電動汽車制動能量回收控制策略

徐向明

(東風悅達起亞汽車有限公司，江蘇 鹽城 224051)

1 制動能量的回收

1.1 制動模式

通常情況下，電動汽車制動模式包括緊急制動、正常制動和下長坡制動。

(1)緊急剎車。該過程機械摩擦制動占主導地位，電制動發揮輔助作用，制動加速度超過2m/s2。因為緊急制動使用機會不多，持續時間也不長，所以只能回收利用較少的能量。

(2)正常剎車。汽車在正常行駛出現的制動有減速和停止2類。前者依靠電制動，并產生制動能量；后者靠機械摩擦起到制動效果。電機發電特性決定了制動的切換點，掌握切換點的詳細情況才能最大程度地將制動能量回收利用。

(3)下長坡剎車。汽車在沿盤山公路下坡的時候會啟動該模式。由于對制動力要求較小，只需電制動就能啟用制動力，所以對于該制動情況下的能量也可正常回收。然而除非在旅游山區接送游客的需要，一般情況下私家電動汽車很少沿盤山公路行駛，所以回收能量的空間較小。

綜上所述，在正常制動過程中，應該最大限度發揮電機再生制動力的作用，提升電動汽車的能源使用效率。

1.2 制動能量回收的約束條件

(1)確保車輛行駛的安全性，制動時應符合司機的制動習慣。安全性是電動汽車在啟用制動模式時需要堅持的最重要原則。確定機械摩擦制動和電制動之間的最佳覆蓋區域，在保證安全的條件下，最大限度地回收能量。電動汽車的制動系統應該同燃油汽車具有一定相似性，只有符合司機的駕駛習慣，才更容易吸引大眾。

(2)參照驅動電機的發電特性和輸出能力。電動汽車一般采用的電機是感應異步或永磁直流電機，要根據電機不同的發電效率，施加相應控制方式。

(3)注意電池充電時間，避免出現過度充電情況。電動汽車常用電池主要有鋰電池、鎳氫電池和鉛酸電池。如果充電時通過的電流過大或超出合理充電時間，必然會對電池造成損害。

2 制動能量回收系統控制策略

2.1 汽車制動動力學和法規限制

大量研究表明，當施加在前軸和后軸的作用力同法向作用力成正比時，能最大限度地利用地面附著條件，汽車行駛的狀態也最穩定，此時的制動效果也是最好的。從物理角度分析制動不難發現，當地面最大附著力仍低于車輪制動力時，車輪抱死，穩定性驟然被都打破。根據附著系數變動，我們得到前軸抱死時前后軸制動力分配線組(f線組)。

國際上法律規定當汽車的附著系數ψ在0.2～0.8區間內時，其制動強度z≥0.1+0.85(ψ-0.2)。車輛在不同情況下的裝載狀態時，后軸利用附著系數曲線應該在前軸利用附著系數曲線的下方，ECE法規曲線就此應運而生。

從汽車制動動力學和制動法規的角度分析不難發現，在由橫軸、f曲線、I曲線和ECE法規線所“圈”出來的陰影部分，就是前后軸制動力分配點所處的位置。

制動力分配特征點為O、A、B、C、D、E點，連線DE為某一制動強度下前、后軸制動力的分配變動線。按照最大程度回收前軸制動能量的原則，當分配點在O-A-B-C這條變動幅度較大的線上時，作用在前軸上的制動力實現最大化，可是由于過于偏離I曲線，導致制動不能處于平穩狀態且效果不佳。

2.2 電機轉矩特性制動力分配策略

在某種制動強度下，從D點到E點的連線呈現前、后軸制動力分配的變動范圍。所以要基于電機轉矩特性將再生制動力的范疇計算出來。在知道制動強度z的前提下，控制策略如下：

當點①為再生制動力時，F1大于點E處最大制動力FE，制動依靠電機提供。此時E點為制動力分配點。

當點②為再生制動力時，F2比前軸最大制動力FE小，且比I曲線確定的前軸制動力最小值Fi大，制動依靠再生制動力F2。此時點②為制動力分配點。

當點③為再生制動力時，F3比I曲線確定的前軸最小制動力Fi小，前軸制動器摩擦制動力Fc起到補償作用，即Fc=Fi-F3。此時點D為制動力分配點。

在特殊條件下，若要求制動強度需超過路面附著極限，只能獲得C點所在的制動強度。此時點C為制動力分配點。

基于上述的種種分析，在保證制動強度的前提下，制動力分配策略決定了后軸上的摩擦制動力。

2.3 電池耐受性分析及控制策略

給電池充電時，開路電壓應高于電池當前荷電狀態SOC下的電池電動勢U及內阻電壓，通過開路電壓值和電機制動功率就能把充電電流I測算出來。就電池耐受性的約束條件，可以獲得以下電池充電控制策略：(1)如果SOC超過95%，回收制動能量是不可取的；(2)已知電機轉速得知電壓和充電功率，以此作為測算充電電流I的數據依據，如果電池安全比充電電流小，那么還是不對制動能量進行回收；(3)以電池放電深度和充電電流大小，對安全充電的累計時間進行測算，如果比充電電流安全充電時間長那么就不能對制動能量進行回收。

3 仿真測試

通過上文對制動能量回收控制策略的分析后建立仿真模型。仿真過程建立NEDC工況，對電機實際相應扭矩、車速信號和高壓電池荷電狀態(SOC0)進行重點檢驗。對仿真結果進行分析不難發現，在再生制動的加持下，電池SOC從95%被削減到50%，續駛歷程從不到3個ECE工況擴至3.25的NEDC工況，里程大約增加了10.2%。

電流積分將電池蓄電量和放電量作為計算的核心要素，比較容易就能獲得能量回收率；扭矩積分則將整車動能作為計算參考，以車速減慢、制動能量回收發揮作用為起始點，整車總動能為基準，制動過程的即時線速度和制動扭矩相乘后得到的數值為積分，由此獲取全部回收的能量，電流積分和扭矩積分的比值就是能量回收率。

4 結語

以上是筆者對電動汽車制動能量回收技術進行的分析和探究，并重點探討了制動力分配和控制策略，并通過建立仿真模型對能量回收系統進行仿真分析，希望能對電動汽車制動能量回收的研究提供參考。