純電動汽車電液制動系統(tǒng)及控制策略

樊少軍 薛建高 左華山 范樹軍

（第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院）

由于受電池和電機(jī)等技術(shù)的限制，純電動汽車的續(xù)駛里程短和成本高這2個問題嚴(yán)重地阻礙了其商品化。再生制動可以通過電機(jī)將汽車的動能或者勢能轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中以備下次驅(qū)動所用，這樣就可以降低純電動汽車的能耗，提高純電動汽車的經(jīng)濟(jì)性能。因此，在目前的純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研究中，再生制動已成為一種降低能耗、提高續(xù)駛里程和汽車節(jié)能與環(huán)保的關(guān)鍵技術(shù)手段，而再生制動的實施要基于良好的電液制動系統(tǒng)和有效的綜合控制策略。文章主要論述再生制動系統(tǒng)的意義、工作原理和電液復(fù)合制動系統(tǒng)的控制策略。

1 純電動汽車再生制動的概念

1.1 純電動汽車能量損耗情況介紹

與傳統(tǒng)汽車相比，能夠進(jìn)行再生制動是純電動汽車的一個顯著優(yōu)點，這樣既可以提高純電動汽車的續(xù)駛里程，又可以減輕傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的工作負(fù)荷。汽車在工作過程中各部分消耗的能量占總能耗的比例[1]，如圖1所示。

從圖1可以看出，大約只有一半的驅(qū)動能量用于汽車的正常行駛。如果能將制動消耗的能量回收再利用，同樣的距離將只需要大約一半的驅(qū)動能量，汽車的能耗經(jīng)濟(jì)性將得到很大的提高。然而傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦制動使得這一部分能量都以熱能的形式耗散掉了。因此在純電動汽車的制動系統(tǒng)中實現(xiàn)再生制動功能具有非常現(xiàn)實的意義。

1.2 純電動汽車制動能量回收的研究現(xiàn)狀

純電動汽車采用電制動時，驅(qū)動電機(jī)運行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，對延長純電動汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。國外有關(guān)研究表明，在存在較頻繁的制動與啟動的城市工況運行條件下，有效地回收制動能量，可使純電動汽車的行駛距離延長10%～30%。制動能量回收要綜合考慮汽車動力學(xué)特性、電機(jī)發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。純電動汽車和混合動力電動汽車最重要的特性之一是顯著回收制動能量的能力。在純電動汽車和混合動力電動汽車中，電動機(jī)可被控制作為發(fā)電機(jī)運行，從而將汽車的動能或位能變換為電能，并儲存在能量存儲裝置（各種蓄電池、超級電容、超高速飛輪或者它們之間的復(fù)合）中，得以再次利用，以延長其續(xù)駛里程。而制動能量回收較有意義的汽車還有城市公交車，城市公交車工況參考數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 城市公交車工況參考數(shù)據(jù)

由表1可知，其減速的功率較大，達(dá)到-100～-50kW（這也是因為純電動汽車或混合動力電動汽車本身裝備了一個較大功率的電動機(jī)，使得回收制動能量可行），占的時間比約為24%，制動消耗的能量占牽引能量的比重較大。由于城市公交車目前一般為內(nèi)燃機(jī)動力，故如何低成本有效回收其制動能量具有一定的難度。

對于汽車，成功地設(shè)計其制動系統(tǒng)必須始終滿足2個截然不同的要求。首先，在緊急制動狀態(tài)下，必須促使汽車在盡可能短的距離中停止；其次，必須保持對于汽車方向的控制。前者要求在所有的車輪上制動系統(tǒng)能供給足夠的制動轉(zhuǎn)矩，后者要求在所有的車輪上平均分配制動力。一般而言，當(dāng)純電動汽車或混合動力汽車減速、在公路上放松加速踏板巡航（有相關(guān)的算法判斷）或踩下制動踏板停車時，再生制動系統(tǒng)啟動。正常減速時，再生制動的力矩通常保持在最大負(fù)荷狀態(tài)；純電動汽車或混合動力汽車高速巡航時，其電動機(jī)一般是在恒功率狀態(tài)下運行，驅(qū)動扭矩與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速或車速成反比。因此，研究純電動汽車的制動模式也非常重要。

由于制動能量回收工作主要在城市工況下有較大意義，而城市工況車輛的最高車速不會太高，且緊急制動的概率較小，所以應(yīng)將研究重點放在中輕度剎車制動能量回收方向上。

