微型电动轿车再生制动分析*

庞小兰，邱梓楠

（1.广东理工学院，广东肇庆 526100；2.山东天博食品配料有限公司，山东济宁 272067）

0 引言

纯电动汽车续驶里程短的缺点严重制约了其发展，再生制动技术利用驱动电机回收制动能量，能够有效提升车辆的能量利用率，延长续驶里程[1]。其工作是在电动轿车处于减速或制动工况时，由于惯性作用车辆继续行驶，而电机处于发电状态，将部分动能转换为电能储存到动力电池中以重复使用的过程[2]。现在，世界各国和各大轿车品牌都十分重视再生制动技术的发展，如日本国家环境协会的经济性车实现了再生制动和液压制动的协调控制；丰田普锐斯再生制动受整车ECU控制，可以根据制动力矩需求和实际可用的再生力矩，决定摩擦制动力的大小；Volt 电动车提供了再生系统，可以更为方便地控制能量回收，提高回收力度[3]。国内的奇瑞、比亚迪等电动轿车公司均拥有再生制动系统。本文从再生制动的控制策略和制动回收效率等方面研究，从而提高电动轿车的能量使用效率，使电动轿车的巡航里程数有了较大的提升。

1 微型电动轿车再生制动基本原理

再生制动又称再生回馈制动，其原理是轿车在制动时电动机变为发电模式，同时通过传动系统接收轿车行驶时产生的惯性能量，使得电动机转子产生动能，电动机将转子上的动能转换为电能，并将其通过逆变器的反向二极管回馈到直流侧，为储能系统充电，实现能量的再生利用。与此同时，电动机切割磁感线产生的反作用力又可通过产生的电机制动力矩通过传动系统对驱动轮施加制动产生制动力，使传动系统形成制动力，对驱动轮施加制动，从而达到了制动的目的。

再生制动基本结构如图1 所示，当驾驶员踩下制动踏板减速时，电泵开始工作，通过液压调压器传输和调节液压制动力，液压传感器接收到信号变化时，就使轿车开始制动控制。调压阀开始工作，信号传递给ABS控制系统，调节制动力的大小防止车轮抱死。于此同时，再生制动控制系统开始工作，其会根据电动轿车所需的制动力调节机械轴动力和再生制动力的大小，按照一定比例为轿车提供制动；然后会回收车轮上溢出的能量，转化为动能驱动电动机发电，电动机产生的能量一部分转化为再生制动力继续提供给车辆制动，而另一部分则以电能的形式传输到蓄电池存储。

图1 典型微型电动轿车再生制动基本结构

2 微型电动轿车再生制动影响因素分析

微型电动轿车再生制动功能在实际行驶时会受到各种因素的影响，不能达到最佳工况，所以并不是所有制动能量都能被回收利用。因此在一般工况下，以下这些因素会影响电动轿车的再生制动效率。

（1）储能装置

蓄电池作为最常用的储能装置，在实际使用时因为不同的因素限制，其存储和释放电能的效率会受到影响。从表1可以看出，首先不同电池的额定电压不同；其次是当其比能量不同时，也就是蓄电池反应时单位质量的电极材料放出电能多少不一样，导致在相同体积电池反应时释放电能多少不一样。所以比能量越高，放出能量就越多，参与再生制动能量越高。而能量密度越高，则单位体积的电池所储存电量越高，就是回收再生制动能量就可以越多。还有电池的寿命长短更是重要，直接影响了整车的使用时间。因此对于以蓄电池为储能装置的纯电动轿车，蓄电池的状态对轿车的再生制动效率有很大的影响。

表1 蓄电池类型

（2）驱动形式

驱动形式不同就是轿车的驱动轮数不同，而对于电动轿车来说，再生制动只作用在驱动轮上，只有驱动轮上才能够回收制动能量。而从动车轮因为是单纯的机械制动，所以不存在制动能量回收。因此驱动轮的多少决定了回收能量的多少，从而影响了能量回收的效率。所以四轮驱动电动轿车的再生制动效率会比前轮驱动或后驱动的高。

