電動汽車再生制動系統分析*

方春杰 李軍

（重慶交通大學）

電動汽車作為一種新型代步工具，憑借自身安裝的電機，可以實現再生制動功能，從而實現制動能量的回收[1]。由于再生制動系統能夠使能量利用率有所提高，從而增加電動汽車的續駛里程，因而它在電動汽車中占有重要地位。文章以電動汽車再生制動系統為研究對象，在介紹其結構分類的基礎上，分析再生制動的影響因素和控制策略。

1 再生制動系統結構

電動汽車再生制動系統的結構按驅動電機的布置形式大致可分為中央電機式、輪邊電機式和輪轂電機式3類。其前輪驅動形式下的具體結構，如圖1所示。

圖1 電動汽車再生制動系統結構

以上3種系統中，由于輪轂電機式再生制動系統去除了機械連接，全部采用電力連接，機械損失減少，因而其能量回收效率較高。但是該系統的不足之處是輪轂電機制造成本相對較高。

2 再生制動影響因素分析

再生制動的影響因素很多。其中主要的影響因素有電機的特性、蓄電池組的狀態、行駛工況、驅動形式以及控制策略。

2.1 電機特性的影響

電動汽車再生制動過程中，電機的輸出特性必須滿足工作要求。電機的再生制動轉矩為[2]：

式中：T——電機再生制動轉矩，N·m；

Pn——電機額定功率，kW；

nb——電機基速，r/min；

n——電機轉速，r/min。

T越大，其能提供的最大再生制動力就越大，有利于提高制動能量回收效率，從而充分地回收制動能量。由公式可知，電機的轉速及其發電功率對再生制動轉矩的大小起限制作用，若制動強度過大，電機無法滿足工作要求[3]。此外，若電機發電功率越大，則能提供給電池的充電功率也隨之增大，制動過程中回收的能量同樣就越多[4]。

2.2 蓄電池組狀態的影響

蓄電池組的荷電狀態（SOC）值、蓄電池組溫度、充電電流以及充電功率都會限制蓄電池組的充電效率[5-6]。當蓄電池組SOC值很高或者溫度過高時，為了保護蓄電池組，延長電池組的使用壽命，均不允許進行制動能量回收。蓄電池組溫度會因為充電電流過大而迅速升高，此時也不允許進行制動能量回收。此外，電池組的充電功率不可高于允許的最大充電功率。

2.3 行駛工況的影響

行駛工況影響電動汽車制動能量的回收。不同的工況下，制動強度與制動頻率存在差異，因而能量回收效果也存在較大差異。在城市工況下，特別是早晚出行高峰期，交通比較擁堵，電動汽車需要頻繁地起停，制動的頻率較高、制動強度較大，因而回收的能量相對較多[7-8]。而在鄉村道路或高速公路工況下，行車過程制動頻率較低，制動強度相對較小，因而回收的能量相對較少。

2.4 驅動形式的影響

驅動形式一般可分為前輪驅動、后輪驅動和四輪驅動。電動汽車制動過程中，驅動電機產生再生制動力，且只將其作用于驅動輪，因而再生制動系統回收的制動能量也只能來源于驅動輪。

汽車制動時，由于存在向前的慣性，與后輪附著條件相比，前輪附著條件更加良好，而且前輪制動力大于后輪制動力，因此，在相同條件下，前輪驅動回收的能量更多。此外，與兩輪驅動形式相比，四輪驅動形式下，電動汽車具有更強的再生制動能力，能夠回收更多的制動能量。

2.5 控制策略的影響

為了實現能量充分回收，需要合理地設計再生制動與機械制動的分配關系，同時也必須考慮前后軸制動力的合理分配，以確保制動的安全性。制定合理的控制策略有利于提高能量回收效率，因此控制策略對制動能量回收具有重大的影響[9]。

3 再生制動控制策略分析

制定再生制動控制策略的目的就是為了實現對機械制動力和再生制動力的合理分配。為保證控制的合理性，再生系統控制策略應滿足以下要求[10]：

1）合理分配再生制動力和機械摩擦制動力，以不影響制動性能為前提，盡量最大化地回收制動能量，從而使汽車的續航能力有所提高；

2）合理分配前后輪軸上的制動力，以達到穩定的制動效果，保證汽車行駛的穩定性；

3）控制策略應與ABS，ASR，ESP等系統相融合，不影響其制動性能。

針對不同車型再生制動系統的特點，國內外學者提出了不同的控制策略。文獻[11]提出了恒值能量回收、定速率能量回收及最大化能量回收3種能量回收控制策略；文獻[12]提出了基于人工神經網絡方法的最佳制動力分配控制策略。文獻[13]提出了慮及變速器擋位影響的分段復合再生制動控制策略。在一定程度上，上述3種控制策略均能提高再生制動系統的性能，具有一定的理論參考價值，但這些控制策略僅局限于理論層面上的研究或者處于虛擬仿真階段，大多數沒有得到實際應用。

