电动汽车再生制动系统综述

A版电动汽车再生制动系统综述方春杰李军重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074【摘要】文章以电动汽车为研究对象，对其再生制动系统结合目前的研究状况，分析了影响再生制动的主要因素；根据其主要影响因素，对几种常见的再生制动控制策略进行了阐述和分析；通过对比分析，发现并行再生制动控制策略或复合并联式控制策略能更好地满足电动汽车能量管理的控制，其具有很好的发展前景。【ABSTRACT】WITHELECTRICVEHICLEASTHERESEARCHOBJECT，STRUCTUREOFTHEREGENERATIVEBRAKINGSYSTEMISINTRODUCEDANDCOMBININGWITHTHECURRENTRESEARCHSTATUS，THEMAININFLUENCINGFACTORSOFREGENERATIVEBRAKINGISANALYZEDONTHEBASISOFTHEMAININFLUENCINGFACTORS，SEVERALCOMMONREGENERATIVEBRAKINGCONTROLSTRATEGIESAREDESCRIBEDANDANALYZEDACCORDINGTOCOMPARISONANDANALYSIS，ITCANBEOBTAINEDTHATTHEPARALLELREGENERATIVEBRAKINGCONTROLSTRATEGYORTHECOMPOSITEPARALLELCONTROLSTRATEGYWHICHPOSSESSESGREATPROSPECTSFORDEVELOPMENTCANBETTERMEETTHENEEDSOFENERGYMANAGEMENT0NTRO1FORELTRJCVHCLE【关键词】再生制动系统控制策略电动汽车DOI103969JISSN10074554201605010引言电动汽车通过自身配备的驱动电机，可以实现再生制动功能，回收传统汽车制动过程损失的能量。再生制动系统是电动汽车的重要组成部分，采用再生制动系统，可以回收制动过程中损失的能量，提高能量利用率，实现更精确的制动控制，增加电动汽车的续驶里程。再生制动系统分析是电动汽车研究中重要环节之一。本文以电动汽车再生制动系统为研究对象，在介绍其结构分类和基本原理的基础上，分析再生制动的影响因素和控制策略。1再生制动系统结构动系统两大部分构成。再生制动系统的结构按驱动电机的布置形式大致可分为3类中央电机式再生制动系统、轮边电机式再生制动系统和轮毂电机式再生制动系统。对于前轮驱动的电动汽车，这3类制动系统的具体结构分别如图L3所示。以上3种系统中，由于轮毂电机式再生制动系统去除了机械连接，全部采用电力连接，有效地减少了机械损失，因而与中央电机式和轮边电机式再生制动系统相比，该系统能量回收效率较高。但是该系统的不足之处是轮毂电机制造成本相对较高2再生制动影响因素分析电动汽车制动系统由机械制动系统和再生制影响再生制动能量回收的因素有很多。其中收稿日期20162263图1中央电机式再生制动系统机械连接电力连接图2轮边电机式再生制动系统轮毂电机驱动轮DCDC器卜一一J二二二J二二ACAC一二工二1一再生制动控制器传感器轮毂电机驱动轮4电力连接图3轮毂电机式再生制动系统主要的影响因素有电机的特性、蓄电池组的状态、行驶工况、驱动形式以及控制策略。21电机特性的影响电机特性是影响再生制动能量回收的一个重要因素。电机工作时，必须满足电动汽车工作要求的输出特性，即当转速低于基速时，电机以恒定转矩输出；当转速高于基速时，电机以恒定功率输出。电机的再生制动转矩为R9550PNB，NHI9550PN，NNB式中为电机再生制动转矩，NM；P为电机额定功率，KW；N为电机基速，RMIN；N为电机转速，RMIN。电机能够提供的再生制动转矩越大，其产生最大再生制动力越大，有助于提高再生制动效率，也即电机制动能力越强，能够回收的制动能量也就越多。然而电机的再生制动转矩会受到发电功率和转速的制约，而且当制动强度过大时，电机不能满足制动要求J。