新能源汽车制动能量回收控制策略优化分析

邵鸿佳

(同济大学，上海 201804)

0 前言

传统汽车制动方式是以机械制动或摩擦制动为主。制动过程会消耗部分动能，并且大部分能量会被转化为热能而散失，造成极大的能量浪费。电动汽车在进行制动时，可以基于驱动电机的可逆性，及时由驱动状态转换为发电状态。合理利用制动能量回收，能够将制动过程中产生的能量进行利用，并传输回电池系统，达到良好的能量回收效果。当前，国内外学者在这方面的研究已经逐步深入，并应用于设计方案中。本文在简要概述新能源汽车制动能量回收控制策略的基础上，基于能量回收控制基本原理和系统设计原则提出相应的优化策略，以期为相关研究提供参考。

1 新能源汽车制动能量回收控制策略优化的意义

在我国新能源汽车行业高速发展的背景下，关于制动能量回收控制方面的研究也越来越丰富。不少学者从制动力分配策略、电机性能、储能装置性能状态、再生制动系统结构、行驶工况等各个方面，提出了关键技术原理及应用要求[1]。部分技术已经开始应用于生产中，并取得了良好的应用成效。但是，由于制动能量回收控制的应用需要综合考虑系统的安全可靠性及成本等因素。故在实际应用中，还需对能量回收策略作进一步优化，确保回收效果达到最优化水平，加快新能源汽车技术的迅速发展，提升新能源汽车市场竞争力，促进该行业的可持续发展。

2 新能源汽车制动能量回收控制的基本原理

2.1 驱动电机特性

驱动电机是新能源汽车的核心部件。在当前技术条件下，汽车厂商应用的驱动电机类型主要有开关磁阻电机、异步电机、永磁同步电机和直流电机等类型。不同类型电机在功率密度、质量、体积、转速范围、可靠性等参数性能上有着较为明显的差异。其中，永磁同步电机应用较为广泛，其次是异步电机，其余2种电机类型应用较少[2]。永磁同步电机运行原理是基于逆变器将电流转变为三相交流电，在流过定子绕组结构时，感应出一定强度的空间磁场。受磁场作用影响，转子输出电磁转矩并开始旋转，直至达到与旋转磁极转速同步状态。基于永磁同步电机转速与输出转矩的正向和反向的各自不同状态叠加，车辆可呈现出正常行驶、制动、倒车等运行状态。当车辆由正常行驶模式转变为制动模式时，电机转子依然保持旋转状态，电动势能变换为向车载电池充电，从而实现能量回收。

2.2 前后轮制动力分配

制动能量回收的前提是确保车辆在制动时保持安全稳定的运行状态。因此，在优化能量回收控制策略时，首先考虑车辆前后轮的制动力分配，并以此制定不同的制动工况：在所需制动力较小的情况下，可以将车辆的制动力需求分配至电机制动来实现；在需要较大制动力的情形下，应当利用电动制动和机械制动相结合的方式，确保车辆行驶安全和制动稳定性；在紧急制动情形下，则必须完全利用机械制动，以确保制动效果达到安全运行要求。基于理想制动力分配曲线和欧洲经济委员会(ECE)法规曲线，可以计算出车辆在制动状态下的路面附着系数，以此为基础进行制动力分配[3]。

2.3 制动能量回收影响因素

车辆在运行过程中进行制动时，受力主要分为车轮制动力和阻力。其中，阻力又包括滚动阻力、空气阻力和坡道阻力3种类型。制动回收能量效率主要受到电机传动、发电效率及车载电池充电效率的影响[4]。在进行控制策略的优化时，首先要考虑选择性能较高的电机，能够支持制动能量回收；其次是进行能量回收至储能装置环节的优化设计，能在准确分析充电原理及充电方法的基础上，选择合适的充电策略，更好地提升能量回收环节的充电效率；再次是利用算法模型对控制策略进行优化，确保电机在制动过程中能够达到制动能量回收的最优化状态。

3 永磁同步电机的制动能量回收控制系统设计

3.1 永磁同步电机矢量控制

永磁同步电机运行具有强耦合且非线性时变属性，在该运行状态下的数学模型构建较为复杂。在矢量控制解耦过程中，首先需建立矢量磁场控制模型，建立三相静止坐标状态方程，再利用相应的坐标系转化，分解为两相同步旋转坐标系状态方程。在进行坐标系的转化分解时，需利用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)，对单个开关周期的3个基本电压矢量进行等效调整，在最终矢量平均值与目标电压矢量平均值达到相等的情形下，实现电机运行状态的精确控制。实现SVPWM算法，需对扇区进行计算和判断，将每个扇区分成6个扇区，根据计算结果得出每一扇区的对应关系。之后，对开关时间和驱动开关管切换时间点进行计算，利用Matlab和Simulink软件进行控制器的模型搭建与仿真计算。基于仿真结果分析，可以根据负载转矩幅值在不同时间段内的变化情况，获得电机转速随之变化的情况，相应调整电机的运行状态，以保持车辆的平稳行驶。

