电动车再生制动系统研究

罗溶

电动车再生制动系统研究

罗溶

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330052）

为了提高电动汽车制动能量的回收效率，文章主要从三个方面进行探讨：首先介绍了再生制动定义及基本原理，进而阐述其设计、主要功能等规范，最后介绍了再生制动控制策略，对行业人员有一定的借鉴作用。最终满足人们对电动汽车的使用需求，推动电动汽车的发展。

电动车；再生制动；能量回收；策略

引言

传统汽车在行驶中，大约有35-80%的能量损失在制动过程中，而电动汽车和传统汽车相比，有一个明显的特点：即在制动过程中能够进行能量回收利用，提高能源利用率同时提高电动汽车续航里程，此回收过程即为再生制动，是当前电动汽车研究的一个热点[1]。本文围绕再生制动的策略进行研究分析。

再生制动是一种使用在电动车上的制动技术，在制动时把车辆的动能转化及储存在电机中，而不是变成无用的热能，释放到空气中。再生制动在制动过程中将电动机转换成发电机运转，利用车的惯性带动电机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用，是一个能量回收的过程。再生制动被广泛应用于纯电动车和混合动力车辆上。

1 再生制动定义及基本原理

1.1 再生制动定义

再生制动是指电动汽车制动时，电机反转产生反转力矩，将动能转化为电能的制动能量回收方式，在制动过程中，车辆的动能可以通过电机作为发电设备，来对电池包进行充电，将车辆的部分动能转化为电能，实现能量的再生利用[1]。

1.2 再生制动基本原理

再生制动最简单的方式是在传统的液压制动力矩的基础上增加再生制动力矩，即非合作式再生制动系统，因为液压制动系统与额外施加的再生制动扭矩是彼此独立的，没有调节液压制动扭矩以满足驾驶员制动要求。只有在踩制动踏板时，再生制动才会触发，此时再生制动扭矩和摩擦制动扭矩是同时施加在轮边的，因此再生制动系统可以视为一个与液压制动并行的制动系统[2]。如图1所示：

图1 再生制动扭矩与驾驶员请求制动扭矩关系图

2 再生制动功能规范

2.1 再生制动系统设计概述

再生制动系统功能的主要任务是协调来自驾驶员的制动请求，发送一个目标扭矩给电机，请求回收制动扭矩，与此同时，电机产生的反转力矩又可通过传动系统施加到车轮上产生制动力和液压制动产生制动力矩共同满足驾驶员的请求。

最高效的再生制动方式是将驾驶员的制动请求尽可能多的转化为电能并尽可能减少施加的液压制动扭矩，这需要同时考虑回收效率，车辆稳定性以及制动舒适性。

再生制动能力取决于车速，并受到电池充电状态的限制。

2.2 再生制动主要功能

再生制动功能主要分解为三块：

（1）回收能力的预处理（Pre-Shaping）；

（2）制动扭矩分解（Brake Torque Distribution）；

（3）扭矩协调（Toque Blending）。

图2 再生制动系统功能分解图

上图2中：

MregenPotential 由动力系统提供的可回收能力；

vVehicle 车辆速度；

MRegenPotential,F当0 <= MRegenPotential,F <= Mregen Potential时预处理后的可回收能力；

MdriverRequest 驾驶员的制动需求；

MVafRequest 增值功能提供的制动请求，（比如自适应巡航系统）；

CoFA,RA前后轴的动力系统扭矩；

MTarget,FA,RA用于扭矩叠加的前后轴具体的制动请求；

Fstability 过渡制动的稳定因子；

MregenTarget 需要动力系统实现的回收制动请求；

pFrictionTarget,FA,RA 需要通过压力控制来达到的前后轴目标压力；

M：扭矩；

P：压力；

F：因素。

2.2.1回收能力的预处理

预处理包含了从动力系统接收可回收能力的全过程，该能力值需要满足安全限制和舒适性梯度。安全限制是由制动系统或者制动回收执行机构来决定的。

2.2.2制动扭矩请求分解

制动扭矩请求分解是按照前后轴来分解制动请求，需要同时考虑可回收能力和动力系统的扭矩分配。此外，还考虑了车辆稳定性方面的可能限制。

驾驶员的制动请求在前后轴之间的分配，与主缸压力、回收能力和动力系统扭矩分布有关。

2.2.3扭矩协调

驱动轴的制动力为再生制动力与机械制动力之和。当驾驶员制动时，高于主缸压力的部分制动请求可通过再生实现，也即意味着整个主缸压力用于摩擦制动，剩余的制动请求通过发电机实现。

