肖博一，曾細(xì)強(qiáng)，張震邦，李斌，楊益彬

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510640）

純電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)策略現(xiàn)狀與展望

肖博一，曾細(xì)強(qiáng)，張震邦，李斌，楊益彬

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510640）

介紹電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)的工作方式以及工作特點(diǎn)，并針對(duì)制動(dòng)感覺(jué)、最大回收策略等主流再生制動(dòng)策略進(jìn)行詳細(xì)解釋并概述國(guó)內(nèi)外的最新發(fā)展?fàn)顩r。同時(shí)，在梳理電動(dòng)汽車(chē)現(xiàn)有再生制動(dòng)策略的關(guān)鍵問(wèn)題的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)一些尚存的缺陷，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

電動(dòng)汽車(chē)；再生制動(dòng)系統(tǒng)；能量回收；控制策略

隨著有限化石燃料需求量的不斷增長(zhǎng)及當(dāng)今社會(huì)所面臨PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)的環(huán)境危機(jī)，截止至2015年底，國(guó)家及地方政府已經(jīng)出臺(tái)推出新能源政策152項(xiàng)。在此背景下，電動(dòng)汽車(chē)要做到能源利用最優(yōu)化，采取再生制動(dòng)是必要途徑之一。在中國(guó)城市區(qū)間的汽車(chē)行駛特點(diǎn)為頻繁起動(dòng)、加速、減速、停車(chē)，大約有1／3到1／2直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行的能量消耗于制動(dòng)過(guò)程中［1］。如何回收利用這些寶貴的能量并減少傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的磨損損耗，成為新的熱門(mén)研究項(xiàng)目。

對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，其電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)能滿足汽車(chē)從零到最大行駛速度的要求，同時(shí)也有能力吸收制動(dòng)反饋能量［2］。基于以上特點(diǎn)和要求，目前主流選擇異步電機(jī)或者永磁同步電機(jī)作為車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

1 工作原理

純電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)回收系統(tǒng)由能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)-能量控制系統(tǒng)-能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 制動(dòng)回收能量路線簡(jiǎn)圖

在車(chē)輛減速或者制動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子被制動(dòng)力拖動(dòng)，從而轉(zhuǎn)子的線圈不斷切割定子磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，電流通過(guò)變換器給儲(chǔ)能系統(tǒng)［3］。目前，利用發(fā)電機(jī)發(fā)電的回收總效率約為10%～30%［4］。

1）再生制動(dòng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)再生制動(dòng)是保證并改進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)能量利用率的重要途徑之一，特別是在起、停頻繁的城市工作情況下，理論上利用再生制動(dòng)可使純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程延長(zhǎng)14%～40%［5］。同時(shí)，再生制動(dòng)可完成低制動(dòng)要求以及長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)（如長(zhǎng)下坡）的制動(dòng)任務(wù)并且不容易出現(xiàn)制動(dòng)疲勞現(xiàn)象。在借助車(chē)輛變速器、減速器等齒輪傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)后，再生制動(dòng)能承擔(dān)的制動(dòng)強(qiáng)度可以更大。

2）路面安全優(yōu)勢(shì)再生制動(dòng)可起輔助制動(dòng)作用。特別是純電動(dòng)汽車(chē)恒速下長(zhǎng)坡時(shí)，為保持制動(dòng)強(qiáng)度的恒定性，延長(zhǎng)行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)工作壽命，再生制動(dòng)單獨(dú)或與行車(chē)制動(dòng)系協(xié)同對(duì)車(chē)輛進(jìn)行速度控制。

和傳統(tǒng)機(jī)械A(chǔ)BS的電磁制動(dòng)系統(tǒng)不同的是，在低附著系數(shù)路面上進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)可以在ECU的電子控制下迅速讓驅(qū)動(dòng)輪獲得最佳滑移率，進(jìn)而縮短制動(dòng)距離，過(guò)程中沒(méi)有液壓等延遲環(huán)節(jié)介入，快速高效。

再生制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)速度快，控制精度高。制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能的影響十分顯著。由于傳統(tǒng)行車(chē)制動(dòng)系制動(dòng)管路中的電磁閥存在死區(qū)時(shí)間，管路中傳力介質(zhì)的壓力反應(yīng)也存在明顯的遲滯現(xiàn)象，所以傳統(tǒng)制動(dòng)系作用時(shí)間一般會(huì)比較長(zhǎng)：如真空助力制動(dòng)系與氣壓制動(dòng)系的起作用時(shí)間為0.3～0.9 s，液壓制動(dòng)系起作用的時(shí)間則在0.1s左右。由于電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性質(zhì)為電制動(dòng)（電機(jī)反應(yīng)時(shí)間常數(shù)一般為1ms），有利于對(duì)制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)快速而精確的控制。

