樊少軍 薛建高 左華山 范樹軍

（第二炮兵工程大學(xué)士官學(xué)院）

由于受電池和電機(jī)等技術(shù)的限制，純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程短和成本高這2個(gè)問題嚴(yán)重地阻礙了其商品化。再生制動(dòng)可以通過電機(jī)將汽車的動(dòng)能或者勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中以備下次驅(qū)動(dòng)所用，這樣就可以降低純電動(dòng)汽車的能耗，提高純電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性能。因此，在目前的純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研究中，再生制動(dòng)已成為一種降低能耗、提高續(xù)駛里程和汽車節(jié)能與環(huán)保的關(guān)鍵技術(shù)手段，而再生制動(dòng)的實(shí)施要基于良好的電液制動(dòng)系統(tǒng)和有效的綜合控制策略。文章主要論述再生制動(dòng)系統(tǒng)的意義、工作原理和電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略。

1 純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)的概念

1.1 純電動(dòng)汽車能量損耗情況介紹

與傳統(tǒng)汽車相比，能夠進(jìn)行再生制動(dòng)是純電動(dòng)汽車的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，這樣既可以提高純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，又可以減輕傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的工作負(fù)荷。汽車在工作過程中各部分消耗的能量占總能耗的比例[1]，如圖1所示。

從圖1可以看出，大約只有一半的驅(qū)動(dòng)能量用于汽車的正常行駛。如果能將制動(dòng)消耗的能量回收再利用，同樣的距離將只需要大約一半的驅(qū)動(dòng)能量，汽車的能耗經(jīng)濟(jì)性將得到很大的提高。然而傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦制動(dòng)使得這一部分能量都以熱能的形式耗散掉了。因此在純電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

1.2 純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的研究現(xiàn)狀

純電動(dòng)汽車采用電制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動(dòng)能回饋給蓄電池以對(duì)其充電，對(duì)延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。國(guó)外有關(guān)研究表明，在存在較頻繁的制動(dòng)與啟動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下，有效地回收制動(dòng)能量，可使純電動(dòng)汽車的行駛距離延長(zhǎng)10%～30%。制動(dòng)能量回收要綜合考慮汽車動(dòng)力學(xué)特性、電機(jī)發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車最重要的特性之一是顯著回收制動(dòng)能量的能力。在純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)可被控制作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而將汽車的動(dòng)能或位能變換為電能，并儲(chǔ)存在能量存儲(chǔ)裝置（各種蓄電池、超級(jí)電容、超高速飛輪或者它們之間的復(fù)合）中，得以再次利用，以延長(zhǎng)其續(xù)駛里程。而制動(dòng)能量回收較有意義的汽車還有城市公交車，城市公交車工況參考數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 城市公交車工況參考數(shù)據(jù)

由表1可知，其減速的功率較大，達(dá)到-100～-50kW（這也是因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車或混合動(dòng)力電動(dòng)汽車本身裝備了一個(gè)較大功率的電動(dòng)機(jī)，使得回收制動(dòng)能量可行），占的時(shí)間比約為24%，制動(dòng)消耗的能量占牽引能量的比重較大。由于城市公交車目前一般為內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力，故如何低成本有效回收其制動(dòng)能量具有一定的難度。

對(duì)于汽車，成功地設(shè)計(jì)其制動(dòng)系統(tǒng)必須始終滿足2個(gè)截然不同的要求。首先，在緊急制動(dòng)狀態(tài)下，必須促使汽車在盡可能短的距離中停止；其次，必須保持對(duì)于汽車方向的控制。前者要求在所有的車輪上制動(dòng)系統(tǒng)能供給足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，后者要求在所有的車輪上平均分配制動(dòng)力。一般而言，當(dāng)純電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車減速、在公路上放松加速踏板巡航（有相關(guān)的算法判斷）或踩下制動(dòng)踏板停車時(shí)，再生制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)。正常減速時(shí)，再生制動(dòng)的力矩通常保持在最大負(fù)荷狀態(tài)；純電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車高速巡航時(shí)，其電動(dòng)機(jī)一般是在恒功率狀態(tài)下運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)扭矩與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或車速成反比。因此，研究純電動(dòng)汽車的制動(dòng)模式也非常重要。

由于制動(dòng)能量回收工作主要在城市工況下有較大意義，而城市工況車輛的最高車速不會(huì)太高，且緊急制動(dòng)的概率較小，所以應(yīng)將研究重點(diǎn)放在中輕度剎車制動(dòng)能量回收方向上。

