方春杰 李軍

（重慶交通大學(xué)）

電動汽車作為一種新型代步工具，憑借自身安裝的電機，可以實現(xiàn)再生制動功能，從而實現(xiàn)制動能量的回收[1]。由于再生制動系統(tǒng)能夠使能量利用率有所提高，從而增加電動汽車的續(xù)駛里程，因而它在電動汽車中占有重要地位。文章以電動汽車再生制動系統(tǒng)為研究對象，在介紹其結(jié)構(gòu)分類的基礎(chǔ)上，分析再生制動的影響因素和控制策略。

1 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動汽車再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按驅(qū)動電機的布置形式大致可分為中央電機式、輪邊電機式和輪轂電機式3類。其前輪驅(qū)動形式下的具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電動汽車再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以上3種系統(tǒng)中，由于輪轂電機式再生制動系統(tǒng)去除了機械連接，全部采用電力連接，機械損失減少，因而其能量回收效率較高。但是該系統(tǒng)的不足之處是輪轂電機制造成本相對較高。

2 再生制動影響因素分析

再生制動的影響因素很多。其中主要的影響因素有電機的特性、蓄電池組的狀態(tài)、行駛工況、驅(qū)動形式以及控制策略。

2.1 電機特性的影響

電動汽車再生制動過程中，電機的輸出特性必須滿足工作要求。電機的再生制動轉(zhuǎn)矩為[2]：

式中：T——電機再生制動轉(zhuǎn)矩，N·m；

Pn——電機額定功率，kW；

nb——電機基速，r/min；

n——電機轉(zhuǎn)速，r/min。

T越大，其能提供的最大再生制動力就越大，有利于提高制動能量回收效率，從而充分地回收制動能量。由公式可知，電機的轉(zhuǎn)速及其發(fā)電功率對再生制動轉(zhuǎn)矩的大小起限制作用，若制動強度過大，電機無法滿足工作要求[3]。此外，若電機發(fā)電功率越大，則能提供給電池的充電功率也隨之增大，制動過程中回收的能量同樣就越多[4]。

2.2 蓄電池組狀態(tài)的影響

蓄電池組的荷電狀態(tài)（SOC）值、蓄電池組溫度、充電電流以及充電功率都會限制蓄電池組的充電效率[5-6]。當(dāng)蓄電池組SOC值很高或者溫度過高時，為了保護蓄電池組，延長電池組的使用壽命，均不允許進行制動能量回收。蓄電池組溫度會因為充電電流過大而迅速升高，此時也不允許進行制動能量回收。此外，電池組的充電功率不可高于允許的最大充電功率。

2.3 行駛工況的影響

行駛工況影響電動汽車制動能量的回收。不同的工況下，制動強度與制動頻率存在差異，因而能量回收效果也存在較大差異。在城市工況下，特別是早晚出行高峰期，交通比較擁堵，電動汽車需要頻繁地起停，制動的頻率較高、制動強度較大，因而回收的能量相對較多[7-8]。而在鄉(xiāng)村道路或高速公路工況下，行車過程制動頻率較低，制動強度相對較小，因而回收的能量相對較少。

2.4 驅(qū)動形式的影響

驅(qū)動形式一般可分為前輪驅(qū)動、后輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動。電動汽車制動過程中，驅(qū)動電機產(chǎn)生再生制動力，且只將其作用于驅(qū)動輪，因而再生制動系統(tǒng)回收的制動能量也只能來源于驅(qū)動輪。

汽車制動時，由于存在向前的慣性，與后輪附著條件相比，前輪附著條件更加良好，而且前輪制動力大于后輪制動力，因此，在相同條件下，前輪驅(qū)動回收的能量更多。此外，與兩輪驅(qū)動形式相比，四輪驅(qū)動形式下，電動汽車具有更強的再生制動能力，能夠回收更多的制動能量。

2.5 控制策略的影響

為了實現(xiàn)能量充分回收，需要合理地設(shè)計再生制動與機械制動的分配關(guān)系，同時也必須考慮前后軸制動力的合理分配，以確保制動的安全性。制定合理的控制策略有利于提高能量回收效率，因此控制策略對制動能量回收具有重大的影響[9]。

3 再生制動控制策略分析

制定再生制動控制策略的目的就是為了實現(xiàn)對機械制動力和再生制動力的合理分配。為保證控制的合理性，再生系統(tǒng)控制策略應(yīng)滿足以下要求[10]：

1）合理分配再生制動力和機械摩擦制動力，以不影響制動性能為前提，盡量最大化地回收制動能量，從而使汽車的續(xù)航能力有所提高；

2）合理分配前后輪軸上的制動力，以達到穩(wěn)定的制動效果，保證汽車行駛的穩(wěn)定性；

3）控制策略應(yīng)與ABS，ASR，ESP等系統(tǒng)相融合，不影響其制動性能。

針對不同車型再生制動系統(tǒng)的特點，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的控制策略。文獻[11]提出了恒值能量回收、定速率能量回收及最大化能量回收3種能量回收控制策略；文獻[12]提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的最佳制動力分配控制策略。文獻[13]提出了慮及變速器擋位影響的分段復(fù)合再生制動控制策略。在一定程度上，上述3種控制策略均能提高再生制動系統(tǒng)的性能，具有一定的理論參考價值，但這些控制策略僅局限于理論層面上的研究或者處于虛擬仿真階段，大多數(shù)沒有得到實際應(yīng)用。