电机的发电能力直接影响并制约着再生回收能量的总量。若电机发电功率越大，则能提供给电池的充电功率也会随之增大，制动过程中回收的能量就越多J。此外，电机的工作效率对整个再生制动过程中的能量回收同样会产生相应的影响。22蓄电池组状态的影响蓄电池组的荷电状态SOC值、蓄电池组温度、充电电流以及充电功率都会限制蓄电池组的充电效率J。当蓄电池组SOC值很高或者温度过高时，为了保护蓄电池组，延长电池组的使用寿命，均不能进行制动能量回收。充电电流过大时，蓄电池温度会随之快速升高，此时也不能进行制动能量回收。同时电池组的充电功率不能超过当时允许的最大充电功率。23行驶工况的影响不同行驶工况下，电动汽车的制动频率和制动强度不同，可回收的制动能量也会不同。在城市工况下，特别是早晚出行高峰期，交通比较拥堵，电动汽车需要频繁地启停，制动的频率较高、制动强度较低，因而回收的能量相对较多I9J。而在乡村道路或高速公路工况下，行车过程不需要频繁制动，制动频率不高，因而回收的制动能量相对较少。24驱动形式的影响驱动形式一般可分为前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动。驱动电机产生的再生制动力只作用于驱动轮，因而再生制动系统只能回收驱动轮上的制动能量。车辆制动时，由于存在向前的惯性，前轮附着条件优于后轮附着条件，加之前后轮制动力分配关系前轮制动力大于后轮制动力，因此，在相同的外界条件下，前轮驱动回收的能量更多。与前、后二轮驱动形式相比，四轮驱动形式下电动汽车的再生制动能力更强，回收的能量更多。25控制策略的影响为了保证在制动安全的条件下实现能量充分回收，需要合理地设计再生制动与机械制动的分配关系。一方面，必须控制牵引电机产生特定的再生制动力；另一方面，应控制机械制动系统满足由驾驶员给出的制动力命令。控制策略的合理性决定了能量回收效率，因此控制策略对于制动能量回收具有非常大的影响。3再生制动控制策略分析电动汽车的再生制动是在原有机械制动系统的基础上添加的，其制动功能通过对两种制动力的重新匹配来实现。再生制动系统的加入给制动控制策略的制定增添了复杂性，再生系统控制策略应满足以下要求1合理分配再生制动力和机械摩擦制动力，在不对制动性能构成影响的前提下，尽可能实现制动能量回收的最大化，以提高车辆的续驶能力；2合理分配前后轮轴上的制动力，以达到稳定的制动效果，保证车辆行驶的稳定性；3控制策略应与ABS、ASR、ESP等系统相融合，不影响其制动性能。上海汽车201605针对不同车型再生制动系统的特点，国内外学者提出了不同的控制策略。冯能莲等提出了恒值能量回收、定速率能量回收、最大化能量回收R3种能量回收控制策略；王军等提出了一种考虑变速器档位影响的分段复合再生制动控制策略；美国学者SANKETHSSHETTY和ORKUNKARABASOGLU_L以混合动力汽车、纯电动汽车为研究对象，提出了基于人工神经网络方法的最佳制动力分配控制策略；西北工业大学高爱云等提出了基于最佳制动效果和模糊控制的再生制动控制策略。上述几种控制策略都能在一定程度上提高制动能量的回收效率，实现制动力的合理分配，具有一定的理论参考价值，但这些控制策略仅局限于理论层面上的研究或者处于虚拟仿真阶段，大多数没有得到实际应用。目前，常见的再生制动控制策略有理想制动力分配控制策略、并行再生制动控制策略和最佳制动能量回收控制策略。此外，国内JIN关研究人员还提出了混合并联式控制策略等诸多其他的控制策略。31理想制动力分配控制策略在理想制动力分配控制策略下，前后轮制动力严格按照理想制动力分配曲线，曲线进行分配，具体分配关系如图4所示。0NFL前轮制动力；，2后轮制动力；FBL驱动轴制动力；B2非驱动轴制动力；FXBT再生制动力；FB机械制动力；FMXLL最大再生制动力图4理想制动力分配控制策略5以满载为例，当驱动轴所需要的制动力小于或者等于电机提供的再生制动力时，驱动轴的制动力由电机提供，而非驱动轴的制动力南机械制动系统提供如图4中A点；当驱动轴所需要的制动力大于电机提供的再生制动力时，电机为驱动轴提供最大的再生制动力，不足部分的制动力由机械制动系统提供，非驱动轴的制动力则全部由机械制动系统提供如图4中B点。