能量回收
——再生制動儲能系統及控制策略

在制動過程中，除去空氣阻力和行駛阻力消耗掉的能量，一般希望能最大限度的回收所有能量。然而，并不是所有的制動能量都可以回收。在電動汽車上，只有驅動輪的制動能量可以沿著與之相連接的驅動軸傳送到能量存儲系統，另一部分的制動能量將由車輪上的摩擦制動以熱的形式散失掉．同時，在制動能量回收過程中，能量傳遞環節和能量存儲系統的各部件也將會造成能量損失。另外一個影響制動能量回收的因素是，在再生制動時，制動能量通過電動機轉化為電能，而電動機吸收制動能量的能力依賴于電動機的速度，在其額定轉速范圍內制動時，可再生的能量與車速基本上成正比。當所需要的制動能量超出能量回收系統的范圍時，電動機可以吸收的能量保持不變，超出的這部分能量就要被摩擦制動系統所吸收。

再生制動，就是利用電機的電氣制動產生反向力矩使車輛減速或停車，其被廣泛應用于純電動車、混合動力汽車上。對于感應電機來說，電氣制動有反接制動、直流制動和再生制動等。其中，能實現將剎車過程中能量回收的只有再生制動，其本質是電機轉子的轉動頻率超過電機的電源頻率，電機工作于發電狀態，將機械能轉化為電能通過逆變器的反向續流二極管給電池充電。

制動能量回收系統一般包括電機制動子系統和液壓制動子系統，除了需要設計能夠靈活調節液壓制動力的液壓制動系統之外，還需設計合適的控制策略，主要包括回饋制動力與液壓制動力的分配以及前后輪制動力的分配，控制策略必須充分考慮到制動穩定性、電池充電能力、電機特性和駕駛感覺。目前制動能量回收技術的研究主要集中在兩個面：方案設計和控制方法。

本文簡要介紹了幾種再生制動儲能系統、再生制動控制策略和再生制動對鋰離子電池老化的影響。

一、再生制動儲能系統設計

1.對 前輪驅動電動汽車在極端啟動和再生制動過程中的兩種混合儲能系統的對比分析[1]

混合儲能系統的主要目標是減少車輛再生制動或啟動過程中的電池干預，以提高其循環壽命，保持其容量性能，并在極端制動和牽引操作中響應車輛的動態功率要求。本文對前輪驅動電動汽車的兩種混合儲能系統進行了比較研究。混合能量存儲系統的主要能源是鋰離子電池，其以高能量密度而聞名；而次級能源是超級電容器或飛輪能量系統，它們具有高功率密度和循環壽命。次級電源的主要作用是在高峰值功率需求期間提供能量，同時可以延長電池壽命，這被認為是在電動汽車中投入最高的項目之一。

首先，在大量文獻研究的基礎上，介紹了技術經濟的比較標準和規范，并對超級電容器和飛輪能量系統進行了技術經濟比較，同時介紹了每個元件的設計和尺寸。由于市場上有大量超級電容器制造商，因此可以設計和選擇不同規格的超級電容器。對于飛輪能源系統，應該進行更詳細的設計研究。對前輪驅動電動汽車中飛輪能量系統的優化設計結果表明，飛輪能量系統在體積、能量密度、功率密度、甚至成本等方面都優于超級電容系統。但如果以重量、比能量和比功率作為主要的選擇標準，則鼓勵使用超級電容器。

其次，將每個混合儲能系統集成到一個更全面的SIMULINK模型中，其中包括車輛模型、牽引控制系統、再生制動系統和車輛執行機構。在兩種不同的路面類型和條件（高摩擦路面和低摩擦路面）以及不同的初始系統狀態下，對極端制動和車輛啟動操作進行模擬試驗。在電池約束最小化及其壽命保護方面，如果車輛的能量管理系統需要次級能量存儲元件放電以便恢復制動能量，則使用超級電容器比使用飛輪能源系統更為方便。對于牽引試驗，如果能量管理系統在啟動前需要次級儲能元件充電，則兩種混合儲能系統的解決方案類似。這為展示在緊湊性、重量和電池約束最小化方面最合適的存儲系統，提供了深入的對比分析。

