电动汽车制动能量回收相关技术

制动能量回收技术不仅能够提高能量利用率，而且可以减少磨损和制动热量，降低噪声，缓解热衰退，从而优化汽车的制动性能，提高制动稳定性。研究表明，在城市工况中近34%的汽车驱动能量消耗在制动过程中，在有些城市更高达80%[1]；而在电动汽车中，这部分能量通过电气系统由驱动轮至蓄电池的转化效率可高达68%[2]，在城市路段，可增加续驶里程超过20%[3]。文章从制动能量回收潜力、影响因素、驾驶意图和控制策略等方面，简述电动汽车制动能量回收技术的研究现状及存在问题。

1 制动能量回收潜力研究

制动能量回收潜力研究能为电动汽车的收益评估提供支撑，为制动能量回收技术提供指导。

文献[3]研究发现，制动能量回收能够提升续驶里程约24.4%。制动最大功率曲线与电机制动时外特性曲线基本吻合，但制动回收密集区与电机的高效率区吻合不好。为了高效回收，提出在满足驱动的同时兼顾能量回收率的驱动系统设计建议，使电机工作在制动能量分布密集区域，或调整系统传动比使二者尽量重合。节能潜力分析研究发现，工况对能量回收有很大影响，车型参数的影响程度随着制动力分配比例的增大而增大[4]11。文献[5]分析了车辆在NEDC 工况的节能效果，估计了制动能量回收潜力极限。回收潜力因驾驶员个人因素有1/6 的差异，这在标准循环下无法测得，城市路况有着最高的回收潜能。

2 制动能量回收影响因素分析

除了路况等因素外，制动能量回收率还受到制动布置形式、电机、储能系统、能量传递和整车质量等因素影响，要发挥再生制动的最大潜力，就要对这些因素进行优化。

2.1 制动布置

制动布置涉及到前后轴制动力分配、驱动轴再生制动与机械制动分配等方面。制动策略是针对制动布置形式制定的，制动布置对控制策略有着决定性的影响。电动汽车制动要满足[6]：不出现后轮单独抱死或后轮比前轮先抱死的情况；尽量少出现只有前轮抱死或前后轮同时抱死的情况。回馈制动布置形式同样要考虑这2 点，结合复合制动特点选择合适的布置形式。

2.1.1 再生制动布置

制动布置对应的驱动有后轴驱动、前轴驱动、双轴驱动和四轮驱动。只有电机参与的驱动轮可以进行制动能量回收。为了能量回收效果，需要为驱动轮分配更多制动力。后轮单轴驱动，其再生制动潜能受到限制；而前轴单轴驱动在制动过程中比后轮的制动力分配更多，因此更适合采用前轮驱动；双轴驱动前后各1 个电机，避免了单轴驱动为回收更多能量使得前后轴制动力分配偏离I 曲线造成稳定性下降的情况，使得前后轴制动力可以按照理想制动曲线进行分配，且都可进行再生制动，能量回收率得到了保障，且驱动性能较单轴提高；四轮各配1 个电机，简化了能量传递，传递效率提高，回收潜力提升，且在轻量化、空间利用率、轴荷分布、驱动布置和稳定性等方面优势明显，但存在簧下质量增大等负面影响。

2.1.2 机械制动布置

机械制动有X 型和H 型，X 型的前后制动力成比例关系，制动力无法自由调节以配合回馈制动力达到理想状态，且机械制动比例较大，所以能量回收空间小。H 型前后轮制动力独立控制，与制动回收系统高度匹配，可将电机制动力调到理想值再配合摩擦制动，使总制动达到要求。

