王爍宇 郭鵬 徐振寧 安林春

1.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室 天津市 300384

2.天津理工大學(xué) 機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心 天津市 300384

1 前言

在保證車輛行駛穩(wěn)定性的前提下，制動能量回收系統(tǒng)將汽車制動或減速過程中的部分機械能，經(jīng)過再生系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，并通過能量轉(zhuǎn)換裝置儲存在儲能裝置中，同時產(chǎn)生一定的制動阻力，實現(xiàn)車輛制動減速[1]。制動能量回收對于增加續(xù)航里程、降低能耗和提高經(jīng)濟性能有重要的作用。對車輛制動能量回收系統(tǒng)的深入研究對新能源汽車的普及具有推動作用。

制動能量回收系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng)：再生制動系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)[2]。為了提高再生制動能量回收的效率和性能，合理的管理策略、能量回收模式和制動力分布是不可缺少的，現(xiàn)有的管理策略主要是并行策略和串行策略。并行策略下的再生制動可以直接添加到傳統(tǒng)的液壓制動中，而不需要對液壓制動力進(jìn)行任何調(diào)整。對于串行策略，再生制動力優(yōu)先于液壓制動力，伴隨著相應(yīng)的液壓制動力調(diào)整。所以廣泛采用串行策略，可以帶來良好的制動感覺。

制動能量回收技術(shù)可以有效地降低汽車的燃油消耗，對制動能量回收技術(shù)的研究涉及多種科學(xué)技術(shù)。目前，國內(nèi)外對制動能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛深入研究，在回收方式研究和策略研究等方面取得了一系列成果。本文總結(jié)和歸納了關(guān)于能量回收系統(tǒng)的國內(nèi)外文獻(xiàn)，綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和上述研究方面取得的成果，并指出了制動能量回收系統(tǒng)研究的發(fā)展方向。

2 能量回收系統(tǒng)在車輛中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

法國人Darracq首次應(yīng)用制動能量回收。由于電機與電池性能的局限性和內(nèi)燃機技術(shù)突飛猛進(jìn)，制動能量回收技術(shù)發(fā)展停滯不前。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展、環(huán)保意識增強，制動能量技術(shù)儼然成為汽車研究的熱門話題。然而，在制動過程中，大部分動能由于制動器和車輪之間的摩擦而損失，傳統(tǒng)的機械制動方法會因摩擦產(chǎn)生大量的熱量，在當(dāng)今日益擁堵的城市道路上，汽車頻繁的啟動和制動勢必造成大量摩擦散失。國內(nèi)外科研人員和汽車公司都對制動能量回收技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，目前，制動能量回收系統(tǒng)的研究主要集中在兩個方面，一是如何盡可能多地獲取制動能量，二是如何更快、更安全地回收制動能量[3]。

國外針對制動能量回收的研究較完善，不僅在理論研究方面，而且在實物應(yīng)用方面也相對成熟。豐田在1997 年開發(fā)了Prius 混合動力汽車，第一代Prius 再生制動系統(tǒng)沒有采用電子控制制動器（ECB），在制動能量回收與液壓制動協(xié)調(diào)控制存在問題，導(dǎo)致車輛制動時舒適性差。在第二代中，通過調(diào)整液壓制動力和再生制動力之間的比例，從而提高了能量回收系統(tǒng)的能量利用率[4，5]。通過對電子控制制動器不斷改進(jìn)研究，不斷提高系統(tǒng)性能，以及實現(xiàn)低重量和低成本。

本田第一代采用雙制動力分配系數(shù)的控制策略，通過制動踏板開關(guān)聯(lián)動實現(xiàn)一定量的制動回收[6，7]。第二代在第一代的基礎(chǔ)上，根據(jù)駕駛員的制動踏板力提高制動回收比例，進(jìn)一步提高回收量。最大的創(chuàng)新是第三代，使用電子控制實現(xiàn)制動回收協(xié)調(diào)方案，最大限度地使再生制動力代替摩擦制動，同時兼顧制動舒適性確保車輛穩(wěn)定性和安全性。采用雙BOX 設(shè)計概念是本田電子制動助力系統(tǒng)最為獨特所在[7]，在不影響制動感覺的情況下大大提高了制動回收量。IMA 混合動力系統(tǒng)在2010 款I(lǐng)nsight 混合動力車上應(yīng)用，系統(tǒng)采用執(zhí)行器和電控單元組成的一體化模塊[8]。

