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。

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。