2 主流再生制動(dòng)控制策略分類

純電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)力受諸多因素的約束而有限，當(dāng)請(qǐng)求的制動(dòng)力大于再生制動(dòng)力時(shí)，需行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)參與制動(dòng)，從而形成機(jī)電混合制動(dòng)系統(tǒng)按回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力的耦合關(guān)系，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可分為疊加式和協(xié)調(diào)式。

圖2 疊加式再生制動(dòng)

疊加式再生制動(dòng)方式簡(jiǎn)單高效，如圖2所示，直接把再生制動(dòng)力疊加到傳統(tǒng)液壓制動(dòng)上，不需要對(duì)液壓制動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。這種制動(dòng)方式實(shí)施簡(jiǎn)易方便，然而存在回收效率低下、制動(dòng)感覺(jué)比較差等缺點(diǎn)。它在再生制動(dòng)研發(fā)初始階段受到關(guān)注。

圖3 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)

協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)則是采用分段式分配再生與傳統(tǒng)制動(dòng)力。如圖3所示，系統(tǒng)優(yōu)先考慮使用再生制動(dòng)力，在制動(dòng)需求到達(dá)某種需求后，液壓制動(dòng)同時(shí)介入，2種制動(dòng)力相互調(diào)節(jié)達(dá)到系統(tǒng)總制動(dòng)要求。這種方式回收效率高，但控制復(fù)雜，需要改造傳統(tǒng)制動(dòng)。如今在技術(shù)的不斷進(jìn)步中，協(xié)調(diào)式憑借著種種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)再生制動(dòng)的主流發(fā)展方向。

接下來(lái)展開(kāi)總結(jié)當(dāng)前的各類主流再生制動(dòng)控制策略。2.1最佳制動(dòng)感覺(jué)策略

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度要求較小時(shí)，只有驅(qū)動(dòng)軸上的再生制動(dòng)力對(duì)車(chē)輛起制動(dòng)作用。當(dāng)制動(dòng)需求繼續(xù)上升后，使前后軸制動(dòng)力分配按照車(chē)輛自身的理想制動(dòng)力比例（I曲線）來(lái)分配，此時(shí)實(shí)際制動(dòng)力由摩擦制動(dòng)力和再生制動(dòng)力組成。這樣能有效利用地面附著條件，有足夠高的制動(dòng)能回收潛力；這種策略的不足在于制動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。這種策略駕駛實(shí)用性、舒適性優(yōu)秀，實(shí)用性較高。

吉林大學(xué)的初亮、楊毅等設(shè)計(jì)了一套基于制動(dòng)感覺(jué)再生策略，通過(guò)增加主動(dòng)增壓模擬器來(lái)對(duì)制動(dòng)踏板進(jìn)行模擬，達(dá)到模擬傳統(tǒng)汽車(chē)的制動(dòng)感覺(jué)［6］；華南理工大學(xué)的孫大許、蘭鳳崇等設(shè)計(jì)出基于雙軸雙電機(jī)四驅(qū)結(jié)構(gòu)的I曲線分配策略，并完成dSpace的半實(shí)物的建模仿真［7］。山東理工大學(xué)的郭棟、朱文平等提出了一套以城市電動(dòng)巴士為對(duì)象、基于制動(dòng)強(qiáng)度劃分的非線性控制策略，改進(jìn)后軸氣壓管路添加調(diào)壓閥以增加后輪電機(jī)制動(dòng)的比例，并完成利用Simulink的后向仿真驗(yàn)證［8］。

2.2最佳能量回收策略（自由行程策略）

在制動(dòng)踏板自由行程過(guò)程，該策略對(duì)車(chē)輛施加再生制動(dòng)力，制動(dòng)力的大小與踏板自由行程成固定比增大，直到踏板到達(dá)自由行程與液壓制動(dòng)行程時(shí)，再生制動(dòng)力到達(dá)額定最大制動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)輪上的再生制動(dòng)力維持不變，不足部分由從動(dòng)軸上的機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充；最后當(dāng)輪速降到某一低限定值時(shí)，再生制動(dòng)停止工作。該策略有著最高的能力回收率，然而再生制動(dòng)階段的抱死隱患依舊待解決。

