轮毂电机驱动电动汽车再生制动系统分析*
2015-04-15余进超李军重庆交通大学机电与汽车工程学院重庆400074
余进超，李军（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074）
轮毂电机驱动电动汽车再生制动系统分析*
余进超，李军
（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074）
摘要：以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象，介绍了轮毂电机的结构组成及其集成制动系统的解决方案；阐述了轮毂电机再生制动的基本原理；根据再生制动系统的要求，分析了轮毂电机再生制动的约束条件；通过对几种不同典型的再生制动系统控制策略的对比分析，确定了一种适合轮毂电机驱动电动汽车的再生制动控制方案。
关键词：电动汽车；轮毂电机；再生制动；控制策略
*重庆市自然科学基金重点项目（编号：CSTC2013yykfB0184）；重庆交通大学研究生教育创新基金项目（编号：20120108）
0 引言
再生制动能量回收系统是指在电动汽车制动或减速时，将汽车行驶的动能或势能通过传统系统传递给发电机，并将其转换成电能，为动力电池充电，以实现制动能量的再生利用，提高电动汽车的能量利用率，并起到保护环境的积极作用[1]。电机再生制动力并不是作用在任何车轮上，只有与动力传动系统相连的车轮即驱动轮才能获得电机再生制动，实现整车动能向电机的传递和转化。因此，相较于前轮或后轮驱动的电动汽车，四轮驱动电动汽车的能量回收效果最佳[2-4]。
制动能量回收系统的研究是电动汽车开发过程中的重要环节之一，而其性能则主要依赖于该系统的控制策略[4]。本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象，对其再生制动系统能量回收及其控制策略进行研究和分析。
1 轮毂电机的结构及制动系统集成
1.1轮毂电机的结构组成
根据轮毂电机驱动电动汽车的动力性需求，安装在电动汽车上的轮毂电机要求在低速时能提供较大的转矩，以确保汽车能够顺利起步；同时，电机还要有较宽的调速范围，以使汽车有较好的动力性能。目前，在轮毂电机驱动电动汽车上运用较多的是永磁无刷直流电机，该种轮毂电机结构紧凑，不仅可减少汽车的轴向尺寸，且对控制系统的响应速度快[5]。
如图1和图2所示，该种轮毂电机的驱动方式为外转子直接驱动，由电机定子、转子、轴承、逆变器及控制器等组成；通过线控系统将整车的控制器与电机的控制器联系起来，去除了传统的动力传递系统，在保留传统的刹车系统和转向系统的基础上，提高整车能量利用效率的同时简化了汽车的机械结构，使其拥有更多的布置空间。
图1 电动轮三维分解图
1.2轮毂电机制动系统的集成
汽车的制动性能是影响汽车安全行驶的最重要特征之一，它是汽车安全行驶的重要保障。根据汽车制动性的三个评价指标：制动效能、制动效能恒定性和制动时汽车的方向稳定性，汽车的制动系统必须满足以下要求：（1）紧急制动时必须保证汽车有较好的制动效能；（2）保持汽车制动时的方向稳定性[6]。
图2 轮毂电机示意图
利用轮毂电机可以被控制作为发电机使用的特性，在汽车的制动过程中，通过轮毂电机的发电特性将汽车的部分动能转化为电能并保存至能量储存装置，同时负的电枢电流产生一个制动性的转矩，经传动系统传递给车轮以实现对汽车的制动；然而由于轮毂电机驱动电动汽车制动系统中电机电制动容量较小，不能满足整车制动效能的要求，因而需要附加机械制动系统。轮毂电机驱动电动汽车机械制动系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或盘式制动器。由于轮毂电机电制动容量的存在，往往可以使机械制动系统中制动器的设计容量适当减小，如图3所示轮毂电机集成制动系统。
图3 轮毂电机集成制动系统
2 轮毂电机再生制动基本原理
电动汽车制动能量的回收系统对于提高电动汽车能量的利用率，增加续驶里程具有重要意义。该系统主要由能量转换装置、能量储存装置以及控制部分组成。当电动汽车通电时，轮毂电机驱动汽车行驶；汽车制动时，此时轮毂电机处于发电状态，同时产生一个负转矩给车轮，使汽车的部分动能转化为电能，对能量进行回收再利用，以提高汽车的能源利用率并增加其续驶里程[7]。
汽车在行驶过程中，牵引力Ft应满足：
其中：Ff为滚动阻力、Fj为加速阻力（制动力）、Fi为坡度阻力、Fw为空气气阻力。
设刹车前车速为V1，刹车后车速为V2，则刹车过程中的动能损耗为：
在存在频繁制动的城市交通工况下，一般车速和路面坡度都较低，故可认为坡度阻力Fi和空气阻力Fw均可忽略不计，所以式（2）可简化为：