福特公司的線傳電液系列再生制動系統(tǒng)，用線傳操控技術(shù)、電子系統(tǒng)和機械制動器取代機械及液壓制動系統(tǒng)，將駕駛者的踏板命令轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?qū)動電機執(zhí)行所需的操作，明顯提高了制動性能[9]。然而駕駛感覺、制動距離和最佳能量回收等控制目標(biāo)往往是互相制約的，這些要求在實際駕駛中無法同時滿足。Susan R.Cikanek 介紹了PHEV 新型并聯(lián)再生制動系統(tǒng)，通過高效、單齒輪、直接驅(qū)動變速箱來實現(xiàn)再生制動，以實現(xiàn)最佳的制動效率。這種再生制動系統(tǒng)已經(jīng)在車輛上進(jìn)行了模擬和測試[10]。

美國Texas A&M 大學(xué)的YiminGao 等人提出了三種控制策略：理想再生制動策略、最優(yōu)再生制動策略和并聯(lián)再生制動策略[11]，從制動性能的角度分析和評價三種制動力分配控制策略，對汽車的續(xù)航能力和能源效率有重要影響，并在城市駕駛循環(huán)條件的中型混合動力汽車上進(jìn)行了模擬分析。

Yimin Gao 和Mehrdad Ehsani 解決了能量回收系統(tǒng)與ABS 系統(tǒng)兼容工作的問題。研究出一種集成ABS 系統(tǒng)的制動控制策略，并對基于該策略的全電動和混合動力汽車進(jìn)行了仿真實驗[12]。然而，制動能量回收系統(tǒng)和ABS 系統(tǒng)處理相同的參數(shù)，這使得軟件處理變得更加困難，當(dāng)車輪抱死時，這兩個系統(tǒng)必須切換其操作，這增加了系統(tǒng)的錯誤率。

國內(nèi)針對制動能量回收的研究都只停留在理論分析或者建模仿真階段，研究技術(shù)水平高于目前市場主流產(chǎn)品，在實車上應(yīng)用較少，難以實現(xiàn)量產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化。國內(nèi)研究人員針對控制策略進(jìn)行了深入研究，提出一些改進(jìn)意見，并建立了相關(guān)模型進(jìn)行仿真驗證。重慶大學(xué)的譚強俊等人通過對CVT 混合動力車進(jìn)行研發(fā)升級，使系統(tǒng)具有再生制動、復(fù)合制動和摩擦制動三種工作模式[9]。清華大學(xué)羅禹貢、李蓬等人用了最優(yōu)控制理論建立了制動力分配模型，顯著提高了制動反應(yīng)速度和能量回收率[13]。上海交大王保華等人對純電機制動模式和機電混合制動模式的汽車能量回收進(jìn)行了仿真研究，建立了并聯(lián)式混合動力汽車動力模型[14]。

3 能量回收系統(tǒng)回收方式研究分析

系統(tǒng)工作原理是在制動減速過程中將車輛的一部分動能轉(zhuǎn)化成電能或者其它形式的能，并將其儲存在儲能裝置中，儲存起來的能量也可以通過驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)化為車輛動能，如圖1 所示。根據(jù)能量回收方式的不同可以分為機械儲能、液壓儲能和電化學(xué)儲能[15，16]。其中以電化學(xué)儲能制動能量回收系統(tǒng)發(fā)展較為完善[17]。

圖1 制動能量轉(zhuǎn)化圖

3.1 機械儲能

飛輪儲能是一種常見的機械儲能方式。在行駛中需要制動或減速時，車身的慣性動能通過飛輪儲能系統(tǒng)驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動，將制動能量回收轉(zhuǎn)化為飛輪動能并儲存起來。當(dāng)車輛啟動或加速時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪會逐漸減速，并將自身的動能傳遞給車身，充當(dāng)車輛啟動或加速時額外的能量來源。飛輪儲能機械結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但飛輪中儲存的動能大小與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，而轉(zhuǎn)動慣量又取決于飛輪的直徑和質(zhì)量，而較大質(zhì)量和直徑與成本和安裝空間相矛盾，因此在實車應(yīng)用中受到一定限制[18]。沃爾沃公司是第一家嘗試研究飛輪儲能系統(tǒng)的汽車公司，目前已研制成功的新系統(tǒng)KERSS 就是飛輪儲能系統(tǒng)；意大利的FIAT 在試驗中用飛輪作為輔助系統(tǒng)，取得了良好的效果。日本豐田公司在這項技術(shù)上做的最好，雷克薩斯的ES300H 等車型將這項技術(shù)發(fā)揮到了最高境界。