圖2示出電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合示意圖。電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)力矩通常不能像傳統(tǒng)燃油車中的制動(dòng)系統(tǒng)一樣提供足夠的制動(dòng)減速度，所以，在純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，再生制動(dòng)和液壓制動(dòng)通常共同存在。不過，只有當(dāng)再生制動(dòng)已經(jīng)達(dá)到了最大制動(dòng)能力而且還不能滿足制動(dòng)要求時(shí)，液壓制動(dòng)才起作用。因此，液壓與再生制動(dòng)系統(tǒng)兩者的特定設(shè)計(jì)和控制是重要的關(guān)注點(diǎn)。

2 再生制動(dòng)的工作原理

再生制動(dòng)就是汽車制動(dòng)時(shí)，保持電機(jī)與傳動(dòng)系的有效連接，利用電機(jī)的回饋制動(dòng)特性將汽車的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到電池等儲(chǔ)能裝置中，用于下一次汽車驅(qū)動(dòng)加速所用，同時(shí)通過傳動(dòng)系向驅(qū)動(dòng)車輪提供制動(dòng)力矩[2]。雖然純電動(dòng)汽車有不同的結(jié)構(gòu)形式，但其制動(dòng)系統(tǒng)都由再生和摩擦制動(dòng)系統(tǒng)組成，制動(dòng)的工作模式有3種，如圖3所示。其再生制動(dòng)的具體工作原理，如圖4所示。

再生制動(dòng)系統(tǒng)的組成，如圖5所示，其中電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)合稱為電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)?？刂破鞯淖饔檬歉鶕?jù)駕駛員的制動(dòng)意圖，利用再生制動(dòng)力分配控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力的分配，并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)追蹤目標(biāo)信號(hào)；再生制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)正確識(shí)別駕駛員的制動(dòng)意圖，即制動(dòng)強(qiáng)度和保證駕駛員的制動(dòng)感覺與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的感覺相一致，并且當(dāng)再生制動(dòng)系統(tǒng)失效時(shí)，能保證液壓制動(dòng)系統(tǒng)正常工作；液壓制動(dòng)單元要能夠提供由控制器輸出的機(jī)械制動(dòng)力的大小；電機(jī)和電池系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供控制器輸出的電機(jī)制動(dòng)力和回收并儲(chǔ)存制動(dòng)能量。

事實(shí)上，并不是所有的純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量都可以通過再生制動(dòng)的功能來實(shí)現(xiàn)回收與利用，在純電動(dòng)汽車上，只有驅(qū)動(dòng)軸上的制動(dòng)能量可以沿著與之相連接的驅(qū)動(dòng)軸通過電機(jī)的發(fā)電特性將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并傳送至電池裝置中，而制動(dòng)能量的另一部分將由非驅(qū)動(dòng)軸上或驅(qū)動(dòng)軸上的車輪通過機(jī)械摩擦制動(dòng)以熱能的形式浪費(fèi)掉。驅(qū)動(dòng)軸上的制動(dòng)能量也不能通過再生制動(dòng)來完全回收，制動(dòng)能量回收時(shí)還受到許多因素的限制，例如：再生制動(dòng)的回收功率不能超過電池當(dāng)前的最大充電功率、電機(jī)發(fā)電能力的限制、電池充電功率的限制、電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能超過當(dāng)前轉(zhuǎn)速和功率下電機(jī)發(fā)電能力、車速較高時(shí)電機(jī)再生制動(dòng)扭矩不能滿足大強(qiáng)度制動(dòng)要求及驅(qū)動(dòng)系布置方案的限制等。因此設(shè)計(jì)一套高效的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，并配套合理的綜合控制策略將大大提高再生制動(dòng)對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性提高的貢獻(xiàn)。

3 電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)控制策略

由于純電動(dòng)汽車行駛過程中存在著不同的制動(dòng)狀態(tài)，在小強(qiáng)度或中等強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)，為提高制動(dòng)能量回收效果，通常優(yōu)先考慮再生制動(dòng)，整車制動(dòng)力不足的部分則由液壓制動(dòng)來補(bǔ)充；當(dāng)車輪出現(xiàn)抱死或電池不允許回收制動(dòng)能量時(shí)，為保證整車制動(dòng)安全性，通常不采用再生制動(dòng)，只采用液壓制動(dòng)。因此傳統(tǒng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)難于滿足純電動(dòng)汽車的制動(dòng)需求，不能直接用于純電動(dòng)汽車中。

