羅溶

電動(dòng)車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)研究

羅溶

（江鈴汽車(chē)股份有限公司，江西 南昌 330052）

為了提高電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量的回收效率，文章主要從三個(gè)方面進(jìn)行探討：首先介紹了再生制動(dòng)定義及基本原理，進(jìn)而闡述其設(shè)計(jì)、主要功能等規(guī)范，最后介紹了再生制動(dòng)控制策略，對(duì)行業(yè)人員有一定的借鑒作用。最終滿(mǎn)足人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的使用需求，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

電動(dòng)車(chē)；再生制動(dòng)；能量回收；策略

引言

傳統(tǒng)汽車(chē)在行駛中，大約有35-80%的能量損失在制動(dòng)過(guò)程中，而電動(dòng)汽車(chē)和傳統(tǒng)汽車(chē)相比，有一個(gè)明顯的特點(diǎn)：即在制動(dòng)過(guò)程中能夠進(jìn)行能量回收利用，提高能源利用率同時(shí)提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，此回收過(guò)程即為再生制動(dòng)，是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。本文圍繞再生制動(dòng)的策略進(jìn)行研究分析。

再生制動(dòng)是一種使用在電動(dòng)車(chē)上的制動(dòng)技術(shù)，在制動(dòng)時(shí)把車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)存在電機(jī)中，而不是變成無(wú)用的熱能，釋放到空氣中。再生制動(dòng)在制動(dòng)過(guò)程中將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用車(chē)的慣性帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，將一部分的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能并加以?xún)?chǔ)存或利用，是一個(gè)能量回收的過(guò)程。再生制動(dòng)被廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)輛上。

1 再生制動(dòng)定義及基本原理

1.1 再生制動(dòng)定義

再生制動(dòng)是指電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的制動(dòng)能量回收方式，在制動(dòng)過(guò)程中，車(chē)輛的動(dòng)能可以通過(guò)電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，來(lái)對(duì)電池包進(jìn)行充電，將車(chē)輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能量的再生利用[1]。

1.2 再生制動(dòng)基本原理

再生制動(dòng)最簡(jiǎn)單的方式是在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)力矩的基礎(chǔ)上增加再生制動(dòng)力矩，即非合作式再生制動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)橐簤褐苿?dòng)系統(tǒng)與額外施加的再生制動(dòng)扭矩是彼此獨(dú)立的，沒(méi)有調(diào)節(jié)液壓制動(dòng)扭矩以滿(mǎn)足駕駛員制動(dòng)要求。只有在踩制動(dòng)踏板時(shí)，再生制動(dòng)才會(huì)觸發(fā)，此時(shí)再生制動(dòng)扭矩和摩擦制動(dòng)扭矩是同時(shí)施加在輪邊的，因此再生制動(dòng)系統(tǒng)可以視為一個(gè)與液壓制動(dòng)并行的制動(dòng)系統(tǒng)[2]。如圖1所示：

圖1 再生制動(dòng)扭矩與駕駛員請(qǐng)求制動(dòng)扭矩關(guān)系圖

2 再生制動(dòng)功能規(guī)范

2.1 再生制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

再生制動(dòng)系統(tǒng)功能的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)來(lái)自駕駛員的制動(dòng)請(qǐng)求，發(fā)送一個(gè)目標(biāo)扭矩給電機(jī)，請(qǐng)求回收制動(dòng)扭矩，與此同時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩又可通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)施加到車(chē)輪上產(chǎn)生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力矩共同滿(mǎn)足駕駛員的請(qǐng)求。

最高效的再生制動(dòng)方式是將駕駛員的制動(dòng)請(qǐng)求盡可能多的轉(zhuǎn)化為電能并盡可能減少施加的液壓制動(dòng)扭矩，這需要同時(shí)考慮回收效率，車(chē)輛穩(wěn)定性以及制動(dòng)舒適性。

再生制動(dòng)能力取決于車(chē)速，并受到電池充電狀態(tài)的限制。

2.2 再生制動(dòng)主要功能

再生制動(dòng)功能主要分解為三塊：

（1）回收能力的預(yù)處理（Pre-Shaping）；

（2）制動(dòng)扭矩分解（Brake Torque Distribution）；

（3）扭矩協(xié)調(diào)（Toque Blending）。

圖2 再生制動(dòng)系統(tǒng)功能分解圖

上圖2中：

MregenPotential 由動(dòng)力系統(tǒng)提供的可回收能力；

vVehicle 車(chē)輛速度；

MRegenPotential,F當(dāng)0 <= MRegenPotential,F <= Mregen Potential時(shí)預(yù)處理后的可回收能力；

MdriverRequest 駕駛員的制動(dòng)需求；

MVafRequest 增值功能提供的制動(dòng)請(qǐng)求，（比如自適應(yīng)巡航系統(tǒng)）；

CoFA,RA前后軸的動(dòng)力系統(tǒng)扭矩；

MTarget,FA,RA用于扭矩疊加的前后軸具體的制動(dòng)請(qǐng)求；

Fstability 過(guò)渡制動(dòng)的穩(wěn)定因子；

MregenTarget 需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的回收制動(dòng)請(qǐng)求；

pFrictionTarget,FA,RA 需要通過(guò)壓力控制來(lái)達(dá)到的前后軸目標(biāo)壓力；

M：扭矩；

P：壓力；

F：因素。

2.2.1回收能力的預(yù)處理

預(yù)處理包含了從動(dòng)力系統(tǒng)接收可回收能力的全過(guò)程，該能力值需要滿(mǎn)足安全限制和舒適性梯度。安全限制是由制動(dòng)系統(tǒng)或者制動(dòng)回收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)決定的。