圖2示出電動機(jī)再生制動和液壓制動系統(tǒng)復(fù)合示意圖。電動機(jī)的再生制動力矩通常不能像傳統(tǒng)燃油車中的制動系統(tǒng)一樣提供足夠的制動減速度，所以，在純電動汽車和混合動力電動汽車中，再生制動和液壓制動通常共同存在。不過，只有當(dāng)再生制動已經(jīng)達(dá)到了最大制動能力而且還不能滿足制動要求時，液壓制動才起作用。因此，液壓與再生制動系統(tǒng)兩者的特定設(shè)計和控制是重要的關(guān)注點。

2 再生制動的工作原理

再生制動就是汽車制動時，保持電機(jī)與傳動系的有效連接，利用電機(jī)的回饋制動特性將汽車的動能或勢能轉(zhuǎn)化為電能儲存到電池等儲能裝置中，用于下一次汽車驅(qū)動加速所用，同時通過傳動系向驅(qū)動車輪提供制動力矩[2]。雖然純電動汽車有不同的結(jié)構(gòu)形式，但其制動系統(tǒng)都由再生和摩擦制動系統(tǒng)組成，制動的工作模式有3種，如圖3所示。其再生制動的具體工作原理，如圖4所示。

再生制動系統(tǒng)的組成，如圖5所示，其中電機(jī)制動系統(tǒng)與液壓制動系統(tǒng)合稱為電液復(fù)合制動系統(tǒng)。控制器的作用是根據(jù)駕駛員的制動意圖，利用再生制動力分配控制策略實現(xiàn)電機(jī)制動力和機(jī)械制動力的分配，并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)追蹤目標(biāo)信號；再生制動操縱機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)正確識別駕駛員的制動意圖，即制動強(qiáng)度和保證駕駛員的制動感覺與傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的感覺相一致，并且當(dāng)再生制動系統(tǒng)失效時，能保證液壓制動系統(tǒng)正常工作；液壓制動單元要能夠提供由控制器輸出的機(jī)械制動力的大小；電機(jī)和電池系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供控制器輸出的電機(jī)制動力和回收并儲存制動能量。

事實上，并不是所有的純電動汽車制動能量都可以通過再生制動的功能來實現(xiàn)回收與利用，在純電動汽車上，只有驅(qū)動軸上的制動能量可以沿著與之相連接的驅(qū)動軸通過電機(jī)的發(fā)電特性將制動能量轉(zhuǎn)化為電能并傳送至電池裝置中，而制動能量的另一部分將由非驅(qū)動軸上或驅(qū)動軸上的車輪通過機(jī)械摩擦制動以熱能的形式浪費掉。驅(qū)動軸上的制動能量也不能通過再生制動來完全回收，制動能量回收時還受到許多因素的限制，例如：再生制動的回收功率不能超過電池當(dāng)前的最大充電功率、電機(jī)發(fā)電能力的限制、電池充電功率的限制、電機(jī)制動產(chǎn)生的最大制動轉(zhuǎn)矩不能超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速和功率下電機(jī)發(fā)電能力、車速較高時電機(jī)再生制動扭矩不能滿足大強(qiáng)度制動要求及驅(qū)動系布置方案的限制等。因此設(shè)計一套高效的電液復(fù)合制動系統(tǒng)，并配套合理的綜合控制策略將大大提高再生制動對整車燃油經(jīng)濟(jì)性提高的貢獻(xiàn)。

3 電液復(fù)合制動系統(tǒng)控制策略

由于純電動汽車行駛過程中存在著不同的制動狀態(tài)，在小強(qiáng)度或中等強(qiáng)度制動時，為提高制動能量回收效果，通常優(yōu)先考慮再生制動，整車制動力不足的部分則由液壓制動來補(bǔ)充；當(dāng)車輪出現(xiàn)抱死或電池不允許回收制動能量時，為保證整車制動安全性，通常不采用再生制動，只采用液壓制動。因此傳統(tǒng)汽車的制動系統(tǒng)難于滿足純電動汽車的制動需求，不能直接用于純電動汽車中。