2.重 型混合動力汽車并聯液壓-氣動再生制動系統的設計與分析[2]

液壓-氣動混合動力系統為需要在高速公路和市區內通行的重型車輛提供了高功率和高能量的組合再生制動系統。這種混合系統的創新之處在于既利用了液壓系統的高功率密度和快速時間響應特性，又利用了氣動系統的高能量密度但響應較慢的動力學特性，允許直接利用回收的能量作為推進的輔助源。設計這些系統的挑戰在于適當地調整能量回收組件的大小、集成和控制，以便高效地利用這些應用中不同的能量和功率范圍，盡量減少能量損失。制動能量由液壓系統回收，并存儲在液壓蓄能器和儲氣罐中，當液壓系統與內燃機同時驅動車輛時，壓縮空氣以動力輔助模式為輔助設備供電。

首先通過對比預測結果和實驗系統的測量結果，驗證了在MATLAB/Simulink中編寫的集總參數仿真模型的可靠性；其次針對某重型車輛建立了該系統的數學動力學模型，分析了在市內行駛時的完全制動工況下和在公路上勻速下坡行駛時的制動工況下的能量回收情況。

在本研究的分析條件下，完全制動工況下可供回收的總能量為1095 KJ，實際回收753 KJ，能量回收效率為69%（液壓儲能58%，氣動儲能11%）；減速下坡工況下可供回收的總能量為14573 KJ，實際回收2099 KJ，回收效率為14%（液壓儲能4%，氣動儲能10%），兩種工況回收到的能量比例為1/2.8。完全制動時耗時21.2s，下坡過程持續180s，因此回收到的電量分別為52 kW和81 kW。同時，在這兩種情況下，系統的運行導致了液壓子系統和氣動子系統所回收能量的相對數量之間有明顯的差別。在全制動工況下，液壓蓄能器中存儲的能量占總回收能量的84%，氣動儲能占比16%，液壓系統的儲能效率更高；在減速下坡工況下，液壓蓄能器中存儲的能量占比28%，氣動儲能占比72%。在氣動系統中，由于壓縮機的尺寸和速度的限制，需要更長的時間來給空氣貯器加壓，它更適合于較慢的再生制動，例如斜坡減速工況。

3. 基于電池/超級電容器的高效再生制動系統--針對搭載無刷直流電機的純電動、混合動力和插電式混合動力汽車[3]

電池和超級電容器的互補特性可以有效地應用于混合儲能系統中。混合動力儲能系統在電動汽車中的應用，具有諸如提高再生制動效率、提高電池安全性、提高車輛加速度等優點。本文針對無刷直流電動機驅動的混合儲能電動汽車，提出了一種新型的再生制動系統。在再生制動過程中，無刷直流電機起到發電機的作用，通過適當的開關算法，可以提高直流環節的電壓，并通過逆變器將回收的能量轉移到超級電容器或電池上，因此不再需要額外的電力電子接口。回收到的能量可以用來提高車輛的加速度，并能防止電池在上坡行駛時深放電。為了提供可靠、平穩的制動，采用多層感知器-人工神經網絡控制器控制電動汽車前后輪之間的制動力分配。同時采用PI控制器控制逆變器脈寬調制的占空比，調節制動電流，實現恒轉矩制動。

為了評價所提出的再生制動系統的性能，在WVU 5峰驅動循環中對電動汽車進行了不同的仿真和實驗。結果表明，電動汽車的驅動范圍增加了大約五個周期，與蓄能再生制動相比，再生效率提高了20%左右。所提出的再生制動系統具有較高的性能，能夠以適當的效率回收制動能量，保證電動汽車安全減速。

二、再生制動控制策略

1.一 種改進的直接轉矩控制與自適應控制理論在電動汽車再生制動中的應用[4]

