制动能量回收策略及方法

摘要：随着能源和污染问题日益引起人们广泛的注意，越来越多的人将研究重点转移到电动车上。目前对电动车的探索日益成熟，在技术研究方面已经发展成为一套完整的体系。在阅读了大量文献的基础上，本文总结了国内外电动车制动能量回馈与防抱死控制协调策略。

关键字：电动车 能量回收 防抱死控制协调策略

Abstract:With the problems of energy and pollution cause widespread concern increasingly,more

and more people distract their attention to EV.Now the study of EV was matured day by day,the

factor of technology has developed to be a whole system.After reading a number of papers,the

electrical regenerative braking and anti-locked control coordination strategy were summarized in

this paper.

Key words:EV electrical regenerative braking anti-locked control coordination strategy

1 引言

目前车辆使用的制动装置主要形式有机械式、气压式、液压式和气液混合式等。它们的工作原理基本相同,都是利用制动装置把车辆行驶过程中的动能通过机械摩擦的方式转化为热能而消耗掉,以达到车辆制动或者减速的目的。这些制动装置工作时,都存在着如下的缺点:

①制动过程中不能将车辆行驶时所具有的能量(动能)回收,而使这部分动能通过车轮与路面、制动装置与刹车毅之间的摩擦转换成热能的形式损失掉,因而制动装置增加了车辆行驶过程中的能量损失,降低了车辆的能量利用率。

②在路况较复杂的情况下,车辆往往需要频繁制动,或连续较长时间的制动,因而在有关的制动表面将会产生大量热量,使制动装置摩擦表面的温度升高许多,这将导致制动装置制动效果减弱,甚至失效,使车辆行驶的安全性大大降低。

③由于车辆行驶过程中制动装置的频繁工作,加剧了车轮的磨损和制动装置中摩擦片的磨损,因而需要经常更换车轮和刹车片,由此增加了车辆的维修保养费用。车辆上采用制动能量再生技术,有助于提高车辆能源的利用率,减少排气污染和燃料消耗,同时也可以减轻制动器的热负荷,减少磨损,提高车辆行使的安全性和使用的经济性。

车辆的制动能量至今还是一种没有被很好地开发利用的能量,特别是在市区行驶的公共汽车、地铁车辆和轻轨车辆等,它们需要频繁起动和制动,这部分制动能量回收有着很大的潜力。在用于检测汽车燃油消耗量和经济性的几个典型城市工况中,我国采用的是ECE15工况,日本采用的是1015工况,而美国采用的是UEDS工况。文献给出了相同条件下,这3种不同工况下制动能量与总能量的对比关系,如表1一1所示。

工况 ECE15 UDDS 1015

驱动能力/KJ 395 28241 1814

制动能量/KJ 207 13432 938

制动能量所占百分比 52.3 47.6 51.7

表1一1各种工况下制动消耗能量与总能量的对比关系

2 能量回收

能量回收是新能源汽车的重要节能方法。有分析表明，一辆紧凑型汽车在NEDC循环中，如果制动能量能全部回收，在考虑电机系统和动力电池的前提下，可以节能17%左右。但在实际情况下，能量回收受制动系统类型、制动安全法规、驾驶舒适性以及电机系统和电池系统的限值，实际效果和理论值有很大差别。

传统汽车上采用普遍的制动系统，在电动车上节能有限，因为普通制动系统是并联式的，即电制动与机械制动是按某种比例分配，而实际中由于安全性和驾驶舒适性等需要，电制动比例小。近年来国外新能源汽车逐渐普及的串联式能量回收系统，按照先电制动，制动需求不足的部分再由机械制动补充，由此可以提高能量回收效率。但由于串联式能量回收系统的结构和控制复杂，成本高；并且过度的电制动可能导致轮胎打滑，大电流充电对电池的寿命不利，以上因素导致能量回收实际效率远达不到理论值。在NEDC循环中，一辆紧凑型汽车的能量回收率为5%~7%。

