純電動汽車制動能量回收控制方法的研究

李秀芬 雷躍峰

（日照職業技術學院 現代汽車學院，山東 日照 276826）

0 引言

電動汽車作為零排放零污染汽車，倍受關注。電動汽車的技術關鍵是采用高能量和大容量的蓄電池來提高其續駛里程，這也是制約純電動汽車產業化發展的瓶頸，因此，制動能量回收問題對提高電動汽車的能源利用率有重要意義。

在汽車制動過程中，是將汽車的動能通過摩擦片的摩擦轉化為熱能，浪費了大量的能量。有關研究表明，制動能量占總驅動能量的50%左右[2]，在電動汽車上，這種被消散掉的制動能量已經可以通過將制動能量再生回收技術轉變為電能儲存在蓄電池里，并能將此進一步轉化為驅動能量。研究表明，有效回收的制動能量可使電動汽車的續駛里程提高10%-30%[1]。

目前國內對于電動汽車回收制動能量的技術還處于初級研究階段。具備能量回收的電動汽車上的制動系統，要求在最大限度回收制動能量的同時還得保證汽車良好的制動性能。因此，需要綜合考慮汽車動力學特性/電機發電特性和蓄電池安全充電等多方面的問題，研制一種具有實際效用的制動系統具有一定的難度。本文對以上問題進行了積極探索，并取得一些有意義的結論。

1 制動能量回收系統的結構及原理

電動汽車的制動能量回收系統是將制動時的動能轉換成電能回饋給電池充電，使得能量能夠被再生利用，該功能是由驅動電機的控制電路實現的。因此，電動汽車上的制動系統是再生-液壓混合制動系統，本文以此為例介紹混合制動系統的結構和原理。如圖1所示。

圖1是典型的再生-液壓混合制動系統，此系統中將前輪的制動能量進行回收，電機產生的再生制動力與傳統制動系統產生的摩擦制動力共同作用實現對前輪的制動。再生制動力和傳統制動系統產生的液壓制動力的大小是由制動控制器與電機控制器協同工作確定的。制動能量由再生制動控制模塊回收并回饋給電池，電動汽車仍裝有 ABS，其作用與傳統燃油車上的相同。

圖1.再生-液壓混合制動系統的結構

再生制動系統的基本原理是通過電機驅動的自感電動式/反電動勢將存儲在電樞中的磁場能量以及車體的動能保存至蓄電池中[3]。

2 制動能量回收的影響因素分析

影響制動能量回收的因素有以下四個方面：

（1）電機的制動能力與可回收的能量多少有重要關系。電機的制動能力越強，可以回收的制動能量就越多，續駛里程提高的就越多。電機的外特性決定了電機在當前轉速下可輸出的最大再生制動比例，如圖2所示，電機在轉速較高時處于恒功率發電狀態，轉速較低時處于恒轉矩發電狀態 ；其次電機的發電能力直接制約再生能量的多少。

（2）能否對制動能量進行回收及回收的多少取決于電池的荷電狀態SOC值和溫度，若制動過程中電池的SOC值很高（例如0.85以上），或溫度過高（高于55℃），不能進行制動能量的回收或減小充電電流以保護電池及延長電池的使用壽命[4]。

圖2.再生制動時電動機外特性

圖3.電池充電特性示意圖

（3）如圖3所示，從電池充電倍率與充電時間的關系可看出，電池的充電倍率上限為最大充電倍率。

（4）車輛制動時，車速越高，制動力矩越大，但是當變速器置于高檔位時，電機再生制動不能滿足制動要求。檔位越低，制動時所需扭矩越小，但此時電機的制動扭矩過剩。

3 再生制動動態分配策略的分析

固定分配再生制動力和機械制動力之間比例的控制策略，在總的制動力中，再生制動的比例受到限制，不能滿足電動汽車實際的需求[5]。為了提高電動汽車的續駛里程，本文用動態控制分配再生制動力和機械制動力之間比例的控制策略進行研究。仿真中電動汽車的參數：電機額定功率10KW，最大扭矩50NM，最高轉速8700r/min，電池采用鎳氫電池，單體電壓1.2V，標稱電壓144V。

動態分配控制策略主要依據是電機的最大放電能力和電池的充電能力以及當前狀態下的電池狀態。在電機的發電能力范圍內，當電池的SOC值小時，再生制動所占的比例就大[3]，反之，機械制動所占的比例就大。當動態分配再生制動力和機械制動力的比例關系時，公式

中X為一個變量，其取值范圍0-100，此時電池的充電能力，電機的發電能力及當前狀態下電池的SOC值決定X取值[2]。

將此時的電機轉速n帶入上式可得：

評價再生制動控制策略的其中一個標準是檢驗制動過程中能量回收的多少。能量回收的評價指標是回收制動能量占電動汽車能量消耗的百分比，即整個工況的能量回收率。

為了更加接近真實的制動工況，選定一個循環工況中的制動情況，以變制動加速度的方式制動，得到數據圖4，圖5，圖6。

圖4.循環工況

圖5.電池電流

圖6 電池SOC值變化曲線

由仿真結果可知，在電池SOC值允許的情況下，再生制動系統回收的能量能夠給蓄電池充電。仿真結果表明在一個循環工況下實際回收的能量為 33.142KJ，制動能量回收效率為21%。

[1]馮能蓮,么局標,俞黎明,等.電動汽車再生制動控制策略[J].北京工業大學學報,2008,34(12):1332-1338

[2]張培斌.再生制動控制的研究與仿真[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[3]王智慧.電動汽車動力電源充放電技術研究[D].西安:長安大學,2007.

[4]張毅,楊林,朱建新,等.電動汽車能量回饋的整車控制[J].汽車工程,2005,27(1):24-27

[5]Y.Gao and M.Ehsani，Electronic braking system of HV and HEV-integration of regenerative braking, automatic braking force control and ABS, in Proceedings of the SAR 2001 Future Transportation Technology Conference Paper No.2001-01-2526,Costa Mesa, CA, AUG, 2001.