m为汽车质量；s为制动距离。滚动阻力由车轮变形及与地面的摩擦产生，这部分能量以热能的形式散发，无法回收；轮毂电机集成制动系统中的制动力包括再生动力和传统摩擦制动力；摩擦制动力产生的能量无法回收，只有再生制动力消耗的能量才可以回收。
轮毂电机在制动发电时满足的功率平衡关系如式（4）：
其中：P1为电机在发电状态下的输入功率；Pm为机械损耗；Pf为定子损耗；Pe为电磁功率；电机电枢输出功率与电磁功率之间的关系如式（5）：
其中：P2为电机电枢输出功率；P1为电机电枢电流；R为定子单相绕组电阻；n为定子绕组相数。
3 再生制动系统要求与约束条件
3.1再生制动系统要求
制动能量回收两个基本原则：一是确保整车行驶安全，尽量使整车制动过程符合传统驾驶习惯；二是最大限度地进行制动能量回收。
为使再生制动系统较好地完成汽车制动与制动能回收的双重任务，须满足如下要求[7-8]。
（1）制动稳定性：为保证车辆制动安全，要求加入再生制动系统后，一方面要避免出现后轮先抱死的危险工况；另一方面要尽量避免前轮先抱死，以保证车辆的转向能力；同时制动时前、后轮均要有足够的制动效率，以保证足够的制动效能。
（2）制动平顺性：在满足车辆制动需求的条件下，机械摩擦制动能根据电制动力矩的大小相应地变化，使驾驶员在加入再生制动力后制动时的感觉与传统燃油车一样平顺。
（3）能量回收率：在保证制动稳定性与平顺性的前提下，通过设置适当的整车再生制动控制策略，尽可能多地回收制动能。
3.2轮毂电机再生制动约束条件
轮毂电机驱动电动汽车制动能量回收受到电池荷电状态、车速、电机特性、制动法规及地面附着力等因素的限制[7，9]。
制动能量回收时轮毂电机的发电功率不能大于电池的最大充电功率，否则会对电池造成损坏；同时制动能量回收还受到电池荷电状态SOC的影响，当电池SOC值较高时，为延长电池寿命，不再进行制动能量回收；轮毂电机在不同转速下的发电能力不同，同时根据轮毂电机特性，当轮毂电机转速低于额定转速时，以恒定转矩输出；而轮毂电机转速高于额定转速时，以恒定功率输出，此时电机的转速与输出转矩成反比。另外，当车辆的制动初速度低于某一阀值（10～15 km/h）时，轮毂电机便停止制动能的回收；轮毂电机驱动电动汽车在制动时，每个车轮上都会有电机制动力参与，以制动安全稳定为首要目标，其制动力的大小受到相关制动法规的限制。
因此，如何协调控制轮毂电机再生制动力与摩擦制动力之间，以及前、后轮制动力之间的比例关系，是轮毂电机再生制动能量回收的关键。
4 轮毂电机再生制动控制策略分析
再生制动控制策略的总体目标是：在保证整车制动性能的前提下，使制动能量的回收达到最大化。
本文研究的轮毂电机驱动电动汽车再生制动系统，主要由四个轮毂电机、逆变器、电机控制器、整车控制单元ECU、动力电池、机械制动系统和调压装置组成。该结构方案的特点是在汽车前后制动管路上装有调压机构，通过调压机构可以按照要求调节前后轮机械制动力的大小；该系统可以根据驾驶者的制动意图确定出所需的总制动力，并实时获取车速及电池SOC值，通过整车控制单元ECU计算出四个轮毂电机的再生制动力；当四个轮毂电机产生的再生制动力小于所需总制动力时，则控制调压机构调节机械制动液压来补充剩余的制动力；否则，所需的总制动力全部由四个轮毂电机产生的再生制动力提供。
由于机械制动力的大小是可以调节的，为了使再生制动系统与机械制动系统能够很好地协调工作，同时在确保制动安全性的前提下，尽可能的多采用轮毂电机制动以对制动能量进行高效的回收，就需要对再生制动系统的控制策略进行研究分析[10]。
4.1再生制动控制策略
根据制动目标的不同，再生制动控制策略主要有理想制动力分配策略、最优能量回馈分配策略、固定比值制动力分配策略、并行制动能量回收控制策略等[10-12]。
（1）理想制动力分配策略
该制动力分配策略按照理想制动力分配策略曲线（I曲线）来分配前后轴制动力，如图4所示。
图4 理想制动力分配策略
以满载为例，当需求制动力较小时，前后轴制动力由四个轮毂电机产生的再生制动力提供，如图中A点；若需求制动力较大时，轮毂电机产生的再生制动力不能满足制动性需求时，不足的部分由机械制动力补充。虽然此种制动力分配能取得非常满意的制动效果，但由于车辆在不同载重下，其理想制动力分配曲线也是不同的，因此，前后轮所需制动力分配也要随着理想制动力分配曲线而变化，这需要复杂的控制策略和执行机构。
（2）最优能量回馈分配策略
该策略制动力分配特点是：在满足制动请求和安全性的基础上，最大程度地让轮毂电机参与制动，以回收尽可的能多制动能量。如图5所示。
图5 最优能量回馈分配策略
在该种制动力控制策略下，当车辆制动强度低于轮毂电机能提供的最大制动强度时，则完全由轮毂电机提供制动力矩。当车辆制动强度超过轮毂电机能提供的最大制动强度时，轮毂电机则满负荷地参与制动，剩余的不足制动力由传统制动系统来提供，以保证最高的能量回收率。虽然这种制动力控制策略的能量回收率最高，但其制动稳定性有待提高，且对硬件要求较高。
