电动汽车制动能量回收控制策略研究

安徽科技学院学报，２０１０，２４（３）：１３—１８

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

电动汽车制动能量回收控制策略研究

娄洁１，戴龙泉２

（１．芜湖职业技术学院，安徽芜湖２４１００６；２．奇瑞汽车有限公司，安徽芜湖２４１００９）

摘要：为了提高电动汽车的能量利用率，可采用制动能量回收的方法。通过对制动能量回收控制策略的分析，提出了制动能量回收方案；同时对提出的方案进行了详细的仿真分析，得到了一个较为理想的能量回收率。为进一步开发设计具体的控制系统及算法奠定了良好的基础。

关键词：电动汽车；制动能量回收；控制策略；仿真

中图分类号：Ｕ４６９．７２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３—８７７２（２０１０）０３—００１３—０６

ＳｔｕｄｙｏｎＥｌｅｃｔｒｉｃＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＢｒａｋｅＥｎｅｒｇｙＲｅｃｙｃｌｉｎｇＳｔｒａｔｅｇｙ

ＬＯＵＪｉｅｌ，ＤＡＩＬｏｎｇ—ｑｕａｎ２

ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈｕ２４１００６，Ｃｈｉｎａ；

２．ＣｈｅｒｙＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｗｕｈｕ（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ２４１００６，Ｃｈｉｎａ）

ｃａｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｂｒａｋｉｎｇｅｎｅｒｇｙｒｅｃｏｖｅｒｙｍｅｔｈｏｄｓ

ｕｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｎｂｅｂｒａｋｅｅｎｅｒｇｙｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｔｈｅｂｒａｋｅｅｎｅｒｇｙｒｅｃｙｃｌｉｎｇｐｌａｎｗａｓ

ａｐｒｏｐｏｓｅｄ；Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｔｈｅｐｌａｎ，ａｄｅｔａｉｌｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄ

ｍｏｒｅｉｄｅａｌｅｎｅｒｇｙｒｅｃｏｖｅｒｙｈａｓｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｉｓｈａｓｌａｉｄ

ｓｉｇｎｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓａｎｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ；Ｂｒａｋｅｅｎｅｒｇｙｒｅｃｙｃｌｉｎｇ；Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｇｏｏｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｅ－

在世界能源问题和环境保护问题日益受到关注的背景下，电动汽车成为研究热点。在电动汽车技术的研究和发展中，如何提高电动汽车的续航里程、如何提高能量的储备与利用率是迫切需要解决的问题。电动汽车在减速过程中，大量动能转化为热能耗散掉，若将这些能量回收利用，必然将提高电动汽车的能量利用率，延长其续驶里程¨Ｊ。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，可使电动汽车行驶距离延长１０％一３０％。目前，随着电动汽车逐渐进入市场，如何高效率地回收和利用再生能量成为电动汽车技术研究的主要问题，本文以某电动汽车为研究对象，对其再生制动能量回收及其控制策略进行探讨和研究。

１制动能量的回收

通过再生制动能量回收的方法，可以有效的提高电动汽车能量利用率。制动能量回收系统能够将汽车制动时的动能通过传动系统和电动机来转化为蓄电池的电能存储，然后将其利用到牵引驱动中，同时产生的电机制动力矩通过传动系统对驱动轮起到制动作用¨＇２Ｊ。避免了能量变为摩擦热能的消耗，提高了电动汽车能量的使用效率。

１．１电动汽车制动过程的能量转换及其制动模式

在电动汽车制动过程中，假设初始车速％减速至车速秽。，若忽略汽车的传动系统阻力和坡道阻力，其能量转换关系为∞】：

收稿日期：２０１０—０４—２０作者简介：娄洁（１９７６一），女，山东省临沂市人，硕士，讲师，主要从事汽车设计教学与研究。

１４安徽科技学院学报２０１０年

１／２ｍｖ：一１／２ｍ，，ｊ＝町＋睨＋职（１）式中，／７１，为汽车自身质量，形为滚动阻力所作的功，睨为空气阻力所作的功，既为制动力所作的功。通常，滚动阻力和空气阻力所做的功即消耗的能量无法加以回收；制动力由机械摩擦制动力和电机再生制动力两部分组成，而摩擦制动力作用时将汽车的动能转化成热能，散发到大气中而不便回收利用，因此只有再生制动力消耗的能量才能被利用。而制动过程中，再生制动力的作用大小与制动模式有关。

一般来说，电动汽车的制动模式可分为紧急制动、正常制动和下长坡制动等３类Ｈ１。

（１）紧急制动。紧急制动对应于制动加速度大于２ｍ／ｓ２的过程。从制动时的安全性考虑，紧急制动应以机械摩擦制动为主，电制动同时发挥作用。但由于紧急制动出现的频率较低，且过程持续较短，能够回收利用的能量较少。

（２）正常制动。正常制动对应于汽车的正常行驶工况，可分为减速过程与停止过程。电制动负责减速过程，同时再生制动能量；停止过程由机械摩擦制动完成。两种制动的切换点由电机发电特性确定，掌握好准确的切换点，就能够回收尽可能多的制动能量。．

（３）下长波坡制动。汽车长下坡制动一般发生在盘山公路下缓坡时。制动力要求不大，可完全由电制动提供，因此这部分能量也可以回收利用。但考虑到电动汽车一般极少在盘山公路上行驶，因此这部分回收能量较小。

由以上分析可知，若想尽可能提高电动汽车的能量利用率，需在制动过程中尽可能的让电机再生制动力发挥作用，尤其是在正常制动过程。而且，在制动过程中，由于前轴载荷增加而后轴载荷减少，故采用前驱动方式可以增大整车制动能量的回收潜力＂Ｊ。

