电动汽车制动能量回收控制策略

徐向明

(东风悦达起亚汽车有限公司，江苏 盐城 224051)

1 制动能量的回收

1.1 制动模式

通常情况下，电动汽车制动模式包括紧急制动、正常制动和下长坡制动。

(1)紧急刹车。该过程机械摩擦制动占主导地位，电制动发挥辅助作用，制动加速度超过2m/s2。因为紧急制动使用机会不多，持续时间也不长，所以只能回收利用较少的能量。

(2)正常刹车。汽车在正常行驶出现的制动有减速和停止2类。前者依靠电制动，并产生制动能量；后者靠机械摩擦起到制动效果。电机发电特性决定了制动的切换点，掌握切换点的详细情况才能最大程度地将制动能量回收利用。

(3)下长坡刹车。汽车在沿盘山公路下坡的时候会启动该模式。由于对制动力要求较小，只需电制动就能启用制动力，所以对于该制动情况下的能量也可正常回收。然而除非在旅游山区接送游客的需要，一般情况下私家电动汽车很少沿盘山公路行驶，所以回收能量的空间较小。

综上所述，在正常制动过程中，应该最大限度发挥电机再生制动力的作用，提升电动汽车的能源使用效率。

1.2 制动能量回收的约束条件

(1)确保车辆行驶的安全性，制动时应符合司机的制动习惯。安全性是电动汽车在启用制动模式时需要坚持的最重要原则。确定机械摩擦制动和电制动之间的最佳覆盖区域，在保证安全的条件下，最大限度地回收能量。电动汽车的制动系统应该同燃油汽车具有一定相似性，只有符合司机的驾驶习惯，才更容易吸引大众。

(2)参照驱动电机的发电特性和输出能力。电动汽车一般采用的电机是感应异步或永磁直流电机，要根据电机不同的发电效率，施加相应控制方式。

(3)注意电池充电时间，避免出现过度充电情况。电动汽车常用电池主要有锂电池、镍氢电池和铅酸电池。如果充电时通过的电流过大或超出合理充电时间，必然会对电池造成损害。

2 制动能量回收系统控制策略

2.1 汽车制动动力学和法规限制

大量研究表明，当施加在前轴和后轴的作用力同法向作用力成正比时，能最大限度地利用地面附着条件，汽车行驶的状态也最稳定，此时的制动效果也是最好的。从物理角度分析制动不难发现，当地面最大附着力仍低于车轮制动力时，车轮抱死，稳定性骤然被都打破。根据附着系数变动，我们得到前轴抱死时前后轴制动力分配线组(f线组)。

国际上法律规定当汽车的附着系数ψ在0.2～0.8区间内时，其制动强度z≥0.1+0.85(ψ-0.2)。车辆在不同情况下的装载状态时，后轴利用附着系数曲线应该在前轴利用附着系数曲线的下方，ECE法规曲线就此应运而生。

从汽车制动动力学和制动法规的角度分析不难发现，在由横轴、f曲线、I曲线和ECE法规线所“圈”出来的阴影部分，就是前后轴制动力分配点所处的位置。

制动力分配特征点为O、A、B、C、D、E点，连线DE为某一制动强度下前、后轴制动力的分配变动线。按照最大程度回收前轴制动能量的原则，当分配点在O-A-B-C这条变动幅度较大的线上时，作用在前轴上的制动力实现最大化，可是由于过于偏离I曲线，导致制动不能处于平稳状态且效果不佳。

2.2 电机转矩特性制动力分配策略

在某种制动强度下，从D点到E点的连线呈现前、后轴制动力分配的变动范围。所以要基于电机转矩特性将再生制动力的范畴计算出来。在知道制动强度z的前提下，控制策略如下：

当点①为再生制动力时，F1大于点E处最大制动力FE，制动依靠电机提供。此时E点为制动力分配点。

当点②为再生制动力时，F2比前轴最大制动力FE小，且比I曲线确定的前轴制动力最小值Fi大，制动依靠再生制动力F2。此时点②为制动力分配点。

当点③为再生制动力时，F3比I曲线确定的前轴最小制动力Fi小，前轴制动器摩擦制动力Fc起到补偿作用，即Fc=Fi-F3。此时点D为制动力分配点。

在特殊条件下，若要求制动强度需超过路面附着极限，只能获得C点所在的制动强度。此时点C为制动力分配点。

基于上述的种种分析，在保证制动强度的前提下，制动力分配策略决定了后轴上的摩擦制动力。

2.3 电池耐受性分析及控制策略

给电池充电时，开路电压应高于电池当前荷电状态SOC下的电池电动势U及内阻电压，通过开路电压值和电机制动功率就能把充电电流I测算出来。就电池耐受性的约束条件，可以获得以下电池充电控制策略：(1)如果SOC超过95%，回收制动能量是不可取的；(2)已知电机转速得知电压和充电功率，以此作为测算充电电流I的数据依据，如果电池安全比充电电流小，那么还是不对制动能量进行回收；(3)以电池放电深度和充电电流大小，对安全充电的累计时间进行测算，如果比充电电流安全充电时间长那么就不能对制动能量进行回收。

3 仿真测试

通过上文对制动能量回收控制策略的分析后建立仿真模型。仿真过程建立NEDC工况，对电机实际相应扭矩、车速信号和高压电池荷电状态(SOC0)进行重点检验。对仿真结果进行分析不难发现，在再生制动的加持下，电池SOC从95%被削减到50%，续驶历程从不到3个ECE工况扩至3.25的NEDC工况，里程大约增加了10.2%。

电流积分将电池蓄电量和放电量作为计算的核心要素，比较容易就能获得能量回收率；扭矩积分则将整车动能作为计算参考，以车速减慢、制动能量回收发挥作用为起始点，整车总动能为基准，制动过程的即时线速度和制动扭矩相乘后得到的数值为积分，由此获取全部回收的能量，电流积分和扭矩积分的比值就是能量回收率。

4 结语

以上是笔者对电动汽车制动能量回收技术进行的分析和探究，并重点探讨了制动力分配和控制策略，并通过建立仿真模型对能量回收系统进行仿真分析，希望能对电动汽车制动能量回收的研究提供参考。