电动汽车制动能量回收控制策略研究现状分析

秦启超，覃卓庚，陈友鹏，陈 强

(广州南洋理工职业学院，广州 510000)

0 引言

在国家“十四五”规划出台及“碳达峰、碳中和”目标提出后，节能减排势必更加深入各个行业，因具有节能、环保等优势，电动汽车行业必将得到加速发展。近年来电动汽车续航里程有所提高，主要得益于电池技术进步和能量回收技术的应用。国外研究表明，在频繁加减速的城市路况下运行时，采用制动能量回收技术的电动汽车续航里程可延长10%～30%[1]。在目前电池技术难突破的情况下，研究提高制动能量回收技术很有必要。

1 制动能量回收系统原理及控制策略

电动汽车制动能量回收系统由电机、控制器、转换装置、储能装置等组成。制动能量回收指电动汽车在制动减速过程中，驱动轮带动电机发电并储存电能，与此同时电机对驱动轮进行制动回馈，给车轮施加阻力矩产生制动效果，因此制动能量回收系统也被称为再生制动系统或回馈制动系统。原理框图如图1所示。

图1 电动汽车制动能量回收原理框图

电动汽车制动能量回收系统是在原有制动系统的基础上增加的，控制器通过控制两种制动力的最优分配实现制动、能量回收、舒适制动等功能。在确定电动汽车电机驱动系统主要部件特性参数后，制动能量回收效率主要受制于控制策略和制动工况。

目前电动汽车制动能量回收控制策略主要针对如何在保证制动安全的前提下分配再生制动与液压制动比例获得最优能量回收效率，如何合理分配前后轮轴上制动力保证整车制动效果，以及如何兼顾制动能量回收性能与整车舒适性等问题开展研究。控制策略主要采用模糊PID算法、遗传算法、Q学习算法、滑模变结构控制等算法，有理想制动力分配控制策略、最佳制动能量回收控制策略及并联制动能量回收控制策略等常用类型[2]。因制动能量回收技术优势，发展前景被广泛看好，国内外科研院所及车企对制动能量回收系统进行了大量研究。

2 国外研究现状

国外电动汽车制动能量回收技术研究较早，相对成熟。Gao Yimin等[3]对制动能量回收控制进行研究，提出了理想制动力分配、最佳及并联等三种制动能量回收控制策略，并通过搭建仿真模型进行了对比分析各自优劣。Chakraborty D等[4]针对电动汽车制动能量回收效率、制动安全与舒适性三者不能兼顾的问题，提出了以最佳制动减速度为控制对象、兼顾制动安全与舒适性的串联控制策略，实验证明该策略可行有效。Paul D等[5]针对四轮驱动电动汽车采用基于模糊逻辑的轮胎-道路摩擦估计算法，改进最佳制动能量回收控制策略，实现前后轮制动力分配，仿真分析可提高能量回收效率。Hoon等[6]基于理想制动力分配制动能量回收控制策略优化了前后轴制动力分配方法，考虑紧急制动条件下当制动力大于地面附着力时控制器使前后轴同时抱死，保证制动稳定性和能量回收效率的最优。国外车企应用研发上，丰田ECB制动系统及本田ESP系统都具有良好的制动能量回收功能。目前博世线控制动系统iBooster是较多大型车企采用的系统，其与制动能量回收系统(ESP HEV)组合使用可实现最高达0.3 g减速度的能量回收，制动能量回收效率较高，该技术行业领先。韩国现代汽车旗下纯电动车制动能量回收采用与iBooster相近的控制策略，通过算法优化及精细化标定后回收能量占总耗能的33%以上，并设置有能量回收调节拨片可人为选择能量回收强度，平衡整车制动时舒适性。韩国现代某车型制动能量回收系统结构原理如图2所示。

图2 某制动能量回收系统结构原理

3 国内研究现状

国内对制动能量回收的研究开始时间较晚，但在节能减排的政策引导下，国内科研院所及车企针对制动能量回收技术也开展了大量研究。张俊智等[7]分别从按回馈制动与摩擦制动耦合关系、按液压调节机构所依托的技术平台划分、按液压调节机构的布置方式划分、按制动踏板与制动力机械耦合关系划分等四个方面总结了电动汽车制动能量回收系统分类，如图3所示，并从正常制动和紧急制动两种制动工况下协调控制研究方面分析了国内外制动能量回收系统研发进展，认为国内应推进协调式制动能量回收系统研发，并围绕系统研发制造中的关键点集中进行系统主要性能的综合优化，形成竞争力产品。朱志亮等[8]通过分析车辆行驶过程中的能量传递路径，提出了一种基于ECE制动法规的电动车制动能量回收策略，并通过建模仿真证明其回收效率可达11.92%。郭金刚等[9]提出了一种基于制动强度控制的制动能量回收最优控制策略，通过理论分析和建模仿真研究制动能量回收与制动强度之间的关系获得不同制动初始速度下最优制动强度，制定制动力分配和最优制动强度控制的再生制动能量回收最优控制策略，仿真结果表明最优控制策略可实现制动单次工况能量回收率最优。马什鹏等[10]通过Q学习算法优化获得制动力矩分配系数，实现前驱混合动力汽车前、后轮机械制动力和再生制动力最优分配，仿真结果表明与理想制动力分配策略相比，制动能量回收效率提升了6.5%。另外比亚迪、吉利、广汽、长安等车企均在研发更新制动能量回收技术，应用于电动汽车提升了续航里程。根据公开发明专利显示，比亚迪研发了一种基于驾驶习惯的制动能量回收控制策略，通过识别驾驶员驾驶习惯实时改变松油门回馈扭矩，减少制动器能量消耗、增加制动能量回收效率[11]；中国一汽公开了一种兼顾车辆制动稳定性及回收效率的制动能量回收控制方法[12]，并研发了一种使制动回收能量直接用于降低冷却液温度的技术,可有效减少能量转化损失[13]。

图3 电动汽车制动能量回收系统分类

4 总结

从目前国内外对电动汽车制动能量回收控制策略的研究可知，早期研究多数集中于在保证制动安全和制动性能的前提下如何提高能量回收效率，近十年研究主要开展能量回收效率与制动稳定性、制动协调兼容、制动法规等性能综合的最优化研究，通过优化控制策略实现多级控制或全局控制。因此，未来电动汽车制动能量回收技术兼顾组成部件性能提升的情况下，控制策略上的研究偏向于多性能综合控制及控制策略的迭代优化。