浅论电动汽车再生制动系统及其运用

■他山之石浅论电动汽车再生制动系统及其运用陆刚邓桂芳由于环境污染和能源短缺问题备受关注，电动汽车已成为全世界汽车工业领域研究的热点。

再生制动引入到传统液压制动系统中会改变原有车辆制动性能，需使再生制动与液压制动之间协调一致，确保车辆制动稳定性及驾驶平顺性，并最大化提高能量回收效率，延长电动汽车的续驶里程，值得业内人士的关注。

■制动能量回收对于提高电动汽车的能量利用率具有重要意义当今，汽车已经和我们的工作、生活密切相关，但传统汽车所带来的环保问题令人烦恼，再加上能源问题，使得人们不得不开始探索它的替代品。

电动汽车以其独有的特点受到人们的关注，从环保的角度来看，电动汽车是零排放的市区交通工具，即使加上发电厂增加的排气，总量上看，它也将使空气污染大大减少。

从能源角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化(例如可使用各种再生能源)和高效化，达到能源的可靠、均衡和无污染利用的目的。

在改善交通安全和道路使用方面，电动汽车更容易实现智能化。

众所周知，汽车排放造成的大气污染和地球的温室效应，成为全人类的公害。

随着世界汽车产业的发展，人类社会日益增多的石油能源的消耗，将加快从能源短缺到能源枯竭的步伐。

人类社会和汽车产业的可持续发展受到极大的威胁，发展汽车新能源、开发汽车新动力，成为世界汽车产业面临的十分紧迫的任务。

当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池汽车，尤其是立足于氢能基础上的燃料电池汽车正在引发世界汽车工业的一场革命，展现了汽车工业新能源、新动力发展的光明前景。

电动汽车的关键部件之一是蓄电池，蓄电池储存能量的多少是决定电动汽车续驶里程的重要因素。

但是目前蓄电池技术仍然是发展电动汽车产业的瓶颈，未能取得突破性进展，电动汽车的续驶里程还不能满足用户的需求。

如果将车辆减速时的动能转化为电能，回收入蓄电池，而不是摩擦浪费掉，这无疑相当于增加了蓄电池的容量。

在现有的技术条件下，这样做对于提高电动汽车的续驶里程性能具有重要的意义。

一般来讲，在电池充电效率为100%，电机效率、制动回馈效率为50%，车辆总消耗能量的50%用于获得车辆动能的设定条件下，基于能量守恒而解析计算得到:采用再生制动回馈能量，可提高车辆续驶里程33%。

电动汽车采用电制动时，驱动电机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离至关重要。

国外有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长10%～30%。

目前国内关于制动能量回收的研究还处在初级阶段，制动能量回收要综合考虑汽车动力学特性、电机发电特性、电池安全保证与充电特性等多方面的问题。

制动能量回收问题对于提高纯电动汽车的能量利用率具有重要意义。

■电动汽车再生制动技术存在的主要问题及研究内容电动汽车的再生制动就是利用电机的电气制动产生反向力矩使车辆减速或停车。

从电机再生出来的能量储积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%～20%。

如采用选用件制动单元，可以达到50%～100%。

再生制动是目前电动汽车回收制动能的普遍技术。

对于再生制动系统是由常规摩擦制动系统与电制动复合而成的电动汽车。

电动汽车再生制动技术存在以下三个主要问题。

1.制动的稳定性问题由于电制动力矩（即再生制动力矩）随车速变化大，它的制动过程与传统燃油车只具有摩擦制动系统的制动过程有所不同，对于后驱型电动汽车，由于电制动力矩是加在后轴上，当电制动力矩过大时会使后轴提前抱死，从而使汽车出现后轴侧滑丧失稳定性。

对于前驱型电动汽车，电制动力矩位于前轴上，过大的电制动力矩会使前轴过早于后轴抱死，不但使前轮丧失转向能力，还会使附着利用率降低。

2.制动能回收的充分性问题在保证电动汽车制动稳定性前提下，尽可能多的回收制动能。

电动汽车的充电能力受动力电池SOC、电机工作特性、充电的快慢等因素的影响。

由于再生制动时常存在过充电及急速充电等问题，使得电机和蓄电池工作条件变得复杂，因此提高短时间内充电系统的充电效率是保证制动能回收充分性的关键。

3.制动过程的平顺性电动汽车制动时，电制动力矩作为辅助制动力矩将影响制动踏板与驾驶平顺性。

需要对电制动力矩的大小进行优化控制以使电动汽车的制动与常规汽车制动系统的制动感觉一样。

电动汽车再生制动技术的研究内容主要集中在以下几个方面:①在回收制动能的必要性方面：以城市典型工况为例，通过对比传统车与HEV的燃油成本，定量分析了HEV再生制动系统对整车动力性、燃油经济性影响，得出运行城市典型工况的HEV燃油经济性有显著提高；②在回收制动能的效率方面：由于短时间内充电系统的充电效率是保证制动能回收充分性的关键。

不同能量储存器在短时间内的充电能力有较大差别，研究表明以超级电容器为辅、蓄电池为主的储存系统接受再生制动能的能力是目前情况下最好的车载能量储存器。

对于电动汽车驱动电机来说，恒功率工作区域越宽，电机工作效率越高；③在驱动电机与功率转换器的控制技术方面：采用永磁无刷直流电机与逆变器方案作为电动汽车驱动系统可实现电机的四象限运行，且电制动时逆变器的主回路结构及控制电路不需作任何硬件变动。

对于电池供电的永磁电机系统来说，再生制动时，最大回馈效率制动方式回馈能量最多，最大回馈功率制动下回馈能量最少。

■电动汽车再生制动的模式要求及基本原理电动汽车的再生制动利用电机的电气制动产生反向力矩使车辆减速或停车，对于感应电机来说，电气制动有反接制动、直流制动和再生制动等。