（3）固定比值制动力分配策略
该制动力分配策略要求前后轮制动力分配与原车机械制动力分配保持一致，即前后轮制动力分配曲线仍为β线，如图6所示。
图6 固定比值制动力分配策略
该策略控制方法简单，可以使轮毂电机驱动电动汽车前后轮的制动力分配与传统汽车制动时的制动力分配保持一致，不改变驾驶员的制动习惯，并且能够回收一部分的制动能量；但其制动稳定性较差，且对于轮毂电机驱动电动汽车，这种制动方案会使前后轮轮毂电机再生制动力不同，使前后轴轮毂电机的发电量不同，从而会对均衡充电造成影响，需要额外的控制器去控制调节。
（4）并行制动能量回收控制策略
并行制动力分配的主要思想是，在小制动强度（Z≤0.1）时由轮毂电机单独制动，使可能的制动能量回收比例达到最大；中强度制动时(0.1＜Z≤0.7)，前后轴制动力是再生制动力与摩擦制动力按固定关系共同承担；大制动强度下(Z＞0.7)，以制动稳定性和最大制动效能为主，仅有摩擦制动力制动，不考虑能量回收。
4.2轮毂电机再生制动控制策略
基于轮毂电机驱动的电动汽车，上述制动控制策略各有优缺点，为保证制动的安全稳定、结构简单，同时尽可能多地回收制动能量，本文针对重庆市重点项目（重型矿用运输车电驱动综合轮开发）的6轮混联驱动混合动力车辆，确定了一种四轮轮毂电机驱动电动汽车的再生制动控制策略，如图7所示。
图7 混合并联制动力分配策略
该控制策略要求在不改变原车前、后轮机械制动力分配比例的同时，使汽车制动时前、后轮的再生制动力相同。在需求总制动力较小时，优先使用轮毂电机再生制动；当需求总制动力大于轮毂电机的最大再生制动力时，剩余制动力由机械制动力补充。此种再生制动控制策略既保证了制动的安全稳定，使驾驶者的制动习惯没有改变，又使各轮毂电机回收的能量相同，减少了系统的复杂性且尽可能多的回收了制动能量。
5 结语
文章在分析了轮毂电机的结构及其集成制动系统的基础上，介绍了轮毂电机再生制动的基本原理，并对再生制动系统的要求和约束条件进行分析，通过对几种不同制动力分配策略的特点进行对比分析，制定了一种适合轮毂电机驱动电动汽车制动力分配策略，并指出以常规摩擦制动与电制动组成的并联制动分配策略由于结构简单、技术可行，非常适合轮毂电机驱动电动汽车开发与研究的需要。
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(编辑：向飞)
Analysis of Wheel Motor Drive Electric Vehicle Regenerative Braking System
YU Jin-Chao，LI Jun
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）
Abstract:With wheel hub motor drive electric vehicle as the object，the structure of the wheel hub motor and the solution of integrated brake are introduced.This paper expounds the basic principle of wheel hub motor regenerative braking.According to the requirement of the regenerative braking system，the constraint conditions of the wheel hub motor regenerative braking are analyzed.Based on comparative analysis of several different typical regenerative braking control strategies，determined a suitable regenerative braking control scheme for wheel hub motor drive electric vehicle.
Key words:electric car；wheel hub motor；regenerative braking；control strategy
作者简介：第一余进超，男，1988年生，河南信阳人，硕士研究生。研究领域：新能源汽车控制技术。
收稿日期：2015－04－22
DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.022
文章编号：1009－9492 (2015 ) 08－0077－05
文献标识码：A
中图分类号：U469.72+2
