多轮毂电机电动汽车制动能量回收策略研究

摘 要：自19世纪末以来，汽车作为一种革命性的交通工具开始进入人们的生活，并迅速普及开来；伴随着汽车工业的不断发展，矿物燃料等非再生能源的消耗量也显著增加，随之而来的环境污染问题日益严重。为了应对这一挑战，制动能量回收技术应运而生，该技术通过合理分配制动功率，降低系统热衰减和能量损失，并在制动过程中回收部分能量，从而提高汽车的续驶能力。本研究将从多轮毂电机电动汽车制动能量回收的基本理论，详细介绍其工作原理和技术背景。对制动能量回收的控制方法进行了深入研究，探讨不同制动强度级别的划分及其在实际应用中的有效性。通过理论分析和实证研究，本研究为提升多轮毂电机电动汽车能效提供了新的思路和方法，对推动汽车工业的环保和可持续发展具有重要意义。

关键词：多轮毂电机 电动汽车 制动能量回收

0 引言

汽车工业作为国民经济的支柱产业，对国民经济的发展起着举足轻重的作用。随着新能源汽车的发展，再加上政府对新能源汽车的补贴力度不断增加，国内新能源汽车的需求量也在不断增加。纯电动汽车是一种新型的以电池为能源的新型车辆，它的传动部件以电动机为主，它在向车轮输送功率的过程中损耗很小，并且无噪音、无振动。电动汽车具有能源洁净、动力效率高、行驶环境智能化等优势，但由于动力电池的研发、电池管理等方面的限制，在实际应用中仍面临续航里程低、电池寿命短、更换成本高、中小城市充电桩普及困难等问题。

多轮毂电机电动汽车是一种新型的电动汽车，并且有更高的能源利用率[1]。另外，与传统的前驱和后驱车型相比，多轮毂电机电动汽车具有更丰富的整车操控手段。由于轮毂与轮毂电机的独立控制，使得该方法更适合于能量回馈制动、线性控制等先进控制方法的实用化，对其控制方法的研究与应用也有较大需求。

1 制动能量回收

1.1 基本原理

图1是制动能量回收能量流的简化原理图，在电动车执行制动的时候，可以将驱动电机切换成发电机模式，将一部分动能转化为电能，并将其储存起来，并且通过提供制动扭矩来辅助制动[2]。在制动完成后，能量储存单元持续将电力传送给驱动马达，并将其转换成机械能，再传送至车轮或车桥，以维持车辆的正常行驶。

在常规驾驶模式下，电动汽车以电机为动力，在制动过程中，通过改变电动机的电磁扭矩，使机械能转换成电能，产生刹车扭矩。在此过程中，电动势与机械能之间的相互转化，即在电机起动过程中通过交流电流形成交流磁场，从而产生电动机的输出扭矩。

在图2中展示出了电动汽车的制动能量恢复原理。

当车辆发生制动反应时，开关S断开，电路中的电流会出现突然的变化，因此，使感应电动势迅速增加，当其值增加到或等于供电电动势时，电动机将反转起动，产生一种再生制动反馈电流，将部分机械能转化为电能，为动力电池等储能装置充电，实现制动能量的回收。

式中，E为逆电动势（V），U为电源电压（V）;R1为电枢的电阻（Ω）R3为等效电阻（Ω）。

当车辆通过刹车起动后，电动机就会进入发电机模式，此时仍有剩余磁场，即“剩磁”。转子在电动机的驱动下发生再生制动，并在定子两端形成感应电位，当电池上的电压降至感应电位以下时，通过定子对电池进行充电，以获得可再生的充电电流[3]。随着车辆制动过程的继续，转子线圈的转速和转差率等都会减小，因此，回送到电池的电流幅度也会减小，因此，通过制动收集的机械能转化为电能的速度也会减小。

1.2 制动能量回收系统基本结构

图3是一种利用CAN总线技术实现整车控制器与轮毂电机、蓄电池、液压系统、刹车踏板等系统间的信息传输和交互的系统。整车控制器主要负责对各子系统的运行状况进行协调，从而保证汽车安全运行。多轮毂电动汽车的制动系统可以划分为两个部分：一是液压制动，二是电动机负反馈。基于该模型，对电液复合制动系统进行了仿真研究。刹车踏板所生成的液压通过诸如液压管路之类的串联机构传递到制动器，由此生成由轮毂电机再生制动系统生成的再生制动转矩和摩擦制动转矩动态耦合的摩擦制动转矩，以帮助电动车完成制动。在刹车时，中心马达起到发电机的作用。将输出的电能反馈给蓄电池，从而提升蓄电池的储能能力，提高蓄电池的能源利用率，延长续航里程。

1.3 制动能量回收影响因素

对电动汽车进行制动能量回收，可以有效地降低能耗，延长续航时间，提高其实用性。然而，在实际运行中，由于制动能量在传输过程中会产生各种损失，导致制动能量回收的理论效率较低[4]。因此，为了使制动能量回收达到最大值，应从多个方面对制动能量的回收进行综合考虑。

制动能量回收的效果受如下四个因素的影响：

1.3.1 驾驶条件

汽车的运行状态是影响其能量回馈效率的重要因素，在城市道路交通拥挤环境中，由于制动次数多，制动功率低，制动能有效回收。汽车在路况良好的公路上行驶时，制动次数很少，运行状态平稳，制动能回收效率低。

1.3.2 电机

电机的工作状态受到扭矩、速度等因素的限制，使得电机在不同的扭矩、速度下表现出不同的特性。为改善制动效能，需增加马达的介入时间，并避免因高负荷运行及过充而造成的损失。

