孟祥飛 盧衍彬 王仁廣 張磊

（1.天津科技大學(xué)；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

制動(dòng)能量回收技術(shù)不僅能夠提高能量利用率，而且可以減少磨損和制動(dòng)熱量，降低噪聲，緩解熱衰退，從而優(yōu)化汽車的制動(dòng)性能，提高制動(dòng)穩(wěn)定性。研究表明，在城市工況中近34%的汽車驅(qū)動(dòng)能量消耗在制動(dòng)過程中，在有些城市更高達(dá)80%[1]；而在電動(dòng)汽車中，這部分能量通過電氣系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)輪至蓄電池的轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)68%[2]，在城市路段，可增加續(xù)駛里程超過20%[3]。文章從制動(dòng)能量回收潛力、影響因素、駕駛意圖和控制策略等方面，簡述電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在問題。

1 制動(dòng)能量回收潛力研究

制動(dòng)能量回收潛力研究能為電動(dòng)汽車的收益評(píng)估提供支撐，為制動(dòng)能量回收技術(shù)提供指導(dǎo)。

文獻(xiàn)[3]研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)能量回收能夠提升續(xù)駛里程約24.4%。制動(dòng)最大功率曲線與電機(jī)制動(dòng)時(shí)外特性曲線基本吻合，但制動(dòng)回收密集區(qū)與電機(jī)的高效率區(qū)吻合不好。為了高效回收，提出在滿足驅(qū)動(dòng)的同時(shí)兼顧能量回收率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議，使電機(jī)工作在制動(dòng)能量分布密集區(qū)域，或調(diào)整系統(tǒng)傳動(dòng)比使二者盡量重合。節(jié)能潛力分析研究發(fā)現(xiàn)，工況對(duì)能量回收有很大影響，車型參數(shù)的影響程度隨著制動(dòng)力分配比例的增大而增大[4]11。文獻(xiàn)[5]分析了車輛在NEDC 工況的節(jié)能效果，估計(jì)了制動(dòng)能量回收潛力極限?；厥諠摿σ蝰{駛員個(gè)人因素有1/6 的差異，這在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下無法測(cè)得，城市路況有著最高的回收潛能。

2 制動(dòng)能量回收影響因素分析

除了路況等因素外，制動(dòng)能量回收率還受到制動(dòng)布置形式、電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量傳遞和整車質(zhì)量等因素影響，要發(fā)揮再生制動(dòng)的最大潛力，就要對(duì)這些因素進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 制動(dòng)布置

制動(dòng)布置涉及到前后軸制動(dòng)力分配、驅(qū)動(dòng)軸再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)分配等方面。制動(dòng)策略是針對(duì)制動(dòng)布置形式制定的，制動(dòng)布置對(duì)控制策略有著決定性的影響。電動(dòng)汽車制動(dòng)要滿足[6]：不出現(xiàn)后輪單獨(dú)抱死或后輪比前輪先抱死的情況；盡量少出現(xiàn)只有前輪抱死或前后輪同時(shí)抱死的情況?；仞佒苿?dòng)布置形式同樣要考慮這2 點(diǎn)，結(jié)合復(fù)合制動(dòng)特點(diǎn)選擇合適的布置形式。

2.1.1 再生制動(dòng)布置

制動(dòng)布置對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)有后軸驅(qū)動(dòng)、前軸驅(qū)動(dòng)、雙軸驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)。只有電機(jī)參與的驅(qū)動(dòng)輪可以進(jìn)行制動(dòng)能量回收。為了能量回收效果，需要為驅(qū)動(dòng)輪分配更多制動(dòng)力。后輪單軸驅(qū)動(dòng)，其再生制動(dòng)潛能受到限制；而前軸單軸驅(qū)動(dòng)在制動(dòng)過程中比后輪的制動(dòng)力分配更多，因此更適合采用前輪驅(qū)動(dòng)；雙軸驅(qū)動(dòng)前后各1 個(gè)電機(jī)，避免了單軸驅(qū)動(dòng)為回收更多能量使得前后軸制動(dòng)力分配偏離I曲線造成穩(wěn)定性下降的情況，使得前后軸制動(dòng)力可以按照理想制動(dòng)曲線進(jìn)行分配，且都可進(jìn)行再生制動(dòng)，能量回收率得到了保障，且驅(qū)動(dòng)性能較單軸提高；四輪各配1 個(gè)電機(jī)，簡化了能量傳遞，傳遞效率提高，回收潛力提升，且在輕量化、空間利用率、軸荷分布、驅(qū)動(dòng)布置和穩(wěn)定性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但存在簧下質(zhì)量增大等負(fù)面影響。