3.2 制动能量回收系统设计

当前，部分新能源汽车的制动能量回收系统设计通常采用驱动电路与储能系统直接连接的方式。在实际运行中，由于制动能量回收系统无法精确控制储能电池的充放电电流，对动力电池造成了不同程度的影响[5]。基于永磁同步电机矢量控制原理，在能量回收系统的设计过程中需重点关注驱动电路与储能系统的电气隔离，更为精准地控制能量回收系统运行中的充放电电流，确保电池使用安全和使用寿命在设计要求的范围内。

从硬件设备和性能管理角度进行分类，制动能量回收系统主要包括储能系统、双有源桥(DAB)变换器、超级电容和电机控制系统4个组成部分。其中，电机控制系统主要是控制电机产生的阻力转矩，以实现制动功能。DAB变换器有两方面的作用：①将超级电容中积存的能量传输并保存至储能系统；②利用双向传输功能，将储能系统中的能量传输至电机控制系统，产生驱动能。超级电容的作用则是在能量回收及车辆起动环节起到有效缓和电流冲击的作用，尽量避免高瞬时功率对动力电池带来的影响。

3.3 最大充电电流

电池最大充电电流方面的研究起始于20世纪60年代。在之后的研究中显示，充电过程中的每一时刻，都需要对该时刻的最大充电电流进行限制。当充电电流超出限制时，电池不仅会出现不良反应，甚至还会出现不可逆的损坏。如何在不影响电池寿命的前提下，尽量提升充电电流，提升充电效率，同样是制动能量回收控制系统设计需要考虑的问题[6]。在设计中，研究人员需要根据动力电池特性，灵活采取不同的充电策略，并对制动能量回收系统的充电方式进行优化。

4 新能源汽车制动能量回收模糊控制策略

4.1 模糊控制的基本原理

由于新能源汽车制动能量回收控制系统运行比较复杂，采用模糊控制原理进行优化，是实现制动能量回收控制策略优化的基本路径。在本研究课题中，基于制动能量回收电路的结构和运行动态，利用Matlab和Simulink软件对DAB变换器进行建模，并进行双向传输状态下的仿真试验，以验证搭建模型的准确性。之后，研究人员将模型与电机控制系统模型进行联合建模，构建完整的全系统模型，并对驱动状态及制动能量回收状态进行仿真试验。

4.2 模糊控制器设计

模糊控制器的设计主要考虑制动强度、电池荷电状态及车速这3个参数。基于上述3个参数的输入，最终确定了电机制动力的分配系数，将制动强度模糊子集划分为中低、中、高3个范围，将电池荷电状态模糊子集划分为低、中、高3个范围，将车速模糊子集划分为低、中、高3个范围，最终得出输出制动力分配的5种模糊子集：很低、低、中、高、很高。在添加制动时间间隔约束条件下，基于仿真试验，得出制动力分配系数，构建完善的模块控制器设计模型，有效控制最大充电电流，达到减少充电次数，确保车辆行驶安全，提升能量回收效率的目的。

4.3 优化内容

基于永磁同步电机工作原理和特性，对新能源汽车制动能量回收控制策略进行了优化，在保障车辆制动稳定性的前提下实现最大程度的制动能量回收，并对前后轮制动力分配策略进行了优化。

利用DAB变换器所具有的双向传输特性，进行联合建模，搭建基于SVPWM的控制模型、DAB变换器的控制系统模型，进一步研究电机控制系统在驱动状态及能量回收状态下的制动能量回收电路结构的有效性和可行性。通过计算，可得出电池最大充电电流参数，从而确保回收系统运行的安全性，并确保运行效率达到最优化水平。

基于模糊控制策略，以电池荷电状态、制动强度制动间隔时间及车速为输入变量，以制动力分配系数作为输出量，得出了模糊控制器设计方案，达到了协调电机制动力和机械制动力的目的，有效提升了制动能量回收效率。

4.4 控制策略应用要点

基于本研究课题所设计的控制器模型，结合车辆动力学模型，初步验证了设计方案，并在符合我国实际道路工况的条件下进行了联合仿真试验，进一步验证了模糊控制器在充电次数、电池保护等方面的效果。

在后续研究中，还需综合考虑系统运行中温度变化对电池的影响，并考虑制动能量回收时制动距离变化等方面的因素。在综合考虑更多因素的情形下，构建更为复杂的模型，更好地提升模型的精准度，在各种工况下确保模型精准度都能达到最优化状态，并进行了后续试验验证。

后续应用还需要对制动能量回收系统与制动防抱死系统(ABS)进行协调控制，以确保车辆可以在能量回收系统运行过程中实现安全行驶。需要说明的是，本研究课题将轻型前驱新能源车型作为试验对象，因此无法适用于其他车型的相关研究。在进一步研究中，还需深入分析制动能量回收控制系统运行对车辆运行稳定性的影响。

5 结语

当前，在我国新能源汽车高速发展的背景下，制动能量回收控制方面的研究相对还较为薄弱，在实际应用中还无法完全达到最优化状态。基于新能源汽车使用场景特征，作好制动能量回收策略的优化，能够将制动能量回收率提升至20%以上，甚至可以向更高水平发展。在确保制动效果的同时，制动能量回收控制能够有效增加车辆15%以上的续航里程。因此，在未来新能源汽车技术研究体系中，还需进一步深入制动能量回收控制方面的研究，进一步提升新能源汽车的能量利用效率，提高产品市场竞争力，为新能源汽车产业的健康发展和生态环境保护作出积极贡献。