彈簧儲能是在車輛爬坡或制動過程中使彈簧發(fā)生形變，將能量轉(zhuǎn)化為彈性勢能，并在車輛需要加速時通過彈簧釋放能量。該儲能方式還沒有用于真正的車輛，而且在這方面的研究也很少。

3.2 液壓儲能

液壓儲能系統(tǒng)的回收包括兩個過程：制動能量的回收儲存以及釋放。這些能量被轉(zhuǎn)化為液壓能，在下降或減速時被儲存起來，并在車輛輔助加速時由液壓泵釋放。然而，該系統(tǒng)很沉重，只在公共汽車上實施過。液壓系統(tǒng)的密封性、受熱影響的液壓油粘度及油液中的空氣、雜質(zhì)等都會影響該系統(tǒng)工作的可靠性[18]。

3.3 電化學(xué)儲能

在制動回收中將動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來，儲存的能量在汽車啟動或加速時被釋放。豐田Prius 和本田Insight，它們都使用電化學(xué)儲能[19]。當(dāng)汽車制動過程中，制動能量回收裝置中的電機在發(fā)電機的狀態(tài)下工作，汽車高速運動的機械能通過分流驅(qū)動裝置帶動電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中。當(dāng)車輛開始起步時，電機作電動機將儲存的電化學(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動車輛運動的機械能。電化學(xué)儲能方式在制動過程中進(jìn)行頻繁的能量轉(zhuǎn)換，大大縮短了蓄電池的壽命，也是未來要攻克的難題。電液復(fù)合制動系統(tǒng)具有高功率密度和節(jié)能效率，適用于重型車輛[20]。安全駕駛時，電液復(fù)合能量回收制動既可進(jìn)行ABS 液壓制動，又能實現(xiàn)ABS 與電液復(fù)合能量回收制動和自動輔助制動[16]。

4 能量回收系統(tǒng)控制策略研究分析

制動能量回收控制策略既要保證車輛穩(wěn)定性，又要提高能量回收率，最終提高車輛的整體效率。能量回收的目的是使能量回收率最大化，并使駕駛者的駕駛體驗感舒適。研究制動能量回收控制策略時，提高再生制動力矩在整車總制動力矩中所占的比例是提高回收率的必要手段。馬什鵬等人根據(jù)是否考慮加速踏板的狀態(tài)，制動力分配策略的研究分為考慮加速踏板狀態(tài)的制動力分配策略和未考慮加速踏板狀態(tài)的制動力分配策略[21]。其思維導(dǎo)圖如圖2。

圖2 制動力分配策略

4.1 考慮加速踏板狀態(tài)的制動力分配策略

對制動意圖的精確識別是制動穩(wěn)定性的重要保證，也是完善控制策略的基礎(chǔ)。H He等人將制動過程分為松開加速器踏板和踩下制動踏板兩個過程。在松開加速器踏板操作中，提出了基于自適應(yīng)模糊控制算法的加速器踏板再生制動控制策略，在較少頻率使用制動踏板的情況下，制動能量可以得到有效地回收利用；在踩下制動踏板操作中，為復(fù)合制動系統(tǒng)提出了一個多目標(biāo)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，控制模型被采用來優(yōu)化分配再生制動力和液壓制動力，以同時優(yōu)化能源經(jīng)濟性和制動穩(wěn)定性[22]。通過實驗驗證了智能制動的控制效果，比歐盟260 標(biāo)準(zhǔn)中的制動控制策略更節(jié)能、更智能和更安全。

Ji F 等人研究了基于踏板情況的電動汽車再生制動系統(tǒng)能量回收，提出了一種能量回收模式，在油門踏板(AP)解除、制動踏板(BP)按下、AP 和BP 完全釋放的情況下回收制動能量；并提出了一種基于模糊識別方法識別駕駛員意圖的再生制動控制策略。提出的能量回收模式為實現(xiàn)電動汽車單踏板的設(shè)計提供了可行性[23]。