本文提出了一種新型的電動汽車再生制動方法，解決了與電池放電有關的短程問題。在該方法中，為了改善電池的充電狀態，對直接轉矩控制切換算法進行了改進，在不使用附加功率變換器或其他電能存儲裝置的情況下，從無刷直流電機驅動的電動汽車中回收電能。在再生制動過程中，由于電壓矢量的特殊布置，逆變器采用了與正常運行不同的開關模式，新的開關模式將機械能轉化為電能，并改善了轉速和轉矩跟蹤信號，改善了轉矩脈動。將電池的充電狀態作為該方法的性能指標，在仿真結果部分對該方法的性能進行了評價，并與傳統的開關模式和PI控制器進行了比較，其中采用與自適應控制器并行的新的再生制動方法，能夠在0.9 s的模擬過程中將電池的充電狀態提高0.6%。通過這種節能措施可以提高電動汽車的行駛里程。

為了進一步改善跟蹤誤差和轉矩脈動，同時設計了一個模型參考自適應系統來調整控制器的參數并跟蹤參考速度信號。該控制器在響應速度和穩態跟蹤誤差方面要優于傳統的PI控制器。對于新的參考速度，比例積分控制器的誤差在-5.93（rad/s）到4.97（rad/s）之間，而自適應控制器的誤差為-0.63（rad/s）和1.04（rad/s）之間。

在仿真中，駕駛周期經歷了正負零加速度的起伏，這些波動會導致負載轉矩的變化，使其仿真結果更接近實際情況。

2. 基于最優μ估計的混合動力汽車再生制動策略[5]

以能量再生最大化為目標的電動汽車制動力分配由于其復雜的運行條件和不同的性能指標之間的權衡，一直是一個具有挑戰性的研究課題。眾所周知，輪胎與道路間的摩擦水平對確定前輪和后輪鎖定條件的制動力區間有著重要的影響，因此對保持車輛穩定性和可控性的制動力分配集也有很大的影響。然而，在以往提出的再生制動力分配策略中，由于輪胎-道路摩擦水平的變化，沒有考慮制動極限邊界的變化，而是引入了保守的制動力分布約束，以保證制動的穩定性和可控性。

本文提出了一種在單電機驅動下的基于車輛穩定性、電機功率和轉矩限制條件下的混合動力汽車制動過程中最大限度地回收能量的制動力分配策略。該策略基于對輪胎-道路摩擦系數的估計，考慮了電機的效率和可用的減速比，以尋找最佳制動力分布，使制動過程中的再生功率最大化，同時滿足給定的車速和減速要求。為了支持該策略，提出了一種基于模糊邏輯的μ估計算法，經過μ估計（優化制動力分配和選擇傳動齒輪的方法）所得到的擴展后的前后制動力分配比例，能夠在任何車速和制動要求下實現再生制動力的最大化。

通過仿真分析證明了所提出的基于輪胎-路面摩擦力估計的制動力分配優化策略的有效性，該策略顯著地提高了制動能量的回收。利用μ估計原理優化制動過程中的制動力分配的方法，可以推廣到不同的混合動力傳動系統（前驅和后驅），并將是今后研究的課題。

3.無 人駕駛并聯混合動力汽車雙制動系統的動能存儲[6]

本文針對公路上的公用或貨物運輸無人駕駛車輛，提出了一種新的再生雙制動策略，該方法既利用電動機作為制動器，又利用傳統的卡鉗制動系統，同時考慮了電動機和功率轉換器的功率處理能力。其能夠提高對再生能量的回收效率，從而提高搭載了并聯混合動力傳動系統的無人駕駛車輛的燃料利用率。本文的主要貢獻在于提出電能的回收與一定的制動距離相關，這與無人駕駛車輛（相對于乘坐舒適度，這些車輛更重視行人的安全）的儲能能力相關。

本文開發了一種在不考慮舒適性的情況下提高無人駕駛車輛儲能能力的再生算法，其將距離作為與安全相關的關鍵參數。該算法在滿足車輛制動距離約束的前提下，避免了行駛中可能出現的急剎車情況，在保證安全和相同制動距離的前提下，相比于只有恒定減速比的其它制動策略，使制動時間得以延長，這有利于電機的發電過程，提高了再生制動的效率。由于所需的制動要求會因駕駛環境而異，因此有無數的制動比可供探討，然而由于這樣的探索并不實際，因此所提出的算法集中在對一組中等可變減速比的探討上。