Tesla特斯拉公司Model S等車(chē)型將執(zhí)行再生制動(dòng)方式簡(jiǎn)化為單一的油門(mén)松放，通過(guò)判斷是否踩踏油門(mén)踏板來(lái)執(zhí)行再生制動(dòng)，該方式實(shí)施簡(jiǎn)單高效，但駕駛員需要時(shí)間習(xí)慣。然而，車(chē)輛在遇到附著力低的地面路況時(shí)（如結(jié)冰地面），即使請(qǐng)求的制動(dòng)強(qiáng)度較小，也極易造成驅(qū)動(dòng)輪先抱死，導(dǎo)致制動(dòng)效能失效甩尾或者抱死的情況。

BOSCH公司研發(fā)出ESP-hev與HAS-hev系統(tǒng)［9］，是全球首款無(wú)需額外部件即可協(xié)調(diào)車(chē)輪和電機(jī)制動(dòng)的系統(tǒng)。通過(guò)制動(dòng)踏板解耦，利用電機(jī)控制器與液壓調(diào)節(jié)器分配制動(dòng)力。該系統(tǒng)首先用在奔馳S400混動(dòng)版本上，接下來(lái)又搭載在凱迪拉克CT6-PHEV。系統(tǒng)對(duì)踏板處力學(xué)解耦后，通過(guò)控制器可以執(zhí)行不同強(qiáng)度要求的能量回收，同時(shí)在CT6的駕駛艙也有特設(shè)撥片可以進(jìn)行再生制動(dòng)力的快速調(diào)節(jié)。博世也已經(jīng)完成對(duì)比亞迪部分混動(dòng)車(chē)型的匹配。

德國(guó)Continental公司推出適用于自由行程策略的EMB系統(tǒng)，它對(duì)制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增設(shè)了主動(dòng)式的踏板模擬裝置，并通過(guò)調(diào)節(jié)真空度，令踏板在自由行程過(guò)程中能有傳統(tǒng)制動(dòng)感覺(jué)［10］。

韓國(guó)成均館大學(xué)提出一種基于自由行程策略、能初步針對(duì)低附著路況來(lái)判斷工作方式的新型控制策略［11］，如圖4所示。通過(guò)對(duì)路面附著系數(shù)進(jìn)行判斷，控制再生制動(dòng)是否介入。未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)在面對(duì)復(fù)雜工況時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)如何穩(wěn)定工作，對(duì)成本、可靠性、安全性等提出了更高要求。2.3再生制動(dòng)自協(xié)調(diào)策略

圖4 基于附著力系數(shù)的邏輯判斷圖

與其他策略不同的是，再生制動(dòng)自協(xié)調(diào)策略有著較高的穩(wěn)定效能。在遇到特性制動(dòng)需求時(shí)，通過(guò)預(yù)設(shè)邏輯策略主動(dòng)改變?cè)偕苿?dòng)力-傳統(tǒng)制動(dòng)的制動(dòng)比例，按照某一預(yù)設(shè)的制動(dòng)分配比進(jìn)行制動(dòng)；在緊急情況下（如瞬時(shí)制動(dòng)需求過(guò)大），只行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)工作，此時(shí)制動(dòng)安全效能顯著提高。這種策略可憑借電機(jī)控制器，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池SOC及與機(jī)械制動(dòng)力設(shè)定的比值等信息對(duì)再生制動(dòng)力實(shí)施控制。特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，開(kāi)發(fā)成本低，開(kāi)發(fā)周期短，是目前常用策略之一。

浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)的黃智奇、姚棟偉等通過(guò)結(jié)合蓄電池、超級(jí)電容和雙向DC／DC變換器，提出按照發(fā)電機(jī)高低中速分段制再生制動(dòng)優(yōu)化控制［12］。這種基于再生制動(dòng)自協(xié)調(diào)的新型策略，在保證優(yōu)秀回收效率的前提下，保證了良好的制動(dòng)感覺(jué)。

俄亥俄州立大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位的學(xué)者提出了混合制動(dòng)ABS控制策略以及基于最佳滑移率的再生制動(dòng)主動(dòng)補(bǔ)償控制策略，通過(guò)采用邏輯門(mén)限值控制、模糊控制等方式進(jìn)行控制［13］。

3 關(guān)鍵問(wèn)題

電動(dòng)汽車(chē)再生制動(dòng)在快速發(fā)展的過(guò)程中，有較多關(guān)鍵問(wèn)題亟待合理改進(jìn)。目前主要問(wèn)題有：①如何改善再生混合制動(dòng)的抱死現(xiàn)象、行駛在低附著系數(shù)路面如何保證純?cè)偕苿?dòng)能保持最佳滑移率；②在再生制動(dòng)過(guò)程中有著良好回收效率的同時(shí)，保證駕駛員有較好的制動(dòng)感受。

