电动汽车再生制动系统分析*

方春杰 李军

（重庆交通大学）

电动汽车作为一种新型代步工具，凭借自身安装的电机，可以实现再生制动功能，从而实现制动能量的回收[1]。由于再生制动系统能够使能量利用率有所提高，从而增加电动汽车的续驶里程，因而它在电动汽车中占有重要地位。文章以电动汽车再生制动系统为研究对象，在介绍其结构分类的基础上，分析再生制动的影响因素和控制策略。

1 再生制动系统结构

电动汽车再生制动系统的结构按驱动电机的布置形式大致可分为中央电机式、轮边电机式和轮毂电机式3类。其前轮驱动形式下的具体结构，如图1所示。

图1 电动汽车再生制动系统结构

以上3种系统中，由于轮毂电机式再生制动系统去除了机械连接，全部采用电力连接，机械损失减少，因而其能量回收效率较高。但是该系统的不足之处是轮毂电机制造成本相对较高。

2 再生制动影响因素分析

再生制动的影响因素很多。其中主要的影响因素有电机的特性、蓄电池组的状态、行驶工况、驱动形式以及控制策略。

2.1 电机特性的影响

电动汽车再生制动过程中，电机的输出特性必须满足工作要求。电机的再生制动转矩为[2]：

式中：T——电机再生制动转矩，N·m；

Pn——电机额定功率，kW；

nb——电机基速，r/min；

n——电机转速，r/min。

T越大，其能提供的最大再生制动力就越大，有利于提高制动能量回收效率，从而充分地回收制动能量。由公式可知，电机的转速及其发电功率对再生制动转矩的大小起限制作用，若制动强度过大，电机无法满足工作要求[3]。此外，若电机发电功率越大，则能提供给电池的充电功率也随之增大，制动过程中回收的能量同样就越多[4]。

2.2 蓄电池组状态的影响

蓄电池组的荷电状态（SOC）值、蓄电池组温度、充电电流以及充电功率都会限制蓄电池组的充电效率[5-6]。当蓄电池组SOC值很高或者温度过高时，为了保护蓄电池组，延长电池组的使用寿命，均不允许进行制动能量回收。蓄电池组温度会因为充电电流过大而迅速升高，此时也不允许进行制动能量回收。此外，电池组的充电功率不可高于允许的最大充电功率。

2.3 行驶工况的影响

行驶工况影响电动汽车制动能量的回收。不同的工况下，制动强度与制动频率存在差异，因而能量回收效果也存在较大差异。在城市工况下，特别是早晚出行高峰期，交通比较拥堵，电动汽车需要频繁地起停，制动的频率较高、制动强度较大，因而回收的能量相对较多[7-8]。而在乡村道路或高速公路工况下，行车过程制动频率较低，制动强度相对较小，因而回收的能量相对较少。

2.4 驱动形式的影响

驱动形式一般可分为前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动。电动汽车制动过程中，驱动电机产生再生制动力，且只将其作用于驱动轮，因而再生制动系统回收的制动能量也只能来源于驱动轮。

汽车制动时，由于存在向前的惯性，与后轮附着条件相比，前轮附着条件更加良好，而且前轮制动力大于后轮制动力，因此，在相同条件下，前轮驱动回收的能量更多。此外，与两轮驱动形式相比，四轮驱动形式下，电动汽车具有更强的再生制动能力，能够回收更多的制动能量。

2.5 控制策略的影响

为了实现能量充分回收，需要合理地设计再生制动与机械制动的分配关系，同时也必须考虑前后轴制动力的合理分配，以确保制动的安全性。制定合理的控制策略有利于提高能量回收效率，因此控制策略对制动能量回收具有重大的影响[9]。

3 再生制动控制策略分析

制定再生制动控制策略的目的就是为了实现对机械制动力和再生制动力的合理分配。为保证控制的合理性，再生系统控制策略应满足以下要求[10]：

1）合理分配再生制动力和机械摩擦制动力，以不影响制动性能为前提，尽量最大化地回收制动能量，从而使汽车的续航能力有所提高；

2）合理分配前后轮轴上的制动力，以达到稳定的制动效果，保证汽车行驶的稳定性；

3）控制策略应与ABS，ASR，ESP等系统相融合，不影响其制动性能。

针对不同车型再生制动系统的特点，国内外学者提出了不同的控制策略。文献[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种能量回收控制策略；文献[12]提出了基于人工神经网络方法的最佳制动力分配控制策略。文献[13]提出了虑及变速器挡位影响的分段复合再生制动控制策略。在一定程度上，上述3种控制策略均能提高再生制动系统的性能，具有一定的理论参考价值，但这些控制策略仅局限于理论层面上的研究或者处于虚拟仿真阶段，大多数没有得到实际应用。