2.1.2 機(jī)械制動(dòng)布置

機(jī)械制動(dòng)有X 型和H 型，X 型的前后制動(dòng)力成比例關(guān)系，制動(dòng)力無法自由調(diào)節(jié)以配合回饋制動(dòng)力達(dá)到理想狀態(tài)，且機(jī)械制動(dòng)比例較大，所以能量回收空間小。H 型前后輪制動(dòng)力獨(dú)立控制，與制動(dòng)回收系統(tǒng)高度匹配，可將電機(jī)制動(dòng)力調(diào)到理想值再配合摩擦制動(dòng)，使總制動(dòng)達(dá)到要求。

2.1.3 機(jī)電耦合

電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩有時(shí)不滿足制動(dòng)需要，為保證能量回收率和制動(dòng)安全，要將機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)耦合。機(jī)電制動(dòng)耦合可分為疊加式耦合和協(xié)調(diào)式耦合[7]。

疊加式耦合基于X 型機(jī)械制動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)與再生制動(dòng)獨(dú)立控制，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度，在踏板空行程范圍內(nèi)對(duì)再生制動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，機(jī)械制動(dòng)不調(diào)節(jié)。這種形式控制參數(shù)少、簡單易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)可靠性好，電機(jī)與機(jī)械制動(dòng)互不影響，再生制動(dòng)失效不影響安全制動(dòng)；缺點(diǎn)是制動(dòng)感覺差，能量回收率低。對(duì)于前軸電驅(qū)動(dòng)而言，原機(jī)械的制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配曲線為β 線，在此基礎(chǔ)上前軸施加再生制動(dòng)，制動(dòng)力分配曲線滿足制動(dòng)穩(wěn)定性要求，但前軸施加的再生制動(dòng)力少，回收率較低[4]10。

協(xié)調(diào)式耦合基于H 型機(jī)械制動(dòng)，需要對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)主缸與輪缸壓力進(jìn)行解耦，制動(dòng)主缸提供制動(dòng)壓力源，再通過調(diào)壓閥分配機(jī)械制動(dòng)壓力；或配備電液制動(dòng)對(duì)各輪制動(dòng)獨(dú)立控制[8]11。因此可先進(jìn)行再生制動(dòng)力分配，再通過液壓調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)制動(dòng)力，與再生制動(dòng)配合達(dá)到制動(dòng)要求。這種形式制動(dòng)感覺好且能量回收率高，但控制參數(shù)多。

2.2 電機(jī)

電動(dòng)汽車使用直流、感應(yīng)、永磁同步和開關(guān)磁阻電機(jī)，其中永磁同步電機(jī)應(yīng)用最廣泛。作為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出端，電機(jī)特性對(duì)再生制動(dòng)影響很大，再生制動(dòng)最大力矩受電機(jī)外特性約束，且不同電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩組合對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換效率，直接影響再生制動(dòng)力和回收效率[9]。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

制動(dòng)要求儲(chǔ)能裝置高功率充放且快速切換。為保護(hù)電池，當(dāng)荷電狀態(tài)（SOC）較高時(shí)，應(yīng)停止能量回收；當(dāng)SOC過低時(shí)，也不應(yīng)進(jìn)行回收。

2.4 能量傳遞系統(tǒng)

能量回收路徑按照轉(zhuǎn)換形式分為：車輪—半軸—機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)成的機(jī)械能傳遞系統(tǒng)；電機(jī)—電機(jī)控制器—逆變器組成的電能傳遞系統(tǒng)；電池及充電裝置構(gòu)成的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。機(jī)械傳遞效率、電能傳遞效率和電池充放電效率及能量轉(zhuǎn)換效率都會(huì)對(duì)能量回收產(chǎn)生影響。

2.5 其他因素

整車質(zhì)量大、滾動(dòng)阻力小、迎風(fēng)面積小、空氣阻力小，則可回收能量高，回收潛能大。另外，制動(dòng)載荷轉(zhuǎn)移對(duì)單軸驅(qū)動(dòng)車型能量回收率也有影響。

