纯电动汽车制动能量回收系统关键技术现状分析

王静怡　吴涛　吉麒麟

摘 要：文章以制动能量回收控制策略为核心，展开制动能量回收系统关键技术现状分析。首先重点阐述制动能量回收前后轴制动力与电-液制动力分配原则与技术要点。其后提出电机性能、储能装置性能状态、再生制动系统结构、行驶工况四类关键因素对制动能量回收的影响，并对其关键技术的研究现状进行综合分析。最后提出制动能量回收系统未来的研究方向。

关键词：制动能量回收 制动力分配 控制策略 影响因素

Analysis of the Status Quo of Key Technologies for the Braking Energy Recovery System of Pure Electric Vehicles

Wang Jingyi，Wu Tao，Ji Qilin

Abstract：This article takes the braking energy recovery control strategy as the core to analyze the current situation of the key technologies of the braking energy recovery system. Firstly， it focuses on the principle and technical points of braking energy recovery front and rear axle braking force and electro-hydraulic braking force distribution. Afterwards， four key factors including motor performance， energy storage device performance status， regenerative braking system structure， and driving conditions are proposed to affect the braking energy recovery， and the current research status of its key technologies is comprehensively analyzed. Finally， the future research direction of braking energy recovery system is proposed.

Key words：braking energy recovery， braking force distribution， control strategy， influencing factors

1 引言

纯电动汽车在排放、结构、技术上的巨大优势让其成为汽车发展的重要方向，但其续航里程短的问题是制约纯电动汽车发展的主要因素。因此制动能量回收系统的研究对提高能量利用率，延长车辆续航里程十分重要。研究表明由于电机参与制动，电机通过内部转子切割定子绕组磁场产生反电动势回收电能，并产生制动扭矩。然而制动总能量中具体能有多少能量作为电能回收还受多方面制约因素的影响。如制动系统结构、制动力分配策略、电动机和电池工作特性、传动系统特性、各部件及传递线路损耗和控制器损耗等[1]。

本文将这些制约因素进行分类，并综合阐述各制约因素对制动能量回收系统的影响以及为提高能量回收效率针对各类因素进行优化研究的研究现状。

2 制动力分配策略模式

再生制动控制策略是制动能量回收技术的核心，策略在满足制动安全法规的要求下，解决前后轮上制动力的分配问题及电机制动力与机械制动力在驱动轴上的分配问题。一方面实现制动稳定性，另一方面改善再生制动控制效果，提高能量回收率。制动能量回收系统的研究都是基于控制策略的优化与拓展。

2.1 前后轴制动力分配

由于电机的参与，电动汽车在制动时前后轴的制动分配不再按照燃油车以固定制动力分配系数分配，此时的分配系数将是一个变动的值。所以从提高制动稳定性及能量回收率考虑，制动器制动力分配系数变动范围必须要合理。

从汽车理论知道，汽车在制动时前后车轮同时抱死是一种理想状态，此时可以充分利用地面附著力以免车轮打滑，并且保证汽车方向稳定性最高。因此制动力优化分配都要求前后制动力分配尽可能在理想的制动力分配曲线I附近。

另外基于制动时方向的稳定性考虑，前后轴的制动力分配还必须以ECE法规为依据。ECE规定：汽车利用附着系数在Φ=0.2—0.8之间时，要求汽车制动强度满足Z≥0.1+0.85（Φ-0.2）;并且为避免后轮先于前轮抱死而导致侧滑，ECE还规定前轴的利用附着系数要大于后轴的利用附着系数。根据约束条件可得到ECE法规边界曲线，又称为M曲线。按照要求当前后轴制动力优化分配位于M曲线上方及I曲线下方区域时，能满足制动法规的要求。

2.2 电-液制动力分配

为确保制动过程的安全可靠性，纯电动汽车并不会摒弃原有机械液压制动系统。机械制动系统与电机再生制动系统在驱动轴上组成复合制动结构，该结构对电机与机械摩擦制动力的分配可分为串联制动与并联制动[2]。

2.2.1 串联制动

串联制动首先考虑电机制动力参与制动，当电机制动力小于需求总制动力时，机械液压制动力再参与制动弥补剩余制动力。这种制动方式能使电机制动得到最大化利用，制动能量回收效率高，但其结构和控制系统复杂，成本高。

2.2.2 并联制动

并联制动是电机再生制动力与机械液压制动力按照固定比例同时参与制动[3]。再生电机控制器确定制动力是基于液压制动之上需要加载的电机制动力矩，并且该力矩由整车静态制动力分配关系、电机转矩特性、驾驶员制动感觉以及轮胎与路面附着特性等方面综合确定[4]。以往的研究中并联结构通常采用模糊控制、模型预测控制、滑模变结构控制等算法，优化电液复合制动分配比例。

3 电机性能

电机制动力的大小是影响能量回收的关键。学术界对电—液制动力分配方式基本达成一致，即在电机能力允许的范围内尽量使电机所占的制动比例增大。

电机向电池充电过程中，会由于转子定子电阻、铜损、热损耗等问题导致电机并不能将再生制动力完全转换成电能，因此再生制动力的大小受到电机发电功率影响。在高强度制动下考虑到制动安全性，需要电机和摩擦制动协同参与，因此能量回收控制策略制定时因充分考虑电机性能和行驶状况，以实现电机制动力最大化。