某典型制动过程中电机扭矩曲线如图2-1所示：

①由于电机外特性在高速去通常呈现恒功率特点，所以图中显示为扭矩和转速的双曲线，即电机功率限制区；

②电机外特性在较低转速为恒扭矩区；

③当车速点电机转速很低时，因车辆可供回收的动能已经很有限，加上低速区电机效率不佳，电机扭矩快速减小。

图2-1 典型制动过程电机扭矩变化

下面分别介绍并联式能量回收与串联式能量回收。

2.1并联式能量回收

并联式系统的制动踏板开度与制动力矩之间的关系如图2-2所示。

图2-2 制动踏板开度与制动力矩

图中虚线表示传统机械制动力矩。在制动踏板开度很小时，机械制动力矩存在一段死区，作为踏板自由行程，之后随踏板开度增加而加速增大。这与传统汽车的制动方式是一致的。而电制动力矩一直随踏板开度增加而缓慢增大，而且可以看到，与机械制动不同的是，在踏板开度为零的情况下，也存在一定的电制动力，这时存在制动能量回收，即滑行能量回收。除这种情况，机械制动力与电制动力同时变化，即并联式能量回收。总制动力矩为图上实线所示。

在此有几点要说明：

①滑行能量回收虽然有利于经济性，但从驾驶舒适性角度来说，扭矩要小一点，避免由于滑行能量回收导致速度降低太快，而让驾驶员踩油门踏板，得不偿失。

②图2-2中的制动扭矩未考虑车速变化带来的影响。在实际中，车速较高可增大电制动扭矩；车速较低时可减小电制动扭矩，但总趋势不变。

2.2串联式能量回收

而串联式制动能量回收系统的前、后液压制动器制动力可调在串联式制动力分配方式下,作用到驱动轮的制动力由电机制动力与液压制动力共同组成,制动强度低时电机制动力可占主要地位,>1、足部分由液压制动力来提供,和传统液压制动的汽车相比,驾驶员制动感觉基本相同,且提供了实现最大能量回收的条件,但电制动力、前后液压制动力要可调,增加了结构的复杂性,而且要与ABS系统协调,对控制系统实时性要求高。

图2-3 串联系统制动力分配简图

3 能量回收方式与摩擦制动力

串联式制动能量回馈策略主要包括两个方面：回馈制动力与摩擦制动力的分配和前后轮制动力的分配。为了提高制动能量回收率，应该尽量增大回馈制动力占总制动力的比例，但对于前轮驱动或后轮驱动汽车来说，回馈制动力只能加在前轮或后轮上，因此回馈制动力与摩擦制动力的分配受前后轮制动力分配的限制。

对于前后轮制动力的分配，文献中提到的制动力分配策略各有不同，但基本原则都是在理想制动力分配曲线的基础上进行设计的。Yimin Gao、MehrdadEhsani和Hongwei Gao等设计的两种前后轮制动力分配策略如图2-1所示。

a.前后轮制动力分配方案一 b.前后轮制动力分配方案二

图 3-1Yimin Gao、Hongwei Gao 等人的前后轮制动力分配策略

图中所示的I曲线为理想制动力分配曲线，I′曲线为ECE R13制动法规要求的前轮抱

死时，后轮必须提供的最小制动力，f线和f′线分别为路面附着系数为φ和φ′的道路上前轮抱死时的前后轮制动力分配线。两种前后轮制动力分配策略都是基于前轮驱动汽车设计的。图3-1 (a)所示的制动力分配曲线为C曲线，优点是远离后轮抱死区域，制动性能靠，图3-2李蓬提出的制动力分配策略

缺点是前轮制动力没有得到充分的利用，不能充分发挥电机在制动过程中的作用。图3-1(b)所示的制动力分配曲线为OABC曲线，C点以后沿I曲线分配，优点是在路面附着系数为φ的道路上前轮制动力得到充分的利用，电机可以发挥更大的制动作用，缺点是路面适性差，例如在f′线对应的路面附着系数为φ′的道路上就不能充分发挥电机作用。在此基础上，清华大学的李蓬等人提出了如图3-2所示的前后轮制动分配策略。在不同路面附着系数的道路上采用不同的前后轮制动力分配策略。