3.1 ABS綜合控制策略

傳統(tǒng)汽車的制動系統(tǒng)無論是機(jī)械式、氣動式、液壓式還是氣液混合式，它們的制動原理都是相同的，即依靠制動器摩擦的方式來消耗掉汽車行駛的動能或勢能，從而達(dá)到減速的目的[3]。純電動汽車再生制動的基礎(chǔ)是傳統(tǒng)轎車的液壓制動系統(tǒng)，因此在達(dá)到能量回收目的的同時，不改變傳統(tǒng)轎車制動習(xí)慣就顯得尤為重要。但是，傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)無法最大限度地配合電機(jī)進(jìn)行再生制動，并且由于再生制動的加入改變了駕駛員傳統(tǒng)的制動感覺，這樣制動能量的回收效果就會受到限制，因此對傳統(tǒng)制動系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)母脑靵磉_(dá)到再生制動的功能是必要的。ABS（制動防抱死裝置）越來越多地應(yīng)用在傳統(tǒng)汽車中。ABS的核心部件為高速開關(guān)閥，高速開關(guān)閥與脈寬調(diào)制（PWM）控制相結(jié)合后，可以通過控制一定頻率的脈沖寬度來實現(xiàn)對液壓壓力的連續(xù)控制[4]。

所以通常將采用ABS硬件單元作為電液復(fù)合制動系統(tǒng)中液壓制動力的控制元件，同時制定適當(dāng)?shù)木C合控制策略，通過電液復(fù)合制動系統(tǒng)和綜合控制策略的完美組合以實現(xiàn)最大限度地配合電機(jī)進(jìn)行再生制動，從而達(dá)到良好的能量回收率和制動安全性。

3.2 協(xié)調(diào)制動控制策略

協(xié)調(diào)制動控制策略的首要目標(biāo)是利用電機(jī)響應(yīng)速度和響應(yīng)精度的優(yōu)勢改善制動系統(tǒng)的響應(yīng)特性，使電機(jī)和EVB（電子真空助力）提供的制動轉(zhuǎn)矩之和滿足需求制動轉(zhuǎn)矩，以保證制動安全性。結(jié)合電機(jī)與EVB動態(tài)響應(yīng)特性，協(xié)調(diào)制動控制策略的基本思想是：通過基于期望制動轉(zhuǎn)矩預(yù)測的EVB預(yù)測啟動控制策略，保證EVB接入過程中的安全性；通過基于電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩動態(tài)補(bǔ)償?shù)闹苿愚D(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，精確響應(yīng)需求制動轉(zhuǎn)矩的變化。綜合考慮制動轉(zhuǎn)矩大小和能量回收能力，將制動分為3個模式：經(jīng)濟(jì)性制動模式、SOC低時的安全性制動模式和SOC高時的安全性制動模式。

制動過程中，隨著需求制動轉(zhuǎn)矩和制動能量回收能力的改變，系統(tǒng)進(jìn)入不同的制動模式。進(jìn)入經(jīng)濟(jì)性制動模式時，只需要電機(jī)單獨制動；如果進(jìn)入SOC低或SOC高時的安全性制動模式，則首先采取EVB預(yù)測啟動控制策略，然后進(jìn)行制動轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。如果電機(jī)制動系統(tǒng)和EVB制動系統(tǒng)分別響應(yīng)協(xié)調(diào)制動控制策略中的電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩指令和EVB制動轉(zhuǎn)矩指令，則由電機(jī)轉(zhuǎn)矩和EVB制動轉(zhuǎn)矩共同實現(xiàn)對汽車的制動。

4 結(jié)論

再生制動是電動汽車的一項關(guān)鍵技術(shù)，再生制動不僅能通過回收制動能量來降低整車能耗，而且可以減輕液壓制動器的負(fù)荷及制動器的磨損。由于電動汽車再生制動系統(tǒng)是液壓制動和電機(jī)再生制動的復(fù)合系統(tǒng)，所以在制動過程中液壓制動力和再生制動力的協(xié)調(diào)控制是保證制動安全性和最大化回收制動能量的重要保障，是再生制動的技術(shù)難點。

文章提出的電液制動系統(tǒng)只是從理論分析和策略的角度提出了電液制動系統(tǒng)的可行性，后續(xù)的研究主要是建立電動汽車電液制動系統(tǒng)壓力協(xié)調(diào)控制的仿真平臺，以及電液制動系統(tǒng)和壓力協(xié)調(diào)的控制問題，從而在硬件上實現(xiàn)ABS防抱死制動、再生制動和摩擦制動的集成。通過制定全路面條件下的制動力分配控制策略和基于路面識別的ABS防抱死控制策略，高度集成ABS防抱死制動、再生制動和摩擦制動的控制算法，來有效提高制動能量回收率和制動安全性。