现目前基于电机特性角度出发设计能量回收控制策略的研究十分广泛。如王茹洁等基于最优制动能量回收控制策略，采用粒子群优化算法优化出恒定电机转速下，电机有效发电功率达到最大时的转矩值，再利用最小二乘法拟合出电机有效发电功率最大时对应的电机转速与再生制动转矩关系曲线进行控制策略的建模，仿真得到28.71%的有效回收率。熊会元等以理想制动力分配与ECE法规为约束，对双轴驱动电动汽车制动能量回收进行研究，文献基于电机map特性构建电机利用效率最大化的转矩分配模型，获得了前后电机转矩的最优分配规律，并以此设计再生制动力分配策略，研究表明该策略制动能量回收效率达到80.94%。

4 储能装置性能状态

能量回收的多少还受储能方式（电池类型或结构）以及电池充电能力的限制，在储能方式已定的条件下，制动过程中需要避免因电池充电功率过高损坏电池，缩短电池寿命。因此按照规定，只有在电池SOC值较低时才触发回收系统回收能量，当SOC>0.9时，则不进行制动能量回收。所以制动能量回收需充分考虑SOC当前大小合理回收能量。如白志峰等提出了基于蓄电池充电电流的控制策略，通过仿真分析验证了该策略可以在保证车辆制动安全性的前提下保护蓄电池。

另外以储能装置作为侧重点进行优化能量回收效率的研究也有许多，如高建树等研究机场电动牵引车复合能源系统的制动能量回收效率，在理想制动力分配和模糊控制电液制动力分配的基础上，采用超级电容和DC/DC串联再与铅酸电池并联的拓扑结构，对制动中中速段与低速段电能回收进行分段控制，研究表明该复合能源结构低速下的能量回收效率更高。

5 再生制动系统结构

电机制动力与机械制动力的耦合形式不同，液压调节单元的构型就不同，也会导致系统软件执行层的控制不同，进而影响制动能量回收率。为保证制动系统工作可靠性，制动法规要求行车制动器的液压管路至少有两个互相独立的回路，市面上汽车常见制动管路布置形式有Ⅱ型和X型。

主要研究有杨坤等提出了基于ABS电磁阀压力调节特性的解耦式制动能量回收控制策略，通过在原有制动系统的基础上增加2个压力传感器，再利用现有ABS电磁阀作为解耦装置，来实现电机制动力与机械制动力的精确耦合，从而准确跟踪驾驶员制动需求，最大化利用电机制动提高能量回收效果。张炳力等采用X型双管路布置的真空助力带电动真空泵的液压制动系统，对基于I曲线的前后轴制动力分配与串联式的电液制动力分配能量回收控制策略仿真，并搭建实车台架试验验证该策略能实现能量回收目标，整车电池SOC的消耗降低了7.5%。王猛等人改进了电动汽车液压制动系统，增设了液压控制单元和踏板位移传感器，并开发新的控制策略在燃料电池汽车上进行试验研究。

6 行驶工况

从能量回收的角度，不同行驶工况要求汽车加、减速的次数与时长不同，进而影响回收能量的多少。城市循环工况交通流量大且红绿灯设置多，要求汽车频繁制动且制动时间长，可回收能量多。高速公路工况制动次数少且多为紧急制动，可回收能量少。从制动安全角度，不同路面附着系数会影响制动时制动强度的大小，从而影响制动能量回收。如干沥青水泥路面路面附着系数高，制动时可以获得较大制动力与较好的方向稳定性。

昌诚程等基于I线和ECE法规边界曲线设计两种前后轴制动力分配方式，采用路面识别模块，根据不同路面附着系数动态调整控制策略，可实现保证制动安全的前提下提高能量回收效率。郭金刚等结合理想制动力分配控制策略研究单次工况对能量回收效果的影响，通过计算不同制动初速度下能量回收最大的最優制动强度，再以能量回收最大化为目标，提出一种再生制动能量回收最优的控制策略。

7 总结与展望

制动能量回收控制策略涉及的影响因素众多，目前众多学者对其各个影响因素展开了不同深度的研究并取得了较好的成果。以后的制动能量回收控制策略研究可以从以下几个方面继续展开研究。首先，涉及电池因素对再生制动回收研究的影响时，大多数研究者只考虑了SOC值，并未考虑到电池温度对电池充放电速率的影响，因此后续研究可结合电池SOC值与电池温度对控制策略进行改进。其次，大多数研究者在设计制动回收控制策略时，将控制条件设置在触发ABS系统之前进行能量回收，但实际应用中应更多的考虑制动能量回收系统与ABS系统的协调控制，以提高制动安全性考虑设计更综合的控制算法。最后，基于一些客观因素的限制，大部分研究者的研究采用理论仿真的方式，后续可更多的设计实车实验验证控制策略的效果并兼顾实车运行过程中的影响因素。

参考文献：

[1]郭金刚，董昊轩，盛伟辉，涂超.电动汽车再生制动能量回收最优控制策略[J].江苏大学学报（自然科学版），2018，39（02）：132-138.

[2]叶敏，郭金刚.电动汽车再生制动及其控制技术[M].北京：人民交通出版社，2013：10-11.

[3]窦建明，田文朋，李嘉波.电动汽车电-液并联ABS制动系统能量回收研究[J].测控技术，2018，37（11）：148-152+157.

[4]葛恒勇.纯电动汽车再生制动控制策略研究[D].西华大学，2016.