电动汽车制动能量回收系统研究

王楠

摘要：近年来，由于能源危机和环保问题，电动汽车越来越受到人们的关注和青睐，全球各大汽车制造商也不断推出新的电动车型.电动汽车特有的电机和蓄电设备为回收利用制动能量提供了便利的条件。制动能量由车轮至蓄电设备的传递效率大致为68%，大大高于整车的平均能量利用率。因此，制动能量的回收利用可以有效提高整车能量利用效率。

关键词：电动汽车；制动能量；回收系统

与传统汽车相比，配备制动能量回收系统的电动汽车在制动过程中可将部分制动能量转化为机械能和电能，最终以化学能的形式储存到驱动电池中，从而提高电动汽车的能量利用率和续航里程等。

一、制动能量回收系统结构

制动能量回收系统包括摩擦制动和再生制动两个子系统。摩擦制动子系统由原有制动系统和增设的踏板位移传感器、液压控制单元组成，并且在液压控制单元和储液室之间增加了回油管路。为了不影响ABS 的防抱死功能，降低开发风险，液压控制单元设置在ABS 模块之前，制动主缸之后。再生制动系统主要由前轴驱动电动机和蓄电池储能系统两部分组成。此系统同样具备机械制动备份功能，当电气系统失效时，液压控制单元会放弃对管路液压的控制，保持制动主缸至轮缸管路畅通。驾驶员促动制动踏板可以保证制动效能和驾驶员的安全。

1. 驱动电动机。目前，大部分新能源汽车的驱动电动机均布置在前轴，也就是说电动机产生的再生制动力只施加在前轴上。同时驱动电动机的外特性决定了电动机当前转速下可输出的最大再生制动力，再生制动状态下电动机外特性如电动机转速较高时处于恒功率发电状态；转速较低时处于恒转矩发电状态。

2. 电池储能系统。电池储能系统通常布置在汽车的中后部。再生制动时，电池储能系统可以将电动机发出的电能储存起来以供再次利用。为了保障电池的性能和寿命，电池的充电功率不能过大，这也间接约束了再生制动功率的最大值。由于整个制动过程时间较短，电池的SOC、充电电压和温度变化很小，因此电池的充电电流可以表征其充电功率。

二、制动能量回收的影响因素

由再生制动时的能量流动可知，制动能量由车轮流至蓄电池，所流经的任何一个零部件都会对能量造成损失.但考虑到机械传动效率很高且稳定，因此影响制动能量回收的主要因素包括以下3部分：电机、蓄电池、液压制动系统。

1.电机。电机作为再生制动系统中能量形式转换的部件，对制动能量的回收起着至关重要的作用。电机的外特性决定了某一转速下再生制动力的最大值。电机的最大功率和基速决定了电机的功率特性.电机在基速以下时输出转矩保持恒定，功率与转速呈比例关系；基速以上时，输出转矩随转速增加不断减小，功率输出保持恒定。当车速很低时，电机的转速也会随之变得很低，此时电机产生的感应电动势很低，不能为蓄电池继续充电。

2.蓄电池。蓄电池是再生制动系统的储能元件，其性能和能量管理策略决定了蓄电池的工作状态，主要体现在SOC和最大充电功率两个方面。每一种电池都对SOC的运行范围有固定的要求，超出范围的过充和过放都会对电池造成不利的影响。例如，锂离子电池SOC 的运行范围是30%～70%，该段称为主动充电区域。当电池的SOC大于70%时，再生制动系统不再为蓄电池充电。由于整个制动过程时间很短，蓄电池的SOC、温度和内阻可认为保持不變，因此蓄电池的开路电压保持不变。同时为了保护蓄电池，每个电池都有最大充电电流的限制.整个制动过程蓄电池可以保持最大充电功率进行充电。电机的发电功率和电池的充电功率共同限制了再生制动功率的大小，进一步限制了再生制动力的最大值。

3.液压制动系统。由于电机再生制动的能力有限，同时考虑到电气系统容易出现故障，为了保证制动的安全性，液压制动系统对于电动汽车来说是必不可少的。但是再生制动力随车速不断变化，相应地摩擦制动力也要随之改变，以保持与传统制动系统相同的制动强度。因此，液压制动系统结构上比传统制动系统增加了液压控制单元，以精确、稳定地控制制动轮缸的压力，保证汽车良好的制动效能。液压控制单元对制动压力的控制能力间接影响到再生制动力的大小，本文中液压控制单元均理想化，为了最大化地回收制动能量，前轴再生制动力所占比例越大，汽车前后轴制动力分配曲线越偏离理想制动力分配线。但是，为了保障汽车基本的制动效能，前轴最大再生制动力不能突破。制动管路的布置形式会影响汽车制动效能和制动能量的回收。目前，汽车上采用最多的是管路，制动时前后制动器制动力成比例关系，这在一定程度上影响摩擦制动力和再生制动力的匹配自由度，轮缸处的液压值不能随意变化，但采用此种方式对汽车制动系统的改动最小。另外一种布置方式为布置，前后制动器制动力独立控制，摩擦制动力可与再生制动力任意匹配，使再生制动力在总制动力中占更高的比例。对于各车轮制动轮缸压力可独立调节的制动系统，前后制动器制动力可实现独立控制。

三、制动能量回收控制策略

1.制动能量回收系统控制方案。制动过程中，制动能量回收系统的制动控制ECU 通过检测传感器信号解释出驾驶员的制动意图及所期望的制动强度，并从整车控制器VMS 接收车速、蓄电池荷电状态SOC 等信息；再生制动控制策略会根据当前的电动机状态、电池状态和车辆状态计算出最佳的再生制动力和摩擦制动力，根据分配得到的摩擦制动力调节液压控制单元，将分配得到的再生制动力发送给电动机控制器MCU。

2. 制动力分配。制动力分配是制动能量回收控制策略中最为核心的部分。制动力分配直接关系到汽车制动能量回收和制动效能。从制动能量回收的角度，越多的前轴再生制动力参与制动则可回收的制动能量就越多；但前、后制动力分配线偏离（理想制动力分配线）也会越多。因此，制动力分配既要保证汽车的制动效能还要尽可能多地回收制动能量会受到很多限制，最主要的是电功率限制、ECE 法规的限制和线限制。理论上，汽车完全由再生制动力进行制动，便可实现最大程度地回收制动能量。但由第一部分的分析可知，电动机的发电能力和电池的充电能力都是有限的。因此，电动机的发电功率和电池的充电功率共同限制了可回收制动功率，也就等同于限制了再生制动力的最大值。二是驾驶员踩下制动踏板时，车速较高，电动机可提供的再生制动力较小，需要摩擦制动力补偿，以实现驾驶员的制动意图。随着车速的降低，再生制动力的最大值有所增大，当驾驶员再次轻踩制动踏板时制动强度低，再生制动力足以满足总制动需求，此阶段汽车处于纯再生制动阶段。当车速低至10 km/h时，电动机转速过低，无法产生足够的感应电动势为电池充电，再生制动力减小至零。此时，驾驶员明显感到制动强度不够，继续踩下制动踏板，由摩擦制动力实现停车功能。通过再生制动，在大约30s的制动时间内，电池的SOC 增长了4%，有效地回收了制动能量。针对整个循环工况，制动能量回收效率达到了59.15%。

本文的整个系统结构简单，对原制动系统改动小，可靠性高，成本低。开发了一套再生制动控制策略，考虑到电动机的发电能力和电池的充电能力，同时还以ECE法规的约束保证汽车的制动效能。

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