1 制動能量回收的方法和類型

制動能量回收技術(shù)旨在減少制動過程中損失的熱量，工作過程中會使行駛中的車輛

產(chǎn)生相應(yīng)的阻力進而達到制動的效果，并將回收的機械能回收以化學(xué)能、液壓能等形式

存儲以備汽車下次工作使用。對于純電動車，該技術(shù)能增加其續(xù)航能力。

1.1 制動能量回收的形式

根據(jù)儲能器形式進行分類，制動能量回收主要包括電化學(xué)儲能、液壓儲能及飛輪儲

能三種形式 。圖 為制動能量回收系統(tǒng)原理圖，主要闡釋了各系統(tǒng)、部件間的能量

傳輸關(guān)系。

三種儲能方式各有特點，

在實際應(yīng)用中，液壓儲能由于其能量密度和能量效率過低的特點，一般應(yīng)用于大型車輛。而飛輪由于其極差的長時儲能，一般應(yīng)用于具有頻繁啟動工況的公交車。電化學(xué)儲能以其較好的能量密度適用于民用電動車輛，一般以電池作為儲能器。電化學(xué)能儲存是將汽車制動過程中的部分動能轉(zhuǎn)為電化學(xué)能。電動汽車以動力電池作為能量源，因此在電動汽車上使用這一方式無需增加儲能設(shè)備。將電機作為驅(qū)動部件，電動汽車制動過程中，當(dāng)滿足能量回收開啟的條件時，整車控制器（VCU, Vehicle Control Unit）發(fā)出指令，通過電機控制器使驅(qū)動電機由驅(qū)動模式轉(zhuǎn)為制動模式以產(chǎn)生拖曳力矩。同時，在電機參與制動力分配過程中，電機的工作特性使其在這一過程中充當(dāng)發(fā)電機。讓本該損失為熱量的能量轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能給動力電池充電，達到能量回收的目的。

1.2 制動能量回收系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)汽車會根據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)以及使用目的等各種因素來設(shè)計整車制動力分配，一般為固定比值的制動力分配系統(tǒng)。車輛在增設(shè)制動能量回收系統(tǒng)之后，電機制動力的介入會改變車輛初始制動力分配關(guān)系。制動能量回收的表現(xiàn)形式為驅(qū)動電機的逆向工作產(chǎn)生阻止汽車行進的拖曳力矩。相對液壓制動系統(tǒng)而言，電機制動力的加入破壞了原有的制動力分配，從而需設(shè)計新的制動系統(tǒng)，其目的是將增設(shè)的電機制動力與原始制動系統(tǒng)協(xié)同工作而不影響車輛制動安全性。在制動能量回收過程中，電機制動沒有額外消耗能量。相較液壓制動，電機制動力上限過小而不足以提供一些緊急工況的制動力要求。因此，電機制動力只能作為輔助制動力或者提供部分工況下的制動力需求。另外，考慮到汽車制動效能的整體評價效果，需要一種將兩者結(jié)合工作的復(fù)合制動模式。在原始制

動系統(tǒng)與電機制動的協(xié)同工作模式中，一般有串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式。

（1）串聯(lián)模式

如圖為雙軸汽車采用串聯(lián)模式工作的制動系統(tǒng)控制原理圖。

在串聯(lián)模式中，制動力分配是以獲取能量回收效率為目的，因此在工作過程中使用電機制動力。

由上圖 可知，制動強度較小時，所需制動力較小，完全使用電機提供的制動力。制動強度增大會需要更大的制動力，在某一制動強度節(jié)點之后，電機提供的制動力只能滿足部分制動需求，隨著制動力需求的增加，則需要液壓制動系統(tǒng)提供制動力。制動系統(tǒng)控制器根據(jù)實時制動強度計算整車所需制動力，并向電機控制器與液壓制動系統(tǒng)發(fā)出指令。電機根據(jù)實時轉(zhuǎn)速-制動函數(shù)向制動控制器反饋扭矩，當(dāng)電機可輸出制動轉(zhuǎn)矩不夠時，液壓制動系統(tǒng)補足與所需制動力的差值。在串聯(lián)模式中，利用電機制動

（2）并聯(lián)模式

圖 為雙軸汽車在并聯(lián)模式工作的制動系統(tǒng)控制原理圖，與上述串聯(lián)模式的主導(dǎo)思路不同，該模式中的電機制動力作為附加制動力參與整車制動力分配，其參與比例依據(jù)實際情況制定，圖 為前后軸制動器及電機制動力在并聯(lián)模式下的分配示意圖。根據(jù)制動踏板的行程，制動系統(tǒng)控制器發(fā)送指令給電機控制器與液壓制動系統(tǒng)，電機將根據(jù)設(shè)計好的配比關(guān)系輸出制動轉(zhuǎn)矩。在并聯(lián)模式中，雖然車輛制動未完全利用電機制動，但是并聯(lián)模式下的控制簡單，無需對原有的機械制動結(jié)構(gòu)進行改動，是一種簡單易行的復(fù)合制動模式。