2.1.3 机电耦合

电机制动转矩有时不满足制动需要，为保证能量回收率和制动安全，要将机械制动与再生制动耦合。机电制动耦合可分为叠加式耦合和协调式耦合[7]。

叠加式耦合基于X 型机械制动，机械制动与再生制动独立控制，根据制动强度，在踏板空行程范围内对再生制动进行调节，机械制动不调节。这种形式控制参数少、简单易实现、结构可靠性好，电机与机械制动互不影响，再生制动失效不影响安全制动；缺点是制动感觉差，能量回收率低。对于前轴电驱动而言，原机械的制动系统制动力分配曲线为β 线，在此基础上前轴施加再生制动，制动力分配曲线满足制动稳定性要求，但前轴施加的再生制动力少，回收率较低[4]10。

协调式耦合基于H 型机械制动，需要对传统制动主缸与轮缸压力进行解耦，制动主缸提供制动压力源，再通过调压阀分配机械制动压力；或配备电液制动对各轮制动独立控制[8]11。因此可先进行再生制动力分配，再通过液压调节单元调节制动力，与再生制动配合达到制动要求。这种形式制动感觉好且能量回收率高，但控制参数多。

2.2 电机

电动汽车使用直流、感应、永磁同步和开关磁阻电机，其中永磁同步电机应用最广泛。作为制动转矩输出端，电机特性对再生制动影响很大，再生制动最大力矩受电机外特性约束，且不同电机转速转矩组合对应不同的转换效率，直接影响再生制动力和回收效率[9]。

2.3 储能系统

制动要求储能装置高功率充放且快速切换。为保护电池，当荷电状态（SOC）较高时，应停止能量回收；当SOC 过低时，也不应进行回收。

2.4 能量传递系统

能量回收路径按照转换形式分为：车轮—半轴—机械传动构成的机械能传递系统；电机—电机控制器—逆变器组成的电能传递系统；电池及充电装置构成的化学储能系统。机械传递效率、电能传递效率和电池充放电效率及能量转换效率都会对能量回收产生影响。

2.5 其他因素

整车质量大、滚动阻力小、迎风面积小、空气阻力小，则可回收能量高，回收潜能大。另外，制动载荷转移对单轴驱动车型能量回收率也有影响。

2.6 影响因素研究现状

文献[10]对比了制动液压管路布置形式和驱动形式对制动能量回收的影响，制动强度为0.3 时，H 型前轴电驱动的能量回收率为43.91%，而X 型能量回收率为8.52%。双轴驱动电动汽车制动更贴近I 线，能源利用率比前驱高得多，对电机和储能系统利用充分，对能量回收率改善明显。文献[11]对基于I 线制动力分配的四驱纯电动汽车再生制动策略的研究证明了双轴驱动在制动稳定性与制动能量回收潜力方面的优越性。文献[2]研究表明，约34.59%的能量消耗在能量传递过程中，而轮毂电机可有效减少传统电机造成的能量损耗。文献[12]对轮毂电机四驱汽车固定比例分配策略和理想制动力分配策略进行了比较，发现在小制动强度下2 种控制策略的能量回收率都接近70%，中等制动强度下理想制动力分配策略回收率明显高于固定比例，但当车速较高、制动强度较大时，2 种控制策略回收率接近。文献[13]引入超级电容且将控制器安排在电机和储能系统间，在不同工况下对电池和超级电容能量进行分配，优化续航性能和行驶性能，表明超级电容比电池回收效率提高4.73%，说明了储能系统优化对回收效果的影响。

3 制动意图识别研究

准确识别制动意图是制动稳定性的重要保障，也是控制策略开发的基础。仅通过油门和制动踏板开度识别的精度低，会导致能量管理和扭矩分配与预期有差别，性能下降。

文献[14]中将驾驶意图分为动力和经济2 种模式，并细分为低速巡航、高速巡航、紧急加速、一般加速、平缓加速；引入汽车加速度均值与均值方差来进行驾驶模式选择，再通过油门开度与开度变化率识别加速程度，通过汽车平均加速度与车速进行识别。建立Takagi-Sugeno 模型可很好地识别驾驶意图，基于此识别方法的控制策略可优化经济性，且此方法对于制动同样适用。