2.6 影響因素研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[10]對(duì)比了制動(dòng)液壓管路布置形式和驅(qū)動(dòng)形式對(duì)制動(dòng)能量回收的影響，制動(dòng)強(qiáng)度為0.3 時(shí)，H 型前軸電驅(qū)動(dòng)的能量回收率為43.91%，而X 型能量回收率為8.52%。雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車制動(dòng)更貼近I線，能源利用率比前驅(qū)高得多，對(duì)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)利用充分，對(duì)能量回收率改善明顯。文獻(xiàn)[11]對(duì)基于I線制動(dòng)力分配的四驅(qū)純電動(dòng)汽車再生制動(dòng)策略的研究證明了雙軸驅(qū)動(dòng)在制動(dòng)穩(wěn)定性與制動(dòng)能量回收潛力方面的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[2]研究表明，約34.59%的能量消耗在能量傳遞過程中，而輪轂電機(jī)可有效減少傳統(tǒng)電機(jī)造成的能量損耗。文獻(xiàn)[12]對(duì)輪轂電機(jī)四驅(qū)汽車固定比例分配策略和理想制動(dòng)力分配策略進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在小制動(dòng)強(qiáng)度下2 種控制策略的能量回收率都接近70%，中等制動(dòng)強(qiáng)度下理想制動(dòng)力分配策略回收率明顯高于固定比例，但當(dāng)車速較高、制動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，2 種控制策略回收率接近。文獻(xiàn)[13]引入超級(jí)電容且將控制器安排在電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)間，在不同工況下對(duì)電池和超級(jí)電容能量進(jìn)行分配，優(yōu)化續(xù)航性能和行駛性能，表明超級(jí)電容比電池回收效率提高4.73%，說明了儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)回收效果的影響。

3 制動(dòng)意圖識(shí)別研究

準(zhǔn)確識(shí)別制動(dòng)意圖是制動(dòng)穩(wěn)定性的重要保障，也是控制策略開發(fā)的基礎(chǔ)。僅通過油門和制動(dòng)踏板開度識(shí)別的精度低，會(huì)導(dǎo)致能量管理和扭矩分配與預(yù)期有差別，性能下降。

文獻(xiàn)[14]中將駕駛意圖分為動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)2 種模式，并細(xì)分為低速巡航、高速巡航、緊急加速、一般加速、平緩加速；引入汽車加速度均值與均值方差來進(jìn)行駕駛模式選擇，再通過油門開度與開度變化率識(shí)別加速程度，通過汽車平均加速度與車速進(jìn)行識(shí)別。建立Takagi-Sugeno 模型可很好地識(shí)別駕駛意圖，基于此識(shí)別方法的控制策略可優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性，且此方法對(duì)于制動(dòng)同樣適用。

制動(dòng)回饋按開啟方式分為收油門回饋和踩制動(dòng)踏板回饋，對(duì)后者的研究較多。文獻(xiàn)[15]建立油門和制動(dòng)踏板模型，采用模糊識(shí)別方法對(duì)駕駛員駕駛意圖進(jìn)行識(shí)別，將制動(dòng)意圖分為緊急、中強(qiáng)度和小強(qiáng)度制動(dòng)；在制動(dòng)意圖基礎(chǔ)上建立了“僅考慮踩下制動(dòng)踏板”和“同時(shí)考慮踩下制動(dòng)踏板和收起油門”2 種模式，研究表明，油門收起模擬發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的控制策略較普通控制策略在能量回收率和續(xù)駛里程方面均有提升。

4 機(jī)電制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略研究

電制動(dòng)響應(yīng)快、機(jī)械制動(dòng)響應(yīng)慢，如何協(xié)調(diào)是機(jī)電復(fù)合制動(dòng)的關(guān)鍵。目前復(fù)合制動(dòng)策略的研究主要集中在穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略[8]10。

4.1 穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略主要研究機(jī)電制動(dòng)力協(xié)調(diào)分配，多針對(duì)制動(dòng)器串聯(lián)耦合方式；按照具體要求對(duì)前后軸制動(dòng)力、機(jī)電制動(dòng)進(jìn)行分配，以提高回收率與舒適效果。