3.1 ABS綜合控制策略

傳統(tǒng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)無論是機(jī)械式、氣動(dòng)式、液壓式還是氣液混合式，它們的制動(dòng)原理都是相同的，即依靠制動(dòng)器摩擦的方式來消耗掉汽車行駛的動(dòng)能或勢(shì)能，從而達(dá)到減速的目的[3]。純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)的基礎(chǔ)是傳統(tǒng)轎車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，因此在達(dá)到能量回收目的的同時(shí)，不改變傳統(tǒng)轎車制動(dòng)習(xí)慣就顯得尤為重要。但是，傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)無法最大限度地配合電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)，并且由于再生制動(dòng)的加入改變了駕駛員傳統(tǒng)的制動(dòng)感覺，這樣制動(dòng)能量的回收效果就會(huì)受到限制，因此對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)母脑靵磉_(dá)到再生制動(dòng)的功能是必要的。ABS（制動(dòng)防抱死裝置）越來越多地應(yīng)用在傳統(tǒng)汽車中。ABS的核心部件為高速開關(guān)閥，高速開關(guān)閥與脈寬調(diào)制（PWM）控制相結(jié)合后，可以通過控制一定頻率的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓壓力的連續(xù)控制[4]。

所以通常將采用ABS硬件單元作為電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)中液壓制動(dòng)力的控制元件，同時(shí)制定適當(dāng)?shù)木C合控制策略，通過電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)和綜合控制策略的完美組合以實(shí)現(xiàn)最大限度地配合電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)，從而達(dá)到良好的能量回收率和制動(dòng)安全性。

3.2 協(xié)調(diào)制動(dòng)控制策略

協(xié)調(diào)制動(dòng)控制策略的首要目標(biāo)是利用電機(jī)響應(yīng)速度和響應(yīng)精度的優(yōu)勢(shì)改善制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)特性，使電機(jī)和EVB（電子真空助力）提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩之和滿足需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以保證制動(dòng)安全性。結(jié)合電機(jī)與EVB動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，協(xié)調(diào)制動(dòng)控制策略的基本思想是：通過基于期望制動(dòng)轉(zhuǎn)矩預(yù)測(cè)的EVB預(yù)測(cè)啟動(dòng)控制策略，保證EVB接入過程中的安全性；通過基于電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)闹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，精確響應(yīng)需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化。綜合考慮制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小和能量回收能力，將制動(dòng)分為3個(gè)模式：經(jīng)濟(jì)性制動(dòng)模式、SOC低時(shí)的安全性制動(dòng)模式和SOC高時(shí)的安全性制動(dòng)模式。

制動(dòng)過程中，隨著需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)能量回收能力的改變，系統(tǒng)進(jìn)入不同的制動(dòng)模式。進(jìn)入經(jīng)濟(jì)性制動(dòng)模式時(shí)，只需要電機(jī)單獨(dú)制動(dòng)；如果進(jìn)入SOC低或SOC高時(shí)的安全性制動(dòng)模式，則首先采取EVB預(yù)測(cè)啟動(dòng)控制策略，然后進(jìn)行制動(dòng)轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制。如果電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)和EVB制動(dòng)系統(tǒng)分別響應(yīng)協(xié)調(diào)制動(dòng)控制策略中的電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令和EVB制動(dòng)轉(zhuǎn)矩指令，則由電機(jī)轉(zhuǎn)矩和EVB制動(dòng)轉(zhuǎn)矩共同實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的制動(dòng)。

4 結(jié)論

再生制動(dòng)是電動(dòng)汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，再生制動(dòng)不僅能通過回收制動(dòng)能量來降低整車能耗，而且可以減輕液壓制動(dòng)器的負(fù)荷及制動(dòng)器的磨損。由于電動(dòng)汽車再生制動(dòng)系統(tǒng)是液壓制動(dòng)和電機(jī)再生制動(dòng)的復(fù)合系統(tǒng)，所以在制動(dòng)過程中液壓制動(dòng)力和再生制動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制是保證制動(dòng)安全性和最大化回收制動(dòng)能量的重要保障，是再生制動(dòng)的技術(shù)難點(diǎn)。

文章提出的電液制動(dòng)系統(tǒng)只是從理論分析和策略的角度提出了電液制動(dòng)系統(tǒng)的可行性，后續(xù)的研究主要是建立電動(dòng)汽車電液制動(dòng)系統(tǒng)壓力協(xié)調(diào)控制的仿真平臺(tái)，以及電液制動(dòng)系統(tǒng)和壓力協(xié)調(diào)的控制問題，從而在硬件上實(shí)現(xiàn)ABS防抱死制動(dòng)、再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的集成。通過制定全路面條件下的制動(dòng)力分配控制策略和基于路面識(shí)別的ABS防抱死控制策略，高度集成ABS防抱死制動(dòng)、再生制動(dòng)和摩擦制動(dòng)的控制算法，來有效提高制動(dòng)能量回收率和制動(dòng)安全性。