其中，能实现将刹车过程中能量回收的只有再生制动，其本质是电机转子的转动频率超过电机的电源频率，电机工作于发电状态，将机械能转化为电能通过逆变器的反向续流二极管给电池充电。

汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和长下坡时能够维持一定车速的能力，称为汽车制动性。

制动性能是汽车的重要性能指标之一，直接关系到交通安全，再生能量回馈和利用的前提是保证安全性。

再生制动能量回收的优点除了可提高能量利用率外，还有减小机械、液压等制动方式的机械磨损，可实现更加精确的制动控制，以及降低传统汽车制动过程中因温度升高而产生的制动热衰退现象等。

电动汽车制动可分为以下三种模式，不同模式应辅以不同的控制策略。

紧急制动：对应于制动减速度大于2m/s2的过程，出于安全性方面的考虑应以机械摩擦制动为主，电气制动仅起辅助作用。

在急刹车时，可根据初始速度的不同，由车上ABS控制提供相应的机械摩擦制动力。

中轻度制动：对应于汽车在正常工况下的制动过程，如遇红灯或者靠站停车等，可分为减速过程与停止过程。

电气制动负责减速过程，停止过程由机械摩擦制动完成。

汽车长下坡时的制动：电动汽车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时，在制动力要求不大时，可完全工作于纯再生制动模式。

由以上三种制动模式可知，除了紧急制动外，其他两种模式都可以应用再生制动，将刹车产生的能量回馈到直流母线，给电池充电。

在制动过程中，除去空气阻力和行驶阻力消耗掉的能量，一般希望能最大限度地回收所有能量。

然而，并不是所有的制动能量都可以回收。

在电动汽车上，只有驱动轮的制动能量可以沿着与之相连接的驱动轴传送到能量存储系统，另一部分的制动能量将由车轮上的摩擦制动以热的形式散失掉。

同时，在制动能量回收过程中，能量传递环节和能量存储系统的各部件也将会造成能量损失。

另外一个影响制动能量回收的因素是：在再生制动时，制动能量通过电动机转化为电能，而电动机吸收制动能量的能力依赖于电动机的速度，在其额定转速范围内制动时，可再生的能量与车速基本上成正比。

当所需要的制动能量超出能量回收系统的范围时，电动机可吸收的能量保持不变，超出的部分能量就要被摩擦制动系统所吸收。

从另一个角度还表明，在驱动电机额定转速内再生制动可以提供较大的制动转矩，而当转速进一步上升，则电动汽车再生制动所能提供的制动力则受电机弱磁恒功率工作区特点限制而减小。

随着能源和环保问题日益突出，电动汽车以其清洁无污染、能量效率高及能量来源多样化、结构简单和维修方便等优点成为汽车发展的新热点，但是续驶里程和售价昂贵这两个问题严重地阻碍了电动汽车商品化。

由于再生制动利用了原本被消耗于摩擦制动的能量，可降低电动汽车的能耗，改善汽车的经济性能。

因此，在目前的HEV 技术研究中，再生制动已成为一种降低能耗、提高续驶里程的重要技术手段。

■电动汽车再生制动系统的要求及控制策略再生制动亦称反馈制动，是一种使用在电动车辆上的制动技术。

在制动时把车辆的动能转化及储存起来，而不是变成无用的热。

再生制动是电动汽车进行制动时把一部分动能通过电机转换为电能储存起来回收利用，增加行驶里程。

再生制动一般是和传统液压制动协调配合提供制动力，再生制动力是为了回收能量，再生制动力越大，回收的能量越多，具体再生制动力大小受车速、电池容量、电机等因素约束。

电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器工作，这就叫作再生（电气）制动。

典型控制策略有:并行制动系统控制策略、最佳制动能量回收控制策略以及理想制动力分配控制策略。

其中并行制动系统控制策略是在传统汽车制动系统的基础上加入电机制动，其驱动轴在制动时采用机械制动系统与再生制动系统联合制动;最佳制动能量回收控制策略是在保证制动要求的前提下最大限度地回收制动能量；理想制动力分配控制策略是在保证最佳制动性能的前提下尽量回收制动能量。

上述典型控制策略中，并行制动系统控制策略较简单，另两种比较复杂，而且要求精确的计算和控制。

电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)最重要特性之一是其回收制动能量的能力。

在电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车(FCV)中的电动机可被控制作为发电机运行，从而将车辆的动能或位能变换为电能，并储存在能量储存装置之中再次利用。

电机驱动控制系统的好坏关系着电动汽车能否安全可靠地运行。

电机驱动系统主要由电机、电力电子变流器、数字控制器和传感器等部分组成。

目前电动汽车电机驱动系统中，主要采用感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。

电机驱动控制系统由电力电子逆变器向IGBT集成模块发展，传感器向集成智能传感器发展，在电机的控制方法方面，传统的控制方法是直流电机的励磁控制法与电枢电压控制法；开关磁阻电动机的角度位置控制、电流斩波控制以及电压控制；感应电机主要有V/F控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。

近几年来出现了许多先进的控制方法包括自适应控制、变结构控制、模糊控制和神经网络控制、闭环控制、鲁棒控制、滑模控制、专家系统、模型参考自适应控制、非耦合控制、交叉耦合控制以及协调控制等也都适用于电机驱动。

■电动汽车再生制动能量回收控制系统现代电动汽车经过数十年的发展，其各项标准已经基本达到了人们用车的需求，但是却迟迟不能占据市场，最主要的原因就是现在的电动汽车的续驶里程不能满足人们的需求。