最理想的能量回收系统，能量100%通过再生制动，不需要机械制动的介入，而且可以尽量减少在减速器、电机、电机控制器等环节的能量损失。但是机械制动由于以下三个原因，不能取消：

（1）当电池包处于满电或接近满电状态时，不允许再存储更多的能量，此时需要机械制动来满足驾驶员的制动请求。电池的温度SOC以及允许回充电流MAP是影响该因素的量化指标。

（2）根据电机制动能量回收最大力矩外特性曲线，当驾驶员请求的制动力矩超过电机最大回收能力时，为了安全，机械制动需要提供部分制动力矩。

（3）当车辆车速较低时，不能与车辆蠕行策略冲突，能量回收需退出，此时需要机械制动介入。能量回收退出的车速必须大于车辆蠕行工况的最大车速；或者取消蠕行策略，最低车速可以逼近0，而在车辆停止时由机械制动介入[3]。

2.2.4车辆稳定性

为保证车辆的稳定性，在某些驾驶情况下，不允许进行制动能量回收，例如急变道、猛打方向盘等。因此可以根据制动减速度的强度给出相对应的稳定因子，稳定因子的大小决定了能量回收的强弱，稳定因子一般在0~1的范围：

（1）轻踩制动，减速度请求小于0.4g，稳定因子为1，回收的能量较强，在制动减速度要求小于0.1g时，可以完全依靠电机再生制动满足驾驶员的制动请求。

（2）在减速度请求大于0.4g小于0.6g时，此时稳定因子在0-1之间，请求的减速度越大，稳定因子越小，回收的能量就越少，制动请求更多依靠机械制动。

（3）在减速度请求大于0.6g时，此时车辆稳定因子为0，认为是紧急制动，不会进行能量回收，完全依靠机械制动。

3 再生制动控制策略

3.1 能量回收策略

在驾驶员踩下制动踏板时，此时再生制动功能触发，ESP电控单元会发出一个目标回收扭矩请求，整车电控单元会根据车速信号计算此时电机转速进一步得到电机所能提供的最大再生扭矩，一般目标回收扭矩请求都小于电机所能提供的最大再生扭矩，此时电机施加到轮边的回收制动力矩接近于目标回收扭矩，如果驾驶员请求的减速度小于0.1g，电机反转产生的再生制动力矩可以满足驾驶员要求；如果大于0.1g，根据制动踏板位置信号计算得到驾驶员请求制动力矩，减去电机再生产生的制动力矩，剩下的制动力矩由机械制动提供。

3.2 再生制动评价指标

再生制动评价指标作为制动能量回收技术性能优劣的评价标准，具有重要的理论研究价值。目前常利用电机允许能量回收强度、续航里程、制动能量回收效率等指标进行评价[4]。国内电动车普遍能达到的续航里程一般在400公里左右，而某款著名的电动车续航里程可达到660公里，远高于市场上同级别电池容量的电动车，具有高效的制动能量回收能力。目前传统叠加式能量回收效率约为10%~15%，最大回收减速度可达到0.12g；而新型协调式能量回收做到了智能化、高效能量回收，回收率达到25%-30%。

4 总结

对于电动汽车来说，制动能量的有效回收非常重要，能量回收效率直接影响到电动汽车的续航里程，目前受制于一些技术等方面原因，再生制动达不到100%能量回收，还需要在这个领域进一步探索研究，满足人们对电动汽车日益提高的使用需求，推动电动汽车的蓬勃发展。

[1] 赵文平.纯电动客车再生制动与液压制动协调控制算法研究[D].长春:吉林大学,2008.

[2] 张旭,于士军.电动汽车制动能量回收系统设计[J].河北农机,2016(12): 50+52.

[3] 胡建国,龚春忠,张永,何浩.电动汽车制动能量回收技术研究[J].汽车实用技术,2019(02):10-12.

[4] 刘新天,王昊,何耀,郑昕昕,曾国建.基于最优能量回收的再生制动控制策略[J].时代汽车,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

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1671-7988(2021)06-08-03

罗溶，工程师，就职于江铃汽车股份有限公司，从事制动系统及底盘电控系统的设计开发及研究工作。