2.2.2制動(dòng)扭矩請(qǐng)求分解

制動(dòng)扭矩請(qǐng)求分解是按照前后軸來(lái)分解制動(dòng)請(qǐng)求，需要同時(shí)考慮可回收能力和動(dòng)力系統(tǒng)的扭矩分配。此外，還考慮了車(chē)輛穩(wěn)定性方面的可能限制。

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

2.2.3扭矩協(xié)調(diào)

驅(qū)動(dòng)軸的制動(dòng)力為再生制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力之和。當(dāng)駕駛員制動(dòng)時(shí)，高于主缸壓力的部分制動(dòng)請(qǐng)求可通過(guò)再生實(shí)現(xiàn)，也即意味著整個(gè)主缸壓力用于摩擦制動(dòng)，剩余的制動(dòng)請(qǐng)求通過(guò)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

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

（1）當(dāng)電池包處于滿(mǎn)電或接近滿(mǎn)電狀態(tài)時(shí)，不允許再存儲(chǔ)更多的能量，此時(shí)需要機(jī)械制動(dòng)來(lái)滿(mǎn)足駕駛員的制動(dòng)請(qǐng)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(biāo)。

（2）根據(jù)電機(jī)制動(dòng)能量回收最大力矩外特性曲線(xiàn)，當(dāng)駕駛員請(qǐng)求的制動(dòng)力矩超過(guò)電機(jī)最大回收能力時(shí)，為了安全，機(jī)械制動(dòng)需要提供部分制動(dòng)力矩。

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

2.2.4車(chē)輛穩(wěn)定性

為保證車(chē)輛的穩(wěn)定性，在某些駕駛情況下，不允許進(jìn)行制動(dòng)能量回收，例如急變道、猛打方向盤(pán)等。因此可以根據(jù)制動(dòng)減速度的強(qiáng)度給出相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定因子，穩(wěn)定因子的大小決定了能量回收的強(qiáng)弱，穩(wěn)定因子一般在0~1的范圍：

（1）輕踩制動(dòng)，減速度請(qǐng)求小于0.4g，穩(wěn)定因子為1，回收的能量較強(qiáng)，在制動(dòng)減速度要求小于0.1g時(shí)，可以完全依靠電機(jī)再生制動(dòng)滿(mǎn)足駕駛員的制動(dòng)請(qǐng)求。

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

（3）在減速度請(qǐng)求大于0.6g時(shí)，此時(shí)車(chē)輛穩(wěn)定因子為0，認(rèn)為是緊急制動(dòng)，不會(huì)進(jìn)行能量回收，完全依靠機(jī)械制動(dòng)。

3 再生制動(dòng)控制策略

3.1 能量回收策略

在駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，此時(shí)再生制動(dòng)功能觸發(fā)，ESP電控單元會(huì)發(fā)出一個(gè)目標(biāo)回收扭矩請(qǐng)求，整車(chē)電控單元會(huì)根據(jù)車(chē)速信號(hào)計(jì)算此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步得到電機(jī)所能提供的最大再生扭矩，一般目標(biāo)回收扭矩請(qǐng)求都小于電機(jī)所能提供的最大再生扭矩，此時(shí)電機(jī)施加到輪邊的回收制動(dòng)力矩接近于目標(biāo)回收扭矩，如果駕駛員請(qǐng)求的減速度小于0.1g，電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力矩可以滿(mǎn)足駕駛員要求；如果大于0.1g，根據(jù)制動(dòng)踏板位置信號(hào)計(jì)算得到駕駛員請(qǐng)求制動(dòng)力矩，減去電機(jī)再生產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，剩下的制動(dòng)力矩由機(jī)械制動(dòng)提供。

3.2 再生制動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

再生制動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為制動(dòng)能量回收技術(shù)性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。目前常利用電機(jī)允許能量回收強(qiáng)度、續(xù)航里程、制動(dòng)能量回收效率等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)普遍能達(dá)到的續(xù)航里程一般在400公里左右，而某款著名的電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程可達(dá)到660公里，遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上同級(jí)別電池容量的電動(dòng)車(chē)，具有高效的制動(dòng)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(dá)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(dá)到25%-30%。

4 總結(jié)

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，制動(dòng)能量的有效回收非常重要，能量回收效率直接影響到電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，目前受制于一些技術(shù)等方面原因，再生制動(dòng)達(dá)不到100%能量回收，還需要在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)一步探索研究，滿(mǎn)足人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)日益提高的使用需求，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的蓬勃發(fā)展。

[1] 趙文平.純電動(dòng)客車(chē)再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)控制算法研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2008.

[2] 張旭,于士軍.電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī),2016(12): 50+52.

[3] 胡建國(guó),龔春忠,張永,何浩.電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收技術(shù)研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2019(02):10-12.

[4] 劉新天,王昊,何耀,鄭昕昕,曾國(guó)建.基于最優(yōu)能量回收的再生制動(dòng)控制策略[J].時(shí)代汽車(chē),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

B

1671-7988(2021)06-08-03

羅溶，工程師，就職于江鈴汽車(chē)股份有限公司，從事制動(dòng)系統(tǒng)及底盤(pán)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及研究工作。