由于現(xiàn)今大部分純電動(dòng)車(chē)輛的再生制動(dòng)為單獨(dú)依靠單軸（如驅(qū)動(dòng)輪拖動(dòng)電機(jī)）進(jìn)行再生制動(dòng)，尤其是容易在制動(dòng)過(guò)程中造成前后制動(dòng)力分配不均導(dǎo)致個(gè)別車(chē)輪在低附著地面上提前抱死，或者前后輪制動(dòng)摩擦不均勻?qū)е录铀佥喬ギ惓Ｄp。尤其針對(duì)中大型車(chē)輛，以現(xiàn)代EBS制動(dòng)力分配為依據(jù)，需要對(duì)車(chē)輛前后軸承載荷進(jìn)行分配：在混合制動(dòng)時(shí)，主動(dòng)分配制動(dòng)力矩，需要進(jìn)行前后制動(dòng)力均衡，防止其在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)單軸車(chē)輪抱死，導(dǎo)致車(chē)身姿態(tài)異常。

接下來(lái)，在保證汽車(chē)制動(dòng)安全性與穩(wěn)定性的前提下，研發(fā)人員需要對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化?？紤]到能量回收的能力以及駕駛員感受，需要結(jié)合車(chē)輪制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)能量回收制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，達(dá)到某個(gè)能充分回收制動(dòng)能量的目標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)不僅需要更多的理論控制基礎(chǔ)，也需要通過(guò)重復(fù)HIL試驗(yàn)以及臺(tái)架試驗(yàn)、實(shí)車(chē)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證。

4 總結(jié)及展望

面對(duì)全新的新能源轉(zhuǎn)型契機(jī)，如何在保證防抱死等安全性前提下，達(dá)到更合理的再生制動(dòng)與傳統(tǒng)制動(dòng)分配比，來(lái)充分利用再生制動(dòng)回收能量并保持擁有良好的制動(dòng)感覺(jué)，是目前再生制動(dòng)發(fā)展的重要方向。同時(shí)，如何優(yōu)化再生電機(jī)與減速器、變速器的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系來(lái)優(yōu)化再生制動(dòng)效率，依舊是值得深度研究的課題，需要科研人員持之以恒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

展望再生制動(dòng)技術(shù)發(fā)展，對(duì)于國(guó)外領(lǐng)頭車(chē)企，如TESLA，則以安全、節(jié)能、低價(jià)3個(gè)側(cè)重點(diǎn)，從E級(jí)車(chē)model s到2018年上市的B級(jí)車(chē)型model 3，爭(zhēng)取讓再生制動(dòng)策略更適合國(guó)內(nèi)駕駛習(xí)慣，也將不斷降低產(chǎn)品價(jià)格；同時(shí)特斯拉是首家支持車(chē)載系統(tǒng)OTA升級(jí)的車(chē)企，這代表著未來(lái)汽車(chē)基于控制系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化的無(wú)限可能性。國(guó)內(nèi)在2015年中旬也推出比亞迪-唐、長(zhǎng)安-逸動(dòng)等支持再生制動(dòng)的新能源車(chē)型。

從大局來(lái)看，國(guó)內(nèi)應(yīng)在穩(wěn)步優(yōu)化基礎(chǔ)制動(dòng)策略的前提下，與綜上國(guó)外新思路相結(jié)合，如尋找當(dāng)前熱門(mén)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)／智能駕駛技術(shù)與再生制動(dòng)的共性；然而又不能局限于跟隨國(guó)外研發(fā)方向，應(yīng)該逐步結(jié)合國(guó)內(nèi)需求以及自身環(huán)境來(lái)解決再生制動(dòng)執(zhí)行的具體問(wèn)題，并推進(jìn)發(fā)展環(huán)境友好、符合國(guó)內(nèi)復(fù)雜交通、符合消費(fèi)者需要的再生制動(dòng)系統(tǒng)。

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（編輯 楊景）

Present Status and Prospect of the Regenerative-Braking Control Strategies of Electric Automobiles

XIAO Bo-yi，ZENG Xi-qiang，ZHANG Zhen-bang，LI Bin，YANG Yi-bin
（South China Agricultural University，Guangzhou 510640，China）

This article describes working methods and characteristics of regenerative braking for electric vehicles；meanwhile，explains in detail the braking-feeling，maximum-recovery strategy，and other mainstream strategies，then summarizes recent development around the world.Based on the review of key issues of electric vehicle regenerative braking，and existing policies，a number of flaws are pointed out，as well as prospects of the future development.

electric car；regenerative braking system；energy recycling；control strategy

U469.72

：A

1003－8639（2016）12－0001－03

2016-04-29；

2016-07-08

肖博一（1993-），男，碩士在讀，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)。