羅溶

電動車再生制動系統(tǒng)研究

羅溶

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

為了提高電動汽車制動能量的回收效率，文章主要從三個方面進行探討：首先介紹了再生制動定義及基本原理，進而闡述其設計、主要功能等規(guī)范，最后介紹了再生制動控制策略，對行業(yè)人員有一定的借鑒作用。最終滿足人們對電動汽車的使用需求，推動電動汽車的發(fā)展。

電動車；再生制動；能量回收；策略

引言

傳統(tǒng)汽車在行駛中，大約有35-80%的能量損失在制動過程中，而電動汽車和傳統(tǒng)汽車相比，有一個明顯的特點：即在制動過程中能夠進行能量回收利用，提高能源利用率同時提高電動汽車續(xù)航里程，此回收過程即為再生制動，是當前電動汽車研究的一個熱點[1]。本文圍繞再生制動的策略進行研究分析。

再生制動是一種使用在電動車上的制動技術，在制動時把車輛的動能轉化及儲存在電機中，而不是變成無用的熱能，釋放到空氣中。再生制動在制動過程中將電動機轉換成發(fā)電機運轉，利用車的慣性帶動電機轉子旋轉而產(chǎn)生反轉力矩，將一部分的動能或勢能轉化為電能并加以儲存或利用，是一個能量回收的過程。再生制動被廣泛應用于純電動車和混合動力車輛上。

1 再生制動定義及基本原理

1.1 再生制動定義

再生制動是指電動汽車制動時，電機反轉產(chǎn)生反轉力矩，將動能轉化為電能的制動能量回收方式，在制動過程中，車輛的動能可以通過電機作為發(fā)電設備，來對電池包進行充電，將車輛的部分動能轉化為電能，實現(xiàn)能量的再生利用[1]。

1.2 再生制動基本原理

再生制動最簡單的方式是在傳統(tǒng)的液壓制動力矩的基礎上增加再生制動力矩，即非合作式再生制動系統(tǒng)，因為液壓制動系統(tǒng)與額外施加的再生制動扭矩是彼此獨立的，沒有調(diào)節(jié)液壓制動扭矩以滿足駕駛員制動要求。只有在踩制動踏板時，再生制動才會觸發(fā)，此時再生制動扭矩和摩擦制動扭矩是同時施加在輪邊的，因此再生制動系統(tǒng)可以視為一個與液壓制動并行的制動系統(tǒng)[2]。如圖1所示：

圖1 再生制動扭矩與駕駛員請求制動扭矩關系圖

2 再生制動功能規(guī)范

2.1 再生制動系統(tǒng)設計概述

再生制動系統(tǒng)功能的主要任務是協(xié)調(diào)來自駕駛員的制動請求，發(fā)送一個目標扭矩給電機，請求回收制動扭矩，與此同時，電機產(chǎn)生的反轉力矩又可通過傳動系統(tǒng)施加到車輪上產(chǎn)生制動力和液壓制動產(chǎn)生制動力矩共同滿足駕駛員的請求。

最高效的再生制動方式是將駕駛員的制動請求盡可能多的轉化為電能并盡可能減少施加的液壓制動扭矩，這需要同時考慮回收效率，車輛穩(wěn)定性以及制動舒適性。

再生制動能力取決于車速，并受到電池充電狀態(tài)的限制。

2.2 再生制動主要功能

再生制動功能主要分解為三塊：

（1）回收能力的預處理（Pre-Shaping）；

（2）制動扭矩分解（Brake Torque Distribution）；

（3）扭矩協(xié)調(diào)（Toque Blending）。

圖2 再生制動系統(tǒng)功能分解圖

上圖2中：

MregenPotential 由動力系統(tǒng)提供的可回收能力；

vVehicle 車輛速度；

MRegenPotential,F當0 <= MRegenPotential,F <= Mregen Potential時預處理后的可回收能力；

MdriverRequest 駕駛員的制動需求；

MVafRequest 增值功能提供的制動請求，（比如自適應巡航系統(tǒng)）；

CoFA,RA前后軸的動力系統(tǒng)扭矩；

MTarget,FA,RA用于扭矩疊加的前后軸具體的制動請求；

Fstability 過渡制動的穩(wěn)定因子；

MregenTarget 需要動力系統(tǒng)實現(xiàn)的回收制動請求；

pFrictionTarget,FA,RA 需要通過壓力控制來達到的前后軸目標壓力；

M：扭矩；

P：壓力；

F：因素。

2.2.1回收能力的預處理

預處理包含了從動力系統(tǒng)接收可回收能力的全過程，該能力值需要滿足安全限制和舒適性梯度。安全限制是由制動系統(tǒng)或者制動回收執(zhí)行機構來決定的。

2.2.2制動扭矩請求分解

制動扭矩請求分解是按照前后軸來分解制動請求，需要同時考慮可回收能力和動力系統(tǒng)的扭矩分配。此外，還考慮了車輛穩(wěn)定性方面的可能限制。

駕駛員的制動請求在前后軸之間的分配，與主缸壓力、回收能力和動力系統(tǒng)扭矩分布有關。

2.2.3扭矩協(xié)調(diào)

驅動軸的制動力為再生制動力與機械制動力之和。當駕駛員制動時，高于主缸壓力的部分制動請求可通過再生實現(xiàn)，也即意味著整個主缸壓力用于摩擦制動，剩余的制動請求通過發(fā)電機實現(xiàn)。