4.2 未考慮加速踏板狀態(tài)的制動力分配策略

4.2.1 經(jīng)典制動力分配策略

根據(jù)文獻(xiàn)代表中的典型再生制動控制理論，理想制動力分配控制策略目的是在保證車輛具有最佳前后制動力分配的前提下盡可能回收制動能量。并聯(lián)制動控制策略是針對具有固定比例分配制動力的車輛上進(jìn)行控制，所以有些文獻(xiàn)中又叫做固定比例制動力分配策略。最優(yōu)能量制動力分配策略的目的是保證安全性的前提下最大程度對制動能量進(jìn)行回收。這三種典型控制策略共同的特點就是再生制定力足夠滿足制動需求下，則制動力完全由再生制動生成，不需要液壓制動介入。只有當(dāng)再生制動不足以滿足制動需求時，才讓液壓制動系統(tǒng)參與制動。而且在制動過程中電機始終發(fā)揮最大的制動力，摩擦制動系統(tǒng)僅起到一個輔助作用[24-26]。

對前輪驅(qū)動的車輛來說，在制動力分配安全區(qū)間(即I 線下方和M 線上方)內(nèi)盡量多的增大前輪制動力的分配比例，因此吳興康結(jié)合典型策略模型，考慮制動力分配曲線與ECE 法規(guī)線構(gòu)建了基于ECE 法規(guī)、I 線的制動力分配策略[27]。通過ECU 對所需制動強度進(jìn)行分析處理，從而確定前后輪制動力大小。Z Zhang 等人綜合考慮道路狀況等因素對最優(yōu)再生制動力的影響，提出ECE 法規(guī)線和f 線相交和不相交的前后軸制動力分配策略[28]，通過半實物仿真有效地保證了電動汽車的駕駛安全性、舒適性、穩(wěn)定性和電池安全性，使制動能源利用率提高約10%。但是未考慮路面附著系數(shù)對結(jié)果的影響。Shengqin Li 等人將該分配策略與理想制動力分配策略進(jìn)行對比，結(jié)果仿真模擬驗證了前者能更好地提高制動回收率。試驗研究考慮到電機和電池的工作特性，可以有效提高電池SOC，提高續(xù)航里程范圍，但其忽略了路面附著系數(shù)對回收的影響[29]。

4.2.2 基于模型預(yù)測控制的制動力分配策略

該策略利用模型預(yù)測控制(MPC)原理來研究多目標(biāo)和多約束問題，用于設(shè)計總制動力分配控制器，但由于其計算程度的復(fù)雜性，并沒有在實際中得到應(yīng)用[30]。Huang X 等人提出了用于輕型電動汽車再生制動控制的非線性模型預(yù)測控制器，通過獨立確定前、后制動力來提高再生能量回收?？紤]到電機到電池的效率問題，而且在控制算法中明確地結(jié)合了車輛的縱向模型。但沒有提到制動力分配，嚴(yán)重限制了能量回收的提高[31]。Xu W 等人基于模型預(yù)測控制(MPC)理論，解決了制動能量回收系統(tǒng)的多目標(biāo)和約束問題。通過確定受執(zhí)行器約束的液壓制動力和再生制動力?？紤]電池的充電效率和SOC 和保證制動安全的情況下，對前后輪的制動扭矩進(jìn)行了優(yōu)化，使得前后輪制動力矩分布與液壓和輪內(nèi)電機制動相結(jié)合，從而最大限度地提高再生效率。保證了汽車的穩(wěn)定性，比分級控制結(jié)構(gòu)更能提高了能量回收和車輛穩(wěn)定性的可能空間。通過對電機和液壓系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)整，使制動回收效率得到最大程度的改善[32]。

4.2.3 基于智能算法的制動力分配策略

基于某種數(shù)學(xué)算法處理制動能量回收的多目標(biāo)、多約束的非線性問題，將制動協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)化為再生制動力和摩擦制動力分配問題。

（1）基于模糊控制的復(fù)合制動力分配策略：

通過模糊控制器來確定再生制動力的大小，以操作人員的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，將無法用數(shù)學(xué)模型解決的問題用模糊語言的形式表達(dá)。模糊控制器的主要組成部分為：輸入模糊化、設(shè)計模糊規(guī)則、模糊推理和解模糊化[33]。牛繼高等人對模糊控制器的輸入因素進(jìn)行不斷完善，制動強度、速度和電池SOC 等作為模擬控制器的輸入變量[34]。模糊控制理論具有魯棒性強、時變性大、非線性和滯后系統(tǒng)控制效果優(yōu)良等特點。

