研究較少，缺乏精確的數學模型[38]。未來研究制動能量回收探索的新方向是不再借助摩擦制動器，完全利用制動回收系統。從現有的研究技術層面來看，要使制動能量回收與汽車性能做到完美的協調配合顯然還有很長的路要走。

6 結語

隨著環保意識的不斷提高，能量回收系統躍然成為汽車研究中的熱點話題。通過對制動能量回收系統的國內外研究現狀綜述，總結了三種能量回收方式，對控制策略進行討論分析，并對其優缺點進行了總結。對未來研究方向提出自己的見解。隨著研究的不斷深入，制動能量回收技術一定會出現重大提升，車輛能量回收效率會大幅提高，推動新能源汽車發展與進步。