1.3.3 能量存储设备

储能器件作为电动车的主要能源，其本身性能对其能量回收效果有很大的影响。以动力电池的充电状况为例，在 SOC非常高的情况下，蓄电池的充电状态几乎达到饱和，这时应该立即切断生闸，以避免蓄电池过度充电造成的损害；在车辆荷电状态较低的情况下，可以通过增大回收制动的比率来对蓄电池进行充电，从而增加续航里程。

1.3.4 运载工具的构造参数

汽车本身的一些关键参数，例如整备质量、质心高度、空气阻力系数等，都会影响到制动能量回收的效果。如果对汽车的结构进行合理的设计，能够有效降低汽车在行驶过程中所受的空气阻力和摩擦阻力，将有助于提高汽车制动的能量回收效率。此外，车辆的行驶方式、控制方式等都会对车辆的能量回馈造成一定的影响。

2 能量回收控制策略

2.1 并行制动能量回收策略

并行制动能量回收控制方法将制动力和液压制动力按一定比例进行分配，其结构简单、造价低廉、易于实施，但其制动能量回收效率一般，仅能回收有限的制动能量。在多轮毂电机电动汽车制动力总量不大的情况下，利用单纯的轮毂式回馈制动使制动能量最大化；在多轮毂电机电动汽车的制动力总量很大的情况下，采用电动机与液压控制相结合的方式对制动能量进行回收；在多轮毂电机电动汽车紧急制动状态下，为确保汽车的安全性，必须关闭再生制动，只能使用机械式摩擦煞车。在图4中可以看到。

2.2 最大制动能量回收策略

最大制动能量回馈控制技术优势在于能够最大限度地提高能量回收效率，但同时也会以安全与稳定为代价，难以在工程中推广。

若多轮毂电动汽车的最大恢复制动力大于车辆传动轴所能承载的最大制动力，则在刹车时，由马达提供全部的制动力；如果电机的最大反馈制动力比驱动轴允许的最大制动力小，应当分两种情形进行论述：如果在该图中，在同样的制动强度下，多轮毂电机的最大制动力（点C）比它在同样的制动强度下（点B）的多轮毂电机电动汽车传动轴制动力大，那么电动机提供所有的制动力；反之，当电动机的最大回馈制动力在图中A点处表示，且比传动轴的制动力小时，则前、后两轴的制动力都要按照点 B来分配，而这一差异，将通过机械摩擦力进行补偿。若图中的连接系数（E点）大于所需制动强度（点D），则在制动过程中，多轮毂电机电动汽车会受到粘着因子的限制，此时，制动强度等于粘着因子的幅值，并且沿理想的制动力分布曲线来分布，并且根据电动机的再生制动力来判定机械摩擦制动力的大小。

3 基于模糊控制的制动力回收策略

模糊控制具有良好的鲁棒性和适应性，特别适合于复杂的系统建模困难的场合，常被用来求解非线性问题[5]。

（1）模糊化界面：模糊化界面提供给模糊控制系统的一个输入变量，并把输入变量的具体数值转化成模糊向量。模糊程度一般为2～7个，级别越高，计算、推理的复杂度就越高，控制难度也就越大。

（2）模糊知识库：这个知识库是在长期的过程中，由专家或技术人员积累起来的一套知识与经验，构成了一个用于进行数据管理的知识库。通过对各输入、输出变量的模糊化和模糊化，得到其隶属度矢量，并将其存入数据库的模糊子集中。

（3）模糊推理引擎：该引擎以模糊推理引擎为主体，依据知识库内的模糊控制法则，对该模型进行求解，并进行模糊推理，最后输出一个模糊控制量。

（4）去模糊化：通过模糊控制器对输入变量进行处理，产生了一个不能直接成为被控目标的模糊集量，去模糊化的关键就是把这些特定的输出信号转换成可以被分析的具体数量，从而保证了模糊控制的实现。对电动机制动力和机械制动力进行了模糊控制，以确保汽车制动过程中的稳定与安全，提高制动能量的回收效率。

对前后轴制动力进行优化，将该反馈制动力分配因子转换成基于模糊准则的反馈制动力分配因子，对整车施加分配好的电机和机械制动力，实现制动功能和制动能量回收。

4 结语

在介绍制动能量反馈基本原理的基础上，简要介绍了多轮毂电机电动汽车的制动能量回收系统，分析了各因素对其的影响。研究复合制动系统中的反馈式制动力分配方法，以确保电机及蓄电池的使用寿命。本文的研究成果将为解决当前多轮毂电机电动汽车储能能力低的问题提供一种新的思路。多轮毂电机电动汽车的轮毂电机都具有制动功能，制动时对制动能进行回收，能够最大限度地回收多轮毂电机电动汽车的动能，达到能源转换的目的，从而提升电动车的能量回收效率。

参考文献：

[1]杨冬根，高洋洋，刘志军.电动汽车制动能量回收策略研究[J].汽车测试报告，2023（14）：152-154.

[2]刘刚.轮毂电驱动汽车制动能量回收控制策略研究[J].交通节能与环保，2023，19（01）：66-69.

[3]马晓楠，吉春宇，许恩永，等.后驱式纯电动汽车制动能量回收策略研究[J].机械设计与制造，2023（05）：113-116.

[4]王维强，余天赐，严运兵.电动客车再生制动能量回收策略研究[J].机械设计与制造，2023（02）：127-131.

[5]张庆永，朱志亮.纯电动汽车机电复合制动控制策略分析[J].福建工程学院学报，2022，20（03）：232-238+243.