（2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的制動力復(fù)合分配策略：

制動力分布是一個非線性函數(shù)，依賴于許多參數(shù)，如加速度、速度和K 函數(shù)。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對再生制動力進(jìn)行分配，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以在優(yōu)化參數(shù)后，根據(jù)輸入信息快速找到最優(yōu)條件下的系統(tǒng)控制參數(shù)[35，36]。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)較多，不能進(jìn)行學(xué)習(xí)觀察過程，輸出的控制參數(shù)難以被解釋，從而影響學(xué)習(xí)效果，可能無法達(dá)到預(yù)期值[35]。

（3）基于遺傳算法的制動力分配策略

利用遺傳算法理論將制動協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)化為利用遺傳算法求解再生制動力和液壓制動力的全局最優(yōu)分配問題。基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法，優(yōu)化了液壓再生制動系統(tǒng)的參數(shù)。遺傳算法的算法具有并行處理、全局最優(yōu)解、快速收斂等特點。但算法的編程過程較復(fù)雜，它需要先對問題進(jìn)行編碼，然后再對其進(jìn)行譯碼，才能得到準(zhǔn)確的解，所花費的時間也更長[37]。

（4）基于粒子群優(yōu)化算法的制動力分配策略

采用粒子群算法對車輛制動力進(jìn)行最優(yōu)分配。粒子群算法優(yōu)勢在于它具有所需的代碼和參數(shù)較少，不會受到問題的維數(shù)的影響，但是它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱，至今尚無深入而又具有普遍的理論分析，對于收斂分析的研究還需要從確定性轉(zhuǎn)向隨機?；谥悄芩惴▋?yōu)化得到的控制策略各有利弊，共同優(yōu)化制動力分配策略，效果更加理想[21]。

5 能量回收系統(tǒng)的發(fā)展展望

近年來，制動能量回收系統(tǒng)研究發(fā)展迅速，制動的回收率和穩(wěn)定性都已達(dá)到實際應(yīng)用的要求。制動能量回收還受到電池SOC、制動強度、路面附著系數(shù)、車輛行駛速度和整車質(zhì)量等因素影響，涉及影響因素眾多，要發(fā)揮最大再生回收率，就要對這些因素進(jìn)行研究優(yōu)化。當(dāng)前，許多學(xué)者對其影響因素進(jìn)行了深入的探討，并取得了良好的效果。制動能量回收控制策略研究可以從以下幾個方面繼續(xù)展開研究。首先，研究電池因素對再生制動影響時，大多數(shù)學(xué)者僅將 SOC 值作為參考，而忽略了電池發(fā)熱量對電池充放電速度的影響。因此后續(xù)研究可結(jié)合電池荷電狀態(tài)SOC 值、電池溫度和電機工作性能對控制策略進(jìn)行改進(jìn)。其次，在設(shè)計制動回收控制策略時，研究人員都會在ABS 啟動前設(shè)定控制條件，需要考慮到實際駕駛過程中制動強度的因素影響，應(yīng)更多地關(guān)注制動能量回收與ABS 的協(xié)同控制，以后的研究可加入對ABS/ESP 和制動感覺等因素。以改善制動安全為出發(fā)點，設(shè)計出更加全面的控制算法。最后，考慮到車輛的實際操作中受到各種因素的影響，盡量使制動回收系統(tǒng)對車輛傳動系統(tǒng)影響最小。大部分研究采用理論仿真的方式，今后可以通過大量的實車試驗來檢驗系統(tǒng)的回收效果，而且對無人駕駛汽車制動能量回收的研究較少，缺乏精確的數(shù)學(xué)模型[38]。未來研究制動能量回收探索的新方向是不再借助摩擦制動器，完全利用制動回收系統(tǒng)。從現(xiàn)有的研究技術(shù)層面來看，要使制動能量回收與汽車性能做到完美的協(xié)調(diào)配合顯然還有很長的路要走。

6 結(jié)語

隨著環(huán)保意識的不斷提高，能量回收系統(tǒng)躍然成為汽車研究中的熱點話題。通過對制動能量回收系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述，總結(jié)了三種能量回收方式，對控制策略進(jìn)行討論分析，并對其優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)。對未來研究方向提出自己的見解。隨著研究的不斷深入，制動能量回收技術(shù)一定會出現(xiàn)重大提升，車輛能量回收效率會大幅提高，推動新能源汽車發(fā)展與進(jìn)步。