目前，常見的控制策略有理想制動力分配控制策略、并行再生制動控制策略和最佳制動能量回收控制策略。此外，國內外相關研究人員還提出了諸多其他的控制策略。

3.1 理想制動力分配控制策略

該控制策略要求前后輪制動力嚴格按照理想制動力分配曲線（I曲線）進行分配，具體分配關系，如圖2所示。

圖2 理想制動力分配控制策略分配關系

以滿載為例，當驅動軸所需要的制動力未超過電機提供的再生制動力時，電機為驅動軸提供所需的制動力，而機械制動系統提供非驅動軸所需的制動力（如圖2中A點所示）；當驅動軸所需要的制動力大于電機提供的再生制動力時，電機為驅動軸提供最大的再生制動力，不足部分的制動力由機械制動系統提供，非驅動軸的制動力則全部由機械制動系統提供（如圖2中B點所示）。

在該控制策略下，地面附著條件能夠得以充分利用，制動系統具有良好的制動效果，同時可以實現能量回收的最大化；但該控制策略需要特定的制動操縱機構與智能化程度較高的控制器，才能對前后輪制動力進行獨立精確控制，且控制系統復雜[3]。由于市場上大多數電動汽車仍然沿用傳統的制動操縱機構，無法嚴格按照I曲線對再生制動力和機械制動力進行合理分配，其協調控制難度大，因此該控制策略還未得到實際應用[10]。

3.2 并行再生制動控制策略

并行再生制動系統的再生制動只分配給驅動輪，而機械制動力在前后輪上按一定比例進行分配[10]，其原理如圖3所示，圖3中，β線為實際前后輪制動器制動力分配線，M線為ECE制動法規下前輪抱死時后輪必須具有的最小制動力分配曲線。其具體的分配關系為[14]：

1）當制動強度（z）＜0.1時，為了提高制動能量回收總量，系統進入純再生制動模式，制動系統制動力完全由驅動電機提供；

2）當0.1≤z＜0.7時，系統進入機械制動和再生制動的復合制動模式，機械制動力和再生制動力共同承擔系統所需制動力；

3）當z≥0.7時，為了提高制動穩定性和制動效能，縮短制動距離，系統進入純機械制動模式，機械制動系統為電動汽車提供全部制動力，且前后輪制動力按β線分配。

圖3 并行再生制動控制策略分配關系

該制動控制策略僅需對電機再生制動力的大小進行控制，而無需對機械制動力的大小進行控制，執行機構結構簡單可靠，制造成本低，易于實現[15]。即使再生制動失效，仍可依靠機械制動實現安全制動，能夠較好地滿足ECE制動法規的要求。但是由于該制動控制策略及其執行機構較為簡單，因而很難兼顧制動穩定性和能量回收最大化的要求。與其他2種常見的控制策略相比，采用該策略制動過程回收的能量相對較少[16]。

3.3 最佳制動能量回收控制策略

最佳制動能量回收控制策略的控制思想是[17]：在保證前后輪不發生抱死的前提下，優先考慮系統制動力矩完全由驅動輪提供。當電機提供的最大制動強度能夠滿足制動系統需求時，使電機的發電能力得到充分發揮，再生制動系統提供全部制動力，實現回收能量的最大化。當制動系統所需的制動強度超過電機能提供的最大制動強度時，電機提供最大再生制動力，不足的制動力由機械制動力進行補充。具體分配關系，如圖4所示。

圖4 最佳制動能量回收控制策略分配關系

由上述控制思路可知：理論上而言，最佳制動能量回收控制策略可以實現制動能量回收的最大化，但其對路面附著系數的變化比較敏感，且需要精確控制機械制動力和再生制動力的合理分配，對控制系統的要求較高，因而實現該控制策略需要智能化程度高的控制器，對技術要求很高，難于實現。

4 結論

文章對電動汽車再生制動系統結構進行了介紹，將制動能量回收和制動力分配作為2個基本出發點，分析了電動汽車再生制動的影響因素和控制策略。針對常見控制策略，對其優缺點進行了總結與分析。通過對比分析可得：并行再生制動控制策略和混合并聯控制策略由于其控制系統結構比較簡單，控制技術易于實現等獨特優點，非常適合電動汽車研究與發展的需要。