1.3 制動能量回收的影響因素

車輛在制動能量回收的工作過程中會受到多方面因素的約束。在充分了解這些約束的情況下，可以針對研究對象逐個優(yōu)化相關(guān)部件進而提升制動能量回收效率。下面從整車零部件特性和外界環(huán)境兩個方向分析主要的影響因素。

（1）行駛工況

制動能量回收在車輛制動時工作，尤其是高頻率、制動強度低的運行工況才能讓制動能量回收系統(tǒng)具有較高的工作頻率和效率。車輛在類似城市公交或者區(qū)域性功能車的工況下，能量回收工作的頻率較高。在類型定速巡航的情況下，減速需求較少，因此能量回收系統(tǒng)工作的頻率較低。

（2）動力電池特性

電池作為儲能裝置，集充、放電功能為一體，其綜合狀態(tài)是能量回收效果至關(guān)重要的一個影響因素?，F(xiàn)階段，鋰電池是電動汽車常用的電池類型。在評價鋰電池的綜合性能時，一般通過荷電狀態(tài)（SOC，State of Charge）、健康狀態(tài)（SOH，State of health）、功率狀態(tài)（SOP，State of Power）等指標(biāo)評價。電池 SOC 值是當(dāng)前電池剩余電量與滿電狀態(tài)的一個關(guān)系量。SOH 表示電池當(dāng)前的衰減程度，描述了電池的使用情況及壽命估計。SOP 表示電池在某一時刻可釋放或者吸收的功率。

其中，電池 SOC 值是一個關(guān)鍵影響因素。一般對電池 SOC 有兩種定義，令 Qr、Qt 分別為電池的標(biāo)稱容量和電池在 t 時刻的容量，則有如下：

式 表示的是用標(biāo)稱容量定義動力電池 SOC。標(biāo)稱容量定義法考慮的因素比較少，是理想狀態(tài)下的 SOC 估算方法。在電池實際工作環(huán)境下，一方面需要考慮到電池內(nèi)部的指標(biāo)變化，例如電池內(nèi)阻、溫度等；另一方面是工作環(huán)境的影響，特別是受外界溫度影響較大。令 Q 為動力電池能達到的實際容量，則 SOC 可用 Q 與 Qt 的關(guān)系量表示，有如下：

考慮各影響因素可得修正后的定義如下：

式（2.3）中，SOC(t) 為 t 時刻修正后的SOC 值；

為電池SOC 初始值；i 為電池工作過程中的電流；

分別為電池工作過程中自放電與外界環(huán)境溫度引起的容量損失。以上為電池 SOC 的定義分析，SOC 值的大小是決定能量回收系統(tǒng)開啟與否的一個條件。SOC 值過高，接近滿電狀態(tài)的動力電池容易形成過充。另外，溫度的高低影響鋰電池特性。溫度過高，鋰電池處于極限工作環(huán)境，應(yīng)減少其工作量，不宜充電；溫度過低，鋰電池內(nèi)部活性降低，導(dǎo)致充電效率降低。

（3）電機特性

如圖 所示為電機外特性示意圖，電機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可分為兩個階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速在 n1 以下時為恒轉(zhuǎn)矩模式，其中 n1 稱為該電機的基速；當(dāng)轉(zhuǎn)速在 n1 以上時，電機功率轉(zhuǎn)為恒定狀態(tài)。因此，電機在進入制動能量回收工作時的狀態(tài)會限制電機輸出制動轉(zhuǎn)矩的大小，進而影響制動力的分配。同時，轉(zhuǎn)速過低的時候介入再生制動將導(dǎo)致可回收的能量不多，進而影響能量回收效率。

（4）驅(qū)動形式

電機向驅(qū)動軸輸出驅(qū)動力矩，同時也向驅(qū)動軸提供制動力矩。顯然，在制動能量

回收系統(tǒng)工作的時候，電機制動力只能作用于相應(yīng)驅(qū)動軸，即只能回收相應(yīng)驅(qū)動軸上的

制動能量。本文研究的對象為單電機后置后驅(qū)形式，制動能量回收工作時*作用于后軸。

（5）制動能量回收控制策略

電機制動力參與整車制動的比例會限制能量回收的效率，同時整車前、后軸制動器制動力的比例關(guān)系很大程度上確定了能量回收的程度?？刂撇呗詻Q定了上述兩種配比關(guān)系。為了**化能量回收，則需要電機制動力盡可能多的參與，而電機制動力參與份額過多會影響前后軸制動力配比?？刂撇呗缘闹饕饔镁驮谟趨f(xié)調(diào)兩者的矛盾，通過實際情況進行制定從而決定能量回收的效率。

（6）制動安全法規(guī)要求

制動時應(yīng)確保車輛處于可控狀態(tài)并具有一定的制動效率，應(yīng)用較為**的 ECE R13制動法規(guī)便是針對以上兩點而提出，該法規(guī)確定了不同規(guī)格的雙軸汽車在前后軸制動力的比例限制 。在我國也有相關(guān)法規(guī)，因此一般車輛出廠前必須符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的制動力分配，一定程度上約束了（5）中所述控制策略關(guān)于制動力分配的制定，進而影響制動能量回收。