前驱电动汽车制动能量回收影响因素分析

王 玮，张 勇，王 雷

（潍坊职业学院，山东潍坊，261041）

随着能源和环境污染问题日益突出，电动汽车产业得到了快速发展，但与传统汽车相比，电动汽车续驶里程较短，这成为制约其大规模发展的主要瓶颈。在电池技术还未取得突破性进展的当下，如何有效提高电动汽车的能量利用率，成为促进电动汽车发展的关键。

在电动汽车中，电机是汽车行驶的驱动装置，而在汽车制动时，又可以回收汽车制动能量，从而提高电动汽车的续驶里程。电动汽车制动能量回收技术不但可以提高能量的利用率，还能够减少制动磨损和热量，降低噪声，优化制动性能，提高汽车的制动稳定性[1]。

1 制动能量回收系统的结构和原理

1.1 制动能量回收系统结构

制动能量回收系统也称为再生制动系统。本文以目前较为普遍的前轴驱动中央电机式电动汽车为例，对制动能量再生系统进行分析，其结构如图1所示。

图1制动能量回收系统结构

1.2 制动能量回收基本原理

电动汽车在制动过程中，整车的动能通过车轮传递到电机，带动电机旋转，此时，电机工作在发电模式，可以对储能装置(蓄电池或超级电容)进行充电，从而将一部分制动能量转化为电能，储存在储能装置中，实现能量的再生利用。同时，电机产生的阻力矩会作用于车轮，产生制动力矩，可以起到减速制动的作用[2]。

车辆在行驶过程中，会受到滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力，其行驶方程式为：

式中，FT为驱动力，Ff为滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡度阻力，Fj为加速阻力[3]。

在车辆驱动过程中，驱动力用于克服滚动阻力、空气阻力和加速阻力；在车辆制动过程中，驱动力与滚动阻力、空气阻力一同克服惯性阻力。

因此，驱动功率为PT=FT·v，

2 再生制动系统能量流

在驱动过程中，电池存储的能量EQ，经过电池、电机、传动系统和驱动轮，最终输出为驱动能量ET。在制动过程中，制动能量EB无法完全回收，一部分能量转换成热能，消耗在制动盘处，另一部分能量流动方向与驱动过程相反，经过传动系统流向电机，此时电机工作在发电模式，可以为蓄电池充电，最后将回收的能量EQ’，储存在蓄电池中。制动时，再生制动力占总制动力的比例越多，则再生制动功率越大，制动器处的摩擦损失越少，制动过程结束时存储在蓄电池中的能量越多，制动能量回收效率越高[4]。

图2电动汽车制动能量流分析

如图2所示，在制动过程中，定义电机能够回收的能量占总制动能量的比例为λ，传动系输入能量为ED’=λEB，电机输入能量为Egen=ED’ηdrv，电池输入能量为Echg=Egenηgen，电池回收的能量为ED’=Echgηchg=λEBηdrvηgenηchg，其中，ηdrv为传动系机械效率，ηgen为电机发电效率，ηchg为电池充电效率。

3 制动能量回收的影响因素

根据上述能量流分析可知，能量传递路径上每个部件的效率都会制约着能量的回收率，因此影响制动能量回收的因素主要有：蓄电池、电机、传动系统等，此外，电动汽车的行驶工况和能量回收控制策略也有重要影响。

3.1 蓄电池特性

蓄电池作为制动能量回收系统中能量存储的关键部件，其荷电状态(SOC值)、蓄电池组温度、充电电流和充电功率，都会影响蓄电池组的充电效率。当蓄电池的SOC值很高(一般取SOC＞95%)，表明蓄电池容量接近饱和，为了避免过度充电而影响蓄电池的使用寿命，此时不允许进行制动能量回收；由于蓄电池可接受的充电能力受到最大充电电流的限制，因此出于保护电池的需要，电池有最大充电电流的限制。而蓄电池组温度会因为充电电流过大而升高，此时也不允许进行制动能量回收。此外，蓄电池的充电功率不可高于允许的最大充电功率。

3.2 电机

电机是再生制动系统的主要部件，它能将电动汽车动能转化为电能，其工作特性是影响能量回收的一个关键因素。电机特性决定了再生制动时可提供再生制动力的大小。

电机可提供的制动转矩越大，它就能够提供更多的电机制动力，增大其在制动力总份额中的占比，从而回收更多的制动能量。另外，当车速较低时，电机转速也较低，因而感应出的电动势也很低，难以为蓄电池充电[5]。因而，电机的状态是制动能量回收过程中需要考虑到关键因素之一。

3.3 制动系统

由于在制动条件下，产生的再生制动力有限，且系统出现电气故障的几率较高，因此无法满足汽车制动力的需求，必须通过液压制动系统产生的摩擦制动力才能达到理想的制动效果。因此，提高制动系统液压控制单元的精确性，确保制动系统稳定性，对于提高制动能量回收有重要意义。

3.4 车辆行驶工况

电动汽车在不同的行驶工况下，其制动的强度和频率不相同，因此可回收利用的制动能量也不一样。在长下坡或者需要频繁减速制动的工况下（如城市道路），可以回收的制动能量较多。而车辆在车流量少的平直路面上行驶时（如高速公路），需要减速制动的情况较少，可以回收的能量也较少。

3.5 制动能量回收控制策略

制动能量回收控制策略决定着电动汽车前、后轴的制动力分配，也决定着再生制动力与机械制动力的分配，因此，在能量的回收系统中发挥着重要作用。在保证制动安全性的基础上，合理选择能量回收控制策略，对提高能量回收率有重要影响。

为了实现电动汽车再生制动力和机械制动力的合理分配，制定再生制动控制策略。制定控制策略时，应合理分配前、后轴上的制动力，合理分配再生制动力和机械摩擦制动力，确保在不影响车辆制动性能和行驶稳定性的前提下，尽可能提高能量回收率。同时，控制策略还应与ABS，ESP，ASR等系统相适应，不影响车辆的制动性能[6]。

目前，多数电动汽车采取前轴驱动的形式，其相应的制动能量回收控制策略主要关注前、后轮制动器提供的制动力以及前轮电机提供的再生制动力三部分之间的关系。由此得到三种基于电机再生制动的能量回收控制策略，即前后轴制动力理想分配控制策略、前后轴制动力比例分配控制策略，以及最优能量回收控制策略[7]。

表1三种常见制动控制策略的对比

如表1，通过对比发现，以上三种制动力控制策略各有优缺点。其中，制动力理想分配控制策略能够使制动系统发挥良好的制动效果，实现能量回收的最大化，但这一控制策略需要专门的制动操纵机构和智能化的控制器，才能实现制动力分配的精确控制，且控制系统较复杂。定比例再生制动力分配策略结构简单，对原有控制系统改动较小，制动稳定与安全性较好，但其能量回收率不高。最优能量回收控制策略能够实现制动能量回收的最大化，但影响能量回收率的因素众多，对控制系统的要求较高。

4 结语

根据前轴驱动的电动汽车制动能量回收系统结构和原理，分析其能量流动，得到影响制动安全与能量回收效率的因素主要有蓄电池特性、电机特性、制动系统性能、车辆行驶工况和系统控制策略。通过对常见的三种控制策略的对比分析，发现前后轴制动力比例分配控制策略制动稳定性较好，能够保证一定的能量回收率，且结构简单、易于实现，适合在前轴驱动电动汽车上应用。研究人员可在此基础上进一步改进相关参数和回收控制的策略，从而使制动能量回收效率更高。