（3）电机性能

采用电机驱动的电动汽车易于快速准确控制转速、调节转矩，能够实现制动能量回馈[4]。电机是产生再生制动力的主要工具，所以电机的性能直接影响再生制动的效率。当电动轿车制动时，电机产生的再生制动力的多少会影响到轿车的制动力分配。不同的电机性能和类型不同，其转速、功率、峰值、质量等因素都会影响回收能量的大小，因此选择合适的电机可以提高再生制动率。如表2 所示，当电机峰值效率越高，单位时间内做功越多，则产生的电能越高，回馈到电池内存储的电能就越多。且电机的可靠性保证了电机在工作时不会因为温度过高而有冷却时间，或者运行时出现故障导致再生制动效率降低。所以电机的性能也是影响再生制动的关键因素之一。

表2 电机类型及性能

（4）行驶工况

电动轿车在行驶时的行驶工况也会影响轿车的再生制动率。如在城市的路况下，因为车辆数目多，导致道路拥挤，加上存在行人等因素，轿车的制动次数较多，轿车的制动频频率高，代表着轿车的再生制动次数多，再生制动次数多就可以回收更多制动时产生的能量。而在高速公路或乡间公路的行驶路况下，因为车辆和行人都少，那么轿车制动次数就少，回收制动的能量就少。

（5）控制策略

对于市面上一般的电动轿车来说，再生制动控制策略主要是为了可以合理分配再生制动力和机械制动力的比例，使轿车在满足总制动力要求下，尽可能多地回收溢出的能量，回馈到蓄电池中。可是不同的控制策略会产生不同的效果，如理想制动力分配控制策略，其制动稳定性好，可回收的能量有限。而最小二乘法的最优制动控制策略就是舒适性一般，可回收的制动能量大。

除上以上几个主要影响因素外，适合的环境温度和驾驶工况、良好的驾驶习惯、合理的设计匹配等有利于提升制动能量回收效率[5]。

3 微型电动轿车再生制动能量流动过程分析

在电动轿车行驶的过程中，能量会不停地流动和转化，来应对各种工况和提供给车上一些附件使用。为了分析出影响电动汽车中制动能量回收的具体因素，对电动汽车在制动状态下产生的能量以及能量流动展开分析[6]。

驱动过程：轿车在驱动过程中，作为车上唯一的能源装置，蓄电池就会开始放电（有放电损耗），电能一部分给空调等附件使用，另一部分传递给电机，供电机运作。电机接收到电能后，把电能转化为动能（电机运作时有机械损耗），经传动系统传递给驱动轴（有传动损耗），驱动轴驱动车轮克服空气阻力、摩擦阻力等阻力后，化为整车的动能，驱动轿车行驶。

制动过程：当轿车制动时，整车的动能一部分被机械制动所消耗，另一部分经传动系统（有传动损耗）流向电机，此时电机反向运作，由驱动模式改为发电模式，为蓄电池充电（有充电损耗），把动能转化为电能经过电线流向蓄电池，把回收的动能存储在蓄电池中，完成能量回收。

4 微型电动轿车再生制动效率分析

在电动汽车制动时，机械制动力为F机械制动力，再生制动阻力为F再生制动阻力，汽车行驶时的阻力和为F，电动汽车减速至0所需要的合力为F合。则：

式中：C为空气阻力系数。

式中：f为地面摩擦因数。

以物理的动能方程式说明当电动汽车行驶的速度越快，汽车的动能就越高。

式中：Ebreaking为电动汽车开始刹车时所具有的动能，v为开始的减速度。

电动汽车在刹车过程中，需要将动能转移，其中转移的能量包含空气阻力等各种阻力所消耗的能量之和为EF，机械制动所消耗的能量为E机械制动，制动回馈的能量E制动回馈。因此，可以回收的能量则为电动汽车的总动能量减去由行驶阻力所消耗的能量和机械制动所消耗的能量。可回收的能量同时受到电机的效率影响，故设电机的效率为K，则再生制动能量可用下式表示：