最理想的能量回收系統(tǒng)，能量100%通過再生制動，不需要機械制動的介入，而且可以盡量減少在減速器、電機、電機控制器等環(huán)節(jié)的能量損失。但是機械制動由于以下三個原因，不能取消：

（1）當電池包處于滿電或接近滿電狀態(tài)時，不允許再存儲更多的能量，此時需要機械制動來滿足駕駛員的制動請求。電池的溫度SOC以及允許回充電流MAP是影響該因素的量化指標。

（2）根據(jù)電機制動能量回收最大力矩外特性曲線，當駕駛員請求的制動力矩超過電機最大回收能力時，為了安全，機械制動需要提供部分制動力矩。

（3）當車輛車速較低時，不能與車輛蠕行策略沖突，能量回收需退出，此時需要機械制動介入。能量回收退出的車速必須大于車輛蠕行工況的最大車速；或者取消蠕行策略，最低車速可以逼近0，而在車輛停止時由機械制動介入[3]。

2.2.4車輛穩(wěn)定性

為保證車輛的穩(wěn)定性，在某些駕駛情況下，不允許進行制動能量回收，例如急變道、猛打方向盤等。因此可以根據(jù)制動減速度的強度給出相對應的穩(wěn)定因子，穩(wěn)定因子的大小決定了能量回收的強弱，穩(wěn)定因子一般在0~1的范圍：

（1）輕踩制動，減速度請求小于0.4g，穩(wěn)定因子為1，回收的能量較強，在制動減速度要求小于0.1g時，可以完全依靠電機再生制動滿足駕駛員的制動請求。

（2）在減速度請求大于0.4g小于0.6g時，此時穩(wěn)定因子在0-1之間，請求的減速度越大，穩(wěn)定因子越小，回收的能量就越少，制動請求更多依靠機械制動。

（3）在減速度請求大于0.6g時，此時車輛穩(wěn)定因子為0，認為是緊急制動，不會進行能量回收，完全依靠機械制動。

3 再生制動控制策略

3.1 能量回收策略

在駕駛員踩下制動踏板時，此時再生制動功能觸發(fā)，ESP電控單元會發(fā)出一個目標回收扭矩請求，整車電控單元會根據(jù)車速信號計算此時電機轉速進一步得到電機所能提供的最大再生扭矩，一般目標回收扭矩請求都小于電機所能提供的最大再生扭矩，此時電機施加到輪邊的回收制動力矩接近于目標回收扭矩，如果駕駛員請求的減速度小于0.1g，電機反轉產(chǎn)生的再生制動力矩可以滿足駕駛員要求；如果大于0.1g，根據(jù)制動踏板位置信號計算得到駕駛員請求制動力矩，減去電機再生產(chǎn)生的制動力矩，剩下的制動力矩由機械制動提供。

3.2 再生制動評價指標

再生制動評價指標作為制動能量回收技術性能優(yōu)劣的評價標準，具有重要的理論研究價值。目前常利用電機允許能量回收強度、續(xù)航里程、制動能量回收效率等指標進行評價[4]。國內(nèi)電動車普遍能達到的續(xù)航里程一般在400公里左右，而某款著名的電動車續(xù)航里程可達到660公里，遠高于市場上同級別電池容量的電動車，具有高效的制動能量回收能力。目前傳統(tǒng)疊加式能量回收效率約為10%~15%，最大回收減速度可達到0.12g；而新型協(xié)調(diào)式能量回收做到了智能化、高效能量回收，回收率達到25%-30%。

4 總結

對于電動汽車來說，制動能量的有效回收非常重要，能量回收效率直接影響到電動汽車的續(xù)航里程，目前受制于一些技術等方面原因，再生制動達不到100%能量回收，還需要在這個領域進一步探索研究，滿足人們對電動汽車日益提高的使用需求，推動電動汽車的蓬勃發(fā)展。

[1] 趙文平.純電動客車再生制動與液壓制動協(xié)調(diào)控制算法研究[D].長春:吉林大學,2008.

[2] 張旭,于士軍.電動汽車制動能量回收系統(tǒng)設計[J].河北農(nóng)機,2016(12): 50+52.

[3] 胡建國,龔春忠,張永,何浩.電動汽車制動能量回收技術研究[J].汽車實用技術,2019(02):10-12.

[4] 劉新天,王昊,何耀,鄭昕昕,曾國建.基于最優(yōu)能量回收的再生制動控制策略[J].時代汽車,2018(03):51-52.

Regenerative Braking Research for Electric vehicles

Luo Rong

( Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330052 )

In order to improve the recovery efficiency of braking energy of electric vehicles, this paper mainly discusses three aspects: the definition and basic principle of regenerative braking, and then expounds its design, main functions and other specifications. Finally, it introduces the regenerative braking control strategy, which has a certain reference for industry personnel. Finally meet the needs of people for the use of electric vehicles, promote the development of electric vehicles.

Electric vehicles; Regenerative braking; Braking energy recovery; Kinetic energy; Electricity

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.003

U469.7

B

1671-7988(2021)06-08-03

U469.7

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1671-7988(2021)06-08-03

羅溶，工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，從事制動系統(tǒng)及底盤電控系統(tǒng)的設計開發(fā)及研究工作。