目前，常见的控制策略有理想制动力分配控制策略、并行再生制动控制策略和最佳制动能量回收控制策略。此外，国内外相关研究人员还提出了诸多其他的控制策略。

3.1 理想制动力分配控制策略

该控制策略要求前后轮制动力严格按照理想制动力分配曲线（I曲线）进行分配，具体分配关系，如图2所示。

图2 理想制动力分配控制策略分配关系

以满载为例，当驱动轴所需要的制动力未超过电机提供的再生制动力时，电机为驱动轴提供所需的制动力，而机械制动系统提供非驱动轴所需的制动力（如图2中A点所示）；当驱动轴所需要的制动力大于电机提供的再生制动力时，电机为驱动轴提供最大的再生制动力，不足部分的制动力由机械制动系统提供，非驱动轴的制动力则全部由机械制动系统提供（如图2中B点所示）。

在该控制策略下，地面附着条件能够得以充分利用，制动系统具有良好的制动效果，同时可以实现能量回收的最大化；但该控制策略需要特定的制动操纵机构与智能化程度较高的控制器，才能对前后轮制动力进行独立精确控制，且控制系统复杂[3]。由于市场上大多数电动汽车仍然沿用传统的制动操纵机构，无法严格按照I曲线对再生制动力和机械制动力进行合理分配，其协调控制难度大，因此该控制策略还未得到实际应用[10]。

3.2 并行再生制动控制策略

并行再生制动系统的再生制动只分配给驱动轮，而机械制动力在前后轮上按一定比例进行分配[10]，其原理如图3所示，图3中，β线为实际前后轮制动器制动力分配线，M线为ECE制动法规下前轮抱死时后轮必须具有的最小制动力分配曲线。其具体的分配关系为[14]：

1）当制动强度（z）＜0.1时，为了提高制动能量回收总量，系统进入纯再生制动模式，制动系统制动力完全由驱动电机提供；

2）当0.1≤z＜0.7时，系统进入机械制动和再生制动的复合制动模式，机械制动力和再生制动力共同承担系统所需制动力；

3）当z≥0.7时，为了提高制动稳定性和制动效能，缩短制动距离，系统进入纯机械制动模式，机械制动系统为电动汽车提供全部制动力，且前后轮制动力按β线分配。

图3 并行再生制动控制策略分配关系

该制动控制策略仅需对电机再生制动力的大小进行控制，而无需对机械制动力的大小进行控制，执行机构结构简单可靠，制造成本低，易于实现[15]。即使再生制动失效，仍可依靠机械制动实现安全制动，能够较好地满足ECE制动法规的要求。但是由于该制动控制策略及其执行机构较为简单，因而很难兼顾制动稳定性和能量回收最大化的要求。与其他2种常见的控制策略相比，采用该策略制动过程回收的能量相对较少[16]。

3.3 最佳制动能量回收控制策略

最佳制动能量回收控制策略的控制思想是[17]：在保证前后轮不发生抱死的前提下，优先考虑系统制动力矩完全由驱动轮提供。当电机提供的最大制动强度能够满足制动系统需求时，使电机的发电能力得到充分发挥，再生制动系统提供全部制动力，实现回收能量的最大化。当制动系统所需的制动强度超过电机能提供的最大制动强度时，电机提供最大再生制动力，不足的制动力由机械制动力进行补充。具体分配关系，如图4所示。

图4 最佳制动能量回收控制策略分配关系

由上述控制思路可知：理论上而言，最佳制动能量回收控制策略可以实现制动能量回收的最大化，但其对路面附着系数的变化比较敏感，且需要精确控制机械制动力和再生制动力的合理分配，对控制系统的要求较高，因而实现该控制策略需要智能化程度高的控制器，对技术要求很高，难于实现。

4 结论

文章对电动汽车再生制动系统结构进行了介绍，将制动能量回收和制动力分配作为2个基本出发点，分析了电动汽车再生制动的影响因素和控制策略。针对常见控制策略，对其优缺点进行了总结与分析。通过对比分析可得：并行再生制动控制策略和混合并联控制策略由于其控制系统结构比较简单，控制技术易于实现等独特优点，非常适合电动汽车研究与发展的需要。