制動(dòng)強(qiáng)度＜0.1 時(shí)，根據(jù)制動(dòng)力曲線I分配制動(dòng)力；制動(dòng)強(qiáng)度≥0.1 時(shí)，根據(jù)ECE 曲線分配制動(dòng)力的增程式電動(dòng)汽車串聯(lián)制動(dòng)能量回收控制策略，能量回收效率也明顯提高[16]。文獻(xiàn)[17]充分考慮制動(dòng)安全性和能量回收時(shí)的電池、電機(jī)功率限制和車速等影響因素，以ECE 的M曲線和f曲線分配前后輪制動(dòng)力，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度確定前輪摩擦制動(dòng)力，結(jié)果表明，能量回收率提高了163.4%。文獻(xiàn)[18]在制動(dòng)能量回收過程對(duì)電制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)采用模糊控制進(jìn)行分配，在保證制動(dòng)安全的前提下增大制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，使得減速變化率更加平緩，獲得了更好的制動(dòng)舒適性。

文獻(xiàn)[19]對(duì)自動(dòng)擋HEV 的制動(dòng)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究，采用前輪再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)，后輪機(jī)械制動(dòng)。其控制策略為當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度小于界定值時(shí)，制動(dòng)只由前輪的再生制動(dòng)或前輪再生制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)完成；若大于界定值時(shí)，由前輪再生制動(dòng)和后輪機(jī)械制動(dòng)或前輪機(jī)械制動(dòng)加再生制動(dòng)與后輪機(jī)械制動(dòng)合作完成。仿真表明，其具有較好的能量回收效率，但是過高的前輪制動(dòng)力分配會(huì)造成舒適性下降。

4.2 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略

動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略主要針對(duì)制動(dòng)過程中的突變因素，協(xié)調(diào)機(jī)電制動(dòng)力，獲得較高的制動(dòng)穩(wěn)定性和理想的能量回收率，主要涉及制動(dòng)能量回收與機(jī)械制動(dòng)、ABS動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制。

文獻(xiàn)[20]針對(duì)熱衰退對(duì)制動(dòng)穩(wěn)定性的影響，提出電機(jī)制動(dòng)力補(bǔ)償算法，在車速為120 km/h，附著系數(shù)為0.8 的路面制動(dòng)，對(duì)熱衰退影響下的機(jī)械制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償，使制動(dòng)距離減少3.6 m、回收率提高2.2%。文獻(xiàn)[21]提出了依據(jù)路面附著系數(shù)調(diào)整ABS 與再生制動(dòng)的控制策略，低附路面液壓制動(dòng)提供基礎(chǔ)制動(dòng)力矩，中附路面電機(jī)提供基礎(chǔ)制動(dòng)力矩，高附路面退出電制動(dòng)，完全由液壓制動(dòng)提供制動(dòng)力矩。仿真表明，該控制策略兼顧制動(dòng)穩(wěn)定性與能量回收效率。文獻(xiàn)[22]將電子伺服制動(dòng)引入制動(dòng)，將再生制動(dòng)與高精度的制動(dòng)壓力協(xié)調(diào)控制，在進(jìn)行模式切換過程中保持良好的制動(dòng)踏板感覺，在跟車行駛工況下也保持較低的燃油消耗，在坡道起步時(shí)防止反轉(zhuǎn)，保持較好的駕駛感覺。

4.3 電池保護(hù)

電池壽命短、回收難、價(jià)格高，但基于目前的技術(shù)水平，還難以找到替代品，如何控制機(jī)電復(fù)合制動(dòng)，保護(hù)蓄電池并延長使用壽命變得十分重要。

文獻(xiàn)[23]建立電池模型和車輛驅(qū)動(dòng)模型，反映實(shí)時(shí)溫度，對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行模糊控制，調(diào)整制動(dòng)電流。研究表明，小電流有助于控制電池的溫度并確保能量回收率，為電池的熱安全性能研究提供了參考。

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)及機(jī)電復(fù)合制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)取得了較快發(fā)展，且能量回收率及制動(dòng)穩(wěn)定性都已達(dá)到實(shí)用水平，但仍存在以下問題：增程式HEV的制動(dòng)回收、SOC的精確計(jì)算方法以及如何考慮坡道對(duì)制動(dòng)回收系統(tǒng)的影響有待深入研究；對(duì)無人駕駛汽車制動(dòng)能量回收的研究較少；缺少準(zhǔn)確的車輛制動(dòng)數(shù)學(xué)模型。