制动回馈按开启方式分为收油门回馈和踩制动踏板回馈，对后者的研究较多。文献[15]建立油门和制动踏板模型，采用模糊识别方法对驾驶员驾驶意图进行识别，将制动意图分为紧急、中强度和小强度制动；在制动意图基础上建立了“仅考虑踩下制动踏板”和“同时考虑踩下制动踏板和收起油门”2 种模式，研究表明，油门收起模拟发动机制动的控制策略较普通控制策略在能量回收率和续驶里程方面均有提升。

4 机电制动协调控制策略研究

电制动响应快、机械制动响应慢，如何协调是机电复合制动的关键。目前复合制动策略的研究主要集中在稳态协调控制策略和动态协调控制策略[8]10。

4.1 稳态协调控制策略

稳态协调控制策略主要研究机电制动力协调分配，多针对制动器串联耦合方式；按照具体要求对前后轴制动力、机电制动进行分配，以提高回收率与舒适效果。

制动强度＜0.1 时，根据制动力曲线I 分配制动力；制动强度≥0.1 时，根据ECE 曲线分配制动力的增程式电动汽车串联制动能量回收控制策略，能量回收效率也明显提高[16]。文献[17]充分考虑制动安全性和能量回收时的电池、电机功率限制和车速等影响因素，以ECE 的M 曲线和f 曲线分配前后轮制动力，根据制动强度确定前轮摩擦制动力，结果表明，能量回收率提高了163.4%。文献[18]在制动能量回收过程对电制动与机械制动采用模糊控制进行分配，在保证制动安全的前提下增大制动响应时间，使得减速变化率更加平缓，获得了更好的制动舒适性。

文献[19]对自动挡HEV 的制动协调控制进行了研究，采用前轮再生制动与机械制动，后轮机械制动。其控制策略为当制动强度小于界定值时，制动只由前轮的再生制动或前轮再生制动与机械制动完成；若大于界定值时，由前轮再生制动和后轮机械制动或前轮机械制动加再生制动与后轮机械制动合作完成。仿真表明，其具有较好的能量回收效率，但是过高的前轮制动力分配会造成舒适性下降。

4.2 动态协调控制策略

动态协调控制策略主要针对制动过程中的突变因素，协调机电制动力，获得较高的制动稳定性和理想的能量回收率，主要涉及制动能量回收与机械制动、ABS动态协调控制。

文献[20]针对热衰退对制动稳定性的影响，提出电机制动力补偿算法，在车速为120 km/h，附着系数为0.8 的路面制动，对热衰退影响下的机械制动力进行补偿，使制动距离减少3.6 m、回收率提高2.2%。文献[21]提出了依据路面附着系数调整ABS 与再生制动的控制策略，低附路面液压制动提供基础制动力矩，中附路面电机提供基础制动力矩，高附路面退出电制动，完全由液压制动提供制动力矩。仿真表明，该控制策略兼顾制动稳定性与能量回收效率。文献[22]将电子伺服制动引入制动，将再生制动与高精度的制动压力协调控制，在进行模式切换过程中保持良好的制动踏板感觉，在跟车行驶工况下也保持较低的燃油消耗，在坡道起步时防止反转，保持较好的驾驶感觉。

4.3 电池保护

电池寿命短、回收难、价格高，但基于目前的技术水平，还难以找到替代品，如何控制机电复合制动，保护蓄电池并延长使用寿命变得十分重要。

文献[23]建立电池模型和车辆驱动模型，反映实时温度，对传动比进行模糊控制，调整制动电流。研究表明，小电流有助于控制电池的温度并确保能量回收率，为电池的热安全性能研究提供了参考。

5 结论

电动汽车的制动能量回收系统及机电复合制动技术已经取得了较快发展，且能量回收率及制动稳定性都已达到实用水平，但仍存在以下问题：增程式HEV的制动回收、SOC的精确计算方法以及如何考虑坡道对制动回收系统的影响有待深入研究；对无人驾驶汽车制动能量回收的研究较少；缺少准确的车辆制动数学模型。

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