采用理想制动力分配控制策略，能够充分利用地面附着条件，电动汽车制动距离短，同时可以实现能量回收的最大化；但该控制策略需要特定的制动操纵机构与智能化程度较高的控制器，才能对前后轮制动力进行独立精确控制，且控制系统复杂。由于市场上大多数电动汽车仍采用传统的制动操纵机构，无法对再生制动系统和机械制动系统单独进行操纵以及严格按照，曲线进行两系统制动力分配，其协调控制难度大，因此该控制策略还未得到实际应用“。32并行再生制动控制策略并行再生制动控制策略主要应用于单轴驱动的新能源汽车的并行制动系统。所谓并行制动系统是指在不改变传统汽车制动系统的前提下，加入一个制动电机的制动系统。这样并行制动系统的驱动轴在制动时采用机械制动与再生制动联合制动，非驱动轴仅采用传统的机械制动_L，且机械系统制动力按一定比例进行分配，而再生系统制动力只施加给驱动轮，其原理如图5所示。图5的具体分配关系为J1当制动强度Z07时，为了提高制动稳定性和制动效能，缩短制动距离，采用纯机械制动模式，制动系统制动力完全由机械制动力提供，且前后轮制动力按线分配。该制动控制策略不需要控制机械制动力的大小，仅需要控制电机再生制动力的大小，执行机构6J3缓线，前轮制动力；后轮制动力；卢线实际前后轮制劝器制动力分配线；M线ECE制动法规下前轮抱死时后轮必须具有的最小制劝力分配曲线冈5并行再生制动控制策略结构简单可靠，制造成本低，易于实现。当再生制动失效时，仍可实现安全制动，这更加符合ECE有关制动安全性的要求。但是南于该制动控制策略及其执行机构较为简单，因而很难兼顾制动稳定性和能量回收最大化的要求。与其他两种常见的控制策略相比，采用该策略制动过程回收的能量相对较少。33最佳制动能量回收控制策略最佳制动能量回收控制策略侧重于制动系统能量收回的最大化。其控制思想是在保证前、后轮不发生抱死的前提下，优先考虑系统制动力矩完全由驱动轮提供。当电机提供的最大制动强度能够满足制动系统需求时，充分发挥电机的发电能力，全部制动力南再生制动系统提供，最大限度回收能量。当电机提供的最大制动强度低于制动系统所需的制动强度时，电机提供最大再生制动力，不足的制动力由机械制动力进行补充。其前后轮制动力的分配关系如图6所示。分析上述控制思想可知，最佳制动能量回收控制策略理论上可以实现制动能量回收的最大化，但该控制策略对路面附着系数的变化比较敏感，且需要精确控制机械制动力和再生制动力的合理分配，对控制系统的要求较高，因而实现该控制策略需要智能化程度高的控制器，且技术难度大，制造成本高。图6最佳制动能量回收控制策略4结语本文在分析了电动汽车再生制动系统的结构及分类的基础上，将制动能量回收和制动力分配作为两个基本出发点，分析了电动汽车再生制动的影响因素和控制策略。针对常见控制策略，对其优缺点进行了总结。理想制动力分配控制策略可以充分利用路面附着条件，同时兼顾制动稳定性和能量回收最大化，但其控制复杂，系统协调控制难度大，实用性差。最佳制动能量回收控制策略理论上可以实现能量回收的最大化，但它对控制系统要求较高，技术难度大，制造成本高。而并行再生制动控制策略和混合并联控制策略由于其控制系统结构比较简单，控制技术易于实现等独特优点，非常适合电动汽车研究与发展的需要。参考文献1EHSANIM，GAOYIMIN，BUTLERKLAPPLICATIONOFELECTRIEALLYPEAKINGHYBRIDELPHPROPULSIONSYSTEMTOAFULLSIZEJVEHICULARTECHNOLOGY，IEEE1999，48617791787上海汽车2016052王子杰，黄妙华，邓亚东卜制动系统的建模与仿真J武汉理工大学学报信息与管胖I程版，2001，2341021053刘志强，过学迅纯电动汽车电液复合再生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