3.1制动能量回馈与防抱死控制协调策略

从控制算法上看，摩擦制动与回馈制动在车轮需要防抱死干预时的协调控制策略对于制动安全同样是十分关键的。在以传统摩擦制动系统为基础使用制动回馈策略方案的相关文献中，制动能量回馈与防抱死制动的一体化控制策略涉及的比较少，无论是国内还是国外对于这方面的研究都处于起步阶段。由于防抱死摩擦制动系统经过多年的研究，已经可以满足车辆制动时安全方面的需求。因此在大多数的文献和专利中，往往将控制策略设定为在进入防抱死控制的瞬间撤销回馈制动力，同时恢复摩擦制动力进行防抱死制动。

国外的几大汽车厂商在这方面也有一些研究成果发表，多是以专利的形式出现的。例如，美国的通用公司和日本丰田旗下的爱德克斯不约而同地采用在进入防抱死控制的初期立即切断回馈制动转矩的方式，这样做毫无疑问能够保证防抱死制动时的安全性。为了排除防抱死控制中回馈转矩带来的不利影响，这是比较稳妥的控制方式。不过，福特公司也在该方面做了一些其他新颖的尝试，比如在防抱死制动的初期不立即撤销回馈转矩，而是将回馈转矩保持一段时间。随后以一个固定的速率减小回馈转矩。另外一种是，在进入防抱死控制后实时地计算路面的附着状况，结合驾驶员此时的制动需求计算出能够施加在车轮上的最大回馈转矩值。随后将该值分配给电机，而防抱死控制部分则不去干预让其自由控制，即按照初始的防抱死控制策略加以调节。

3.2国内协调策略

例如吉林大学初亮等人提出的“混合动力轿车再生制动与防抱死集成控制系统”中，在进入防抱死控制时首先保持当时的回馈制动力稳定，同时利用传统的门限值法调节摩擦制动力，待对车轮角加减速度信号和滑移率信号做出进一步判断再继续控制。具体做法是针对回馈制动设定更严格的滑移率和角加减速度门限，进入防抱死控制逻辑后，一旦车轮滑移率和角加减速度达到回馈门限，立即开始减小回馈制动的强度，也即降低回馈制动转矩，一直到退出门限。退出门限后，回馈制动强度又进入保持恒定的阶段。由于整个过程中，ABS始终采用的是传统的门限值控制方法。所以对于受控车轮而言，一般来说必定会在下个控制循环再一次触发回馈门限。触发后采取同样的做法减小回馈制动强度，如此往复，直到制动回馈强度减小为零，即完全撤去回馈制动。

江苏大学的陈庆樟、何仁等提出了“基于 ABS 的汽车能量再生集成制动控制”，将制动回馈融合到 ABS 制动系统中，在防抱死控制中同时施加回馈电机的作用。在保证制动安全的前提下，优先使用制动回馈，在紧急制动和车速很低时撤销制动回馈。车上原有的液压防抱死制动系统仍然采用逻辑门限值控制策略，同时对电机控制器从外部安装一个额外的控制电压来控制防抱死制动时的回馈转矩。譬如，在车轮滑移率低于某个预先设定的参考滑移率时保持回馈制动力矩；当滑移率超过这个值时增大减小回馈制动力矩，防止受控车轮抱死。这种控制方法和初亮教授等人提出的方法没有本质区别，都是在防抱死控过程中对回馈转矩进行“减小—保持—减小—保持”的循环控制，仍然是一种比较被动的控制方式，即在防抱死控制过程中没有去主动地利用回馈转矩，而是逐步地削弱它的作用他们采用的再生制动与ＡＢＳ系统集成控制模型结构如图2-3所示。