文章中比較了在恒制動力矩和恒制動功率這兩種制動方法下的仿真結果，證實了所提出的再生制動策略顯著地提高了混合動力傳動系統的能量回收能力，其中的恒制動力矩法具有更好的節能效果。雖然該算法在乘用車上有一定的局限性，但對于無人駕駛車輛來說是非常實用的。

4.考 慮CVT功率損耗的混合動力汽車再生制動補償控制策略[7]

采用無級變速傳動的混合動力汽車在再生制動過程中能夠不斷調整電機工作點，以獲得最佳的電機運行效率。傳統的控制策略認為CVT的效率是常數，而CVT的效率在不同的工況下是不同的。為了更準確地反映再生制動過程中的傳動效率，本文以裝有CVT的四輪驅動混合動力汽車為研究平臺，首先建立了CVT理論轉矩損失模型和傳動效率模型，進而建立了蓄電池-前置電機-CVT聯合運行效率模型。聯合運行效率模型表明，系統效率受輸入速度、輸入轉矩、CVT速比、電池充電狀態等因素的影響。

通過聯合運行效率模型得到了系統的最佳運行路線；為了充分利用其制動功率，根據所需制動力與前置電機最大制動力之間的關系，提出了前置電機制動力的補償策略；在補償制動力和考慮CVT效率變化后，再生制動系統的最佳工作區域發生了變化，隨后對原有的CVT速比控制策略進行了改進，以保持系統的最佳運行效率；在UDDS、NYCC、US 06三種典型制動工況下進行了仿真，結果表明，改進后的控制策略提高了前置電機的制動功率，提高了系統的運行效率和能量回收率。

5.基 于開關磁阻電動機驅動的電動汽車再生制動最大功率恢復[8]

本文提出了一種基于最大功率提取和最大功率傳遞的開關磁阻電機傳動的再生制動控制方案，其主要目的是考慮開關磁阻電機的非線性物理特性，最大限度地利用電池充電過程中回收的能量。所提出的再生制動方法在發電過程中采用反電動勢作為復雜的位置相關電壓源，再生制動的最大功率恢復操作首先基于從機器提取的功率的最大化，然后基于傳遞到電池的功率的最大化。開關磁阻電機的最大功率提取是通過計算最佳脈沖寬度調制開關占空比、開關角來實現能量轉換率最大化的；利用允許最大功率提取的最大功率傳輸阻抗匹配定理，并采用斬波控制方式下電機的相電流參數平均值模型實現了所提出的最大功率恢復。在此基礎上，考慮了電池的內阻特性，導出了開關磁阻電機最大功率傳輸運行電阻特性的解析表達式，得到與電池內阻匹配的非線性等效輸入電阻，結果表明開關磁阻電機具有非線性位置相關電阻特性。

通過對四相8/6開關磁阻電機組成的牽引傳動系統的仿真和實驗研究，結合對最佳開關參數的計算，確定了再生制動方式下的最大功率恢復率，這驗證了所提出的最大功率恢復、高性能電池動力再生制動的有效性，所提出的電動汽車再生制動策略具有較好的運行效果。

三、電動汽車動力驅動載荷和再生制動對鋰離子電池老化的影響[9]

在電動汽車中，電池負載曲線與標準實驗室測試程序有很大不同，標準實驗室測試程序通常采用恒定電流進行放電。車輛的加速和減速工況會使電池負載具有很高的動態性，同時還包含再生制動產生的高電流充電脈沖。本文提出了一種基于典型驅動負載曲線的電動汽車電池老化試驗研究，其主要研究在不同充電狀態、不同溫度和不同循環深度下再生制動對電池老化的影響，并將在不同動態驅動負載下引起的老化與恒定電流放電引起的老化進行比較。此外，對長時間停工后的容量恢復效應進行了識別和分析。

這項研究揭示了：壓延老化隨著溫度的降低而減弱，但周期老化隨著溫度的降低而增強，同時對動態負載曲線更為敏感；再生制動提高了循環壽命；循環深度是影響循環壽命的主導因素；動態載荷作用下的退化與定載荷相似。此外，本文還解釋了僅在高電荷狀態下循環后發生的容量恢復效應，并提出了減少電動汽車電池退化的基本策略。