式中：S为制动距离。

因此当轿车制动时，轿车的整备质量不变时，制动过程损失的动能就是随车速的变化而变化，车速变化越大，损失的动能就越大，当轿车的电机功率和蓄电池功率在制动时没发生变化，制动器处的机械制动消耗的能量越少，也就是再生制动力占总制动力的比例越多，则再生制动功率越大，那么在制动过程结束时存储在蓄电池中的能量越多，制动能量回收效率越高。

5 微型电动轿车再生制动控制策略分析

再生制动控制策略就是通过一定的方法，完成轿车在行驶过程中机械制动力和再生制动功力的分配。一个理想的再生制动策略可以提高轿车的再生制动效率和能量回收率。

（1）理想制动力分配控制策略主要原理是根据轿车的行驶工况，准确地检测到轿车前后轴的各自所需制动力，然后控制轿车的总制动力以理想分配曲线I分配到轿车的前后轮上，从而获得最大的制动力和最优的制动稳定性。图2 所示为理想制动力控制策略的前后轮制动力变化情况。

图2 理想制动力分配控制策略变化曲线

（2）并联控制策略的原理是将轿车总制动力分配给再生制动力和摩擦制动力，二者共同作用，从而满足轿车制动需求，其中，摩擦制动力以定比分配的方式作用在轿车前后轴上，电机再生制动力作用在驱动轴上，制动时，传感器检测制动主缸内的油压大小，检测到的数据经控制器换算为需求再生制动力，并将其传输给电机控制器，通过其控制电机提供需求再生制动力[7]。

（3）最小二乘法的最优制动控制策略的原理轿车在制动时，在不发生抱死的前提下尽可能多地把制动力分配给车轮，在前后轴制动力之和满足制动的总制动力需求下尽量采用电机制动，用再生制动力来对轿车进行制动，以此达到最大程度地回收轿车在制动过程中的能量。

（4）模糊逻辑控制策略是以一种智能化的算法去制定一个理想的控制器，解决一些数学模型无法很好表达的问题，再生制动的引入会影响电动汽车制动时的安全性与稳定性。为了在解决上述问题的同时最大限度回收制动能量，针对纯电动车结构特点，建立了再生制动模糊控制器，提出了基于模糊控制的再生制动控制策略[8]。

根据再生制动控制策略优缺点分析，不难看出理想制动力分配控制策略和并联控制策略能量回收的效果较差，不符合最优再生制动控制策略。而最小二乘法的最优制动控制策略和模糊逻辑控制策略回收效果较好，以比亚迪E6纯电动轿车为实验车型，比较两种策略的再生制动能量回收效果。

以最小乘二法的最优制动控制策略的原理和以模糊逻辑控制策略的原理分别对比亚迪秦的再生制动做了实验，测试了比亚迪E6 在两种控制策略中的再生制动能量回收效率。从比亚迪E6 的车辆制动测试可以得出如表3 所示的数据。由表可以看出，当制动强度小的时候，模糊逻辑控制法的回收效率优于最小乘二法的最优制动控制策略；可当制动强度上升的时候，最小乘二法的最优制动控制，策略的回收能量开始有了明显的增长，并且回收效率高于模糊逻辑控制策略。

表3 比亚迪E6 制动测试

在中国，汽车保有量基数大，在路上的车辆多、路况复杂，所以导致轿车的制动频率大，因路上的行人、单车和摩托车等在路上穿插，当轿车在30～50 km／h的车速下，司机为了躲避那些会产生危险的因素时，很多时候制动强度都会较大或者完全刹停轿车，那么在大的制动强度下，最小乘二法的最优制动控制策略的能量回收多，回收效率高，所以为最优制动策略。

6 结束语

本文对微型电动轿车再生制动的技术进行了分析，其内容主要包括了再生制动技术的工作原理、对再生制动技术的影响因素进行分析以及微型电动轿车再生制动系统运行时能量的流动过程分析。并对微型电动轿车制动控制策略进行了分析，先简述了何为理想再生制动的控制策略，再分析了多种典型的再生制动控制策略的优缺点，最后测试了典型车型在特定环境下的再生制动回收效率，得出了最优再生制动控制策。