目前，常見的控制策略有理想制動力分配控制策略、并行再生制動控制策略和最佳制動能量回收控制策略。此外，國內(nèi)外相關(guān)研究人員還提出了諸多其他的控制策略。

3.1 理想制動力分配控制策略

該控制策略要求前后輪制動力嚴(yán)格按照理想制動力分配曲線（I曲線）進行分配，具體分配關(guān)系，如圖2所示。

圖2 理想制動力分配控制策略分配關(guān)系

以滿載為例，當(dāng)驅(qū)動軸所需要的制動力未超過電機提供的再生制動力時，電機為驅(qū)動軸提供所需的制動力，而機械制動系統(tǒng)提供非驅(qū)動軸所需的制動力（如圖2中A點所示）；當(dāng)驅(qū)動軸所需要的制動力大于電機提供的再生制動力時，電機為驅(qū)動軸提供最大的再生制動力，不足部分的制動力由機械制動系統(tǒng)提供，非驅(qū)動軸的制動力則全部由機械制動系統(tǒng)提供（如圖2中B點所示）。

在該控制策略下，地面附著條件能夠得以充分利用，制動系統(tǒng)具有良好的制動效果，同時可以實現(xiàn)能量回收的最大化；但該控制策略需要特定的制動操縱機構(gòu)與智能化程度較高的控制器，才能對前后輪制動力進行獨立精確控制，且控制系統(tǒng)復(fù)雜[3]。由于市場上大多數(shù)電動汽車仍然沿用傳統(tǒng)的制動操縱機構(gòu)，無法嚴(yán)格按照I曲線對再生制動力和機械制動力進行合理分配，其協(xié)調(diào)控制難度大，因此該控制策略還未得到實際應(yīng)用[10]。

3.2 并行再生制動控制策略

并行再生制動系統(tǒng)的再生制動只分配給驅(qū)動輪，而機械制動力在前后輪上按一定比例進行分配[10]，其原理如圖3所示，圖3中，β線為實際前后輪制動器制動力分配線，M線為ECE制動法規(guī)下前輪抱死時后輪必須具有的最小制動力分配曲線。其具體的分配關(guān)系為[14]：

1）當(dāng)制動強度（z）＜0.1時，為了提高制動能量回收總量，系統(tǒng)進入純再生制動模式，制動系統(tǒng)制動力完全由驅(qū)動電機提供；

2）當(dāng)0.1≤z＜0.7時，系統(tǒng)進入機械制動和再生制動的復(fù)合制動模式，機械制動力和再生制動力共同承擔(dān)系統(tǒng)所需制動力；

3）當(dāng)z≥0.7時，為了提高制動穩(wěn)定性和制動效能，縮短制動距離，系統(tǒng)進入純機械制動模式，機械制動系統(tǒng)為電動汽車提供全部制動力，且前后輪制動力按β線分配。

圖3 并行再生制動控制策略分配關(guān)系

該制動控制策略僅需對電機再生制動力的大小進行控制，而無需對機械制動力的大小進行控制，執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，制造成本低，易于實現(xiàn)[15]。即使再生制動失效，仍可依靠機械制動實現(xiàn)安全制動，能夠較好地滿足ECE制動法規(guī)的要求。但是由于該制動控制策略及其執(zhí)行機構(gòu)較為簡單，因而很難兼顧制動穩(wěn)定性和能量回收最大化的要求。與其他2種常見的控制策略相比，采用該策略制動過程回收的能量相對較少[16]。

3.3 最佳制動能量回收控制策略

最佳制動能量回收控制策略的控制思想是[17]：在保證前后輪不發(fā)生抱死的前提下，優(yōu)先考慮系統(tǒng)制動力矩完全由驅(qū)動輪提供。當(dāng)電機提供的最大制動強度能夠滿足制動系統(tǒng)需求時，使電機的發(fā)電能力得到充分發(fā)揮，再生制動系統(tǒng)提供全部制動力，實現(xiàn)回收能量的最大化。當(dāng)制動系統(tǒng)所需的制動強度超過電機能提供的最大制動強度時，電機提供最大再生制動力，不足的制動力由機械制動力進行補充。具體分配關(guān)系，如圖4所示。

圖4 最佳制動能量回收控制策略分配關(guān)系

由上述控制思路可知：理論上而言，最佳制動能量回收控制策略可以實現(xiàn)制動能量回收的最大化，但其對路面附著系數(shù)的變化比較敏感，且需要精確控制機械制動力和再生制動力的合理分配，對控制系統(tǒng)的要求較高，因而實現(xiàn)該控制策略需要智能化程度高的控制器，對技術(shù)要求很高，難于實現(xiàn)。

4 結(jié)論

文章對電動汽車再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了介紹，將制動能量回收和制動力分配作為2個基本出發(fā)點，分析了電動汽車再生制動的影響因素和控制策略。針對常見控制策略，對其優(yōu)缺點進行了總結(jié)與分析。通過對比分析可得：并行再生制動控制策略和混合并聯(lián)控制策略由于其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，控制技術(shù)易于實現(xiàn)等獨特優(yōu)點，非常適合電動汽車研究與發(fā)展的需要。