１．２制动能量回收的原则和约束条件

制动能量回收的两个基本原则：一是确保整车行驶安全，尽量使整车制动过程符合传统驾驶习惯；二是最大限度的进行制动能量回收（整车动能转化为电能存储起来）。

制动能量的回收会受到蓄电池组的荷电状态（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ，ｓｏｃ）、车速、电机发电能力、地面附着能力等条件制约；因此，如何协调控制电机再生制动力和摩擦制动力之间，以及整车前、后轮制动力之间的比例关系，是制动能量回收系统的关键。

电机再生制动力通常由驱动电机（可作发电机用）提供，其最大制动力与车速和电机特性有关№Ｊ。一般再生制动力的大／Ｊ，ｌ扫电池功率决定（每小时的能量回收能力）。在电池功率恒定的条件下，电机制动力的大小取决于电机能够提供的转矩大小，电机转矩越大，再生制动力越大。由电机的输出特性可知，电机转速大于额定转速时，电机的转速与输出转矩成反比关。因此，在制动的初始阶段由摩擦制动提供剩余的制动力，随着车速的降低，电机再生制动力逐渐增大，摩擦制动力也随之减小。

对于前轮驱动电动轿车，只能通过前轮电机制动回收部分整车制动能量，而后轮始终为摩擦制动。当制动力需求较大时，因电机容量较小，前轮制动力由电机再生制动和摩擦制动共同产生。也就是说，若前轮制动力矩需求为瓦，当前电机转速下的最大电机制动力矩为Ｌ一，再生制动力分配有以下两种情况：（１）若Ｌ。。＞死，则前轮制动力矩的需求全部由电机再生制动提供，此时前轮处于纯电机再生制动模式；（２）若Ｌ一＜瓦，则前轮制动力矩的需求由电机再生制动和摩擦制动共同产生，此时前轮处于复合制动模式。其中，摩擦制动力矩（ｋ。）为前轮制动力矩和电机最大制动力矩的差值，即：ｋ“＝瓦一Ｌ一。此即为并行制动控制策略。

汽车制动过程中，有时会出现跑偏、后轴侧滑和前轮失去转向能力而使整车不能保持其方向稳定性的现象。根据制动过程，分析在不同地面附着系数‘ｐ值路面上的制动过程，可以得到图ｌ。图中的１３曲线是实际制动过程中前后轮制动力分配曲线，Ｉ曲线是由计算得出的理想的前后轮制动力分配曲线。

ｆ线组：指后轮没有抱死，在各种‘ｐ值路面上前轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线。

如。＝妒ｔ。＝∥￡（Ｃ，ｂ＋Ｌｋ）（２）２制动能量回收系统控制策略２．１再生制动力的分配原则

第２４卷第３期娄洁电动汽车制动能量回收控制策略研究１５Ｆ，ｂ２＝（（￡一９＾ｏ）＆ｏｈｏ）凡６ｌ—Ｇｂ／ｈｏ

ｒ线组：指前轮没有抱死，在各种‘ｐ值路面上后轮抱死时的前、后地面制动力关系曲线。（３）

（４）

（５）只娩＝９如＝∥￡（饰一几ｋ）Ｆｘｂ２＝（妒Ｇ口一９九ｏ，乙１）／（Ｌ＋妒＾ｏ）

力；妒地面附着系数；Ｌ轮距；ＪＩｌ。质心高度；口，质心距前轴距离；６，质心距后轴距离；式中，如。前轮制动力；％后轮制动力；ｔ。前后轮所产生的制动力和；ｔ，、如前、后轮所受的法向反

可以由ｆ线组和ｒ线组做出Ｉ曲线，如图２所示。当Ｂ曲线在Ｉ曲线的下方时，前轮会先于后轮发生抱死，车辆丧失转向能力；反之，当Ｂ曲线在Ｉ曲线得上方时，后轮会先抱死，容易发生后轴侧滑使汽车失去方向稳定性。

图１不同地面附着系数下的ｆ线组和ｒ线组

Ｆｉｇ．１Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｕｎｄｅｒｔｈｅｆ－ｌｉｎｅｇｒｏｕｐａｎｄｔｈｅｒ—ｌｉｎｅｇｒｏｕｐ

为保证汽车的制动稳定性和安全性，使具有能量回收功能的制动系统在制动感觉上近似于传统汽车，并减少制动时因前轮抱死而失去转向能力的机会，因此前、后轮制动力的控制策略应保证Ｂ曲线总在Ｉ曲线的下方，且１３曲线越靠近Ｉ曲线越好；为保证回收更多的能量，应尽可能将制动力分配给前轮，因此，设计过程中尽量使前轮先抱死拖滑。对于前置前驱汽车，制动回收扭矩施加在前驱动轮上，符合设计要求。２．２系统的控制策略

以保持汽车的方向稳定性和能量回收最大化为前提，开发了一种新的制动能量回收系统，其结构如图２所示。此系统采用并行系统，即不改变原有机械制动系统制动力的条件下，由整车电动机（也作驱动电机使用）提供一定的制动扭矩于前驱动轮上，在不影响制动过程的条件下完成制动能量回收。

图２制动能量回收系统结构图

Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂｒａｋｅｅｎｅｒｇｙｒｅｃｏｖｅｒｙｓｙｓｔｅｍ

为了确保向前轮施加额外制动扭矩的整车安全，在开始进行能量回收前需要首先对整车状态进行判定。此时需综合考虑整车上ＡＢＳ（Ａｎｔｉ—ｌｏｃｋｅｄＢｒａｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，防抱死制动系统）工作状态、电机转速、高

压动力电池状态、驱动电机状态以及随时出现的故障状态等。在各个状态满足要求的情况下，开始进入到

１６安徽科技学院学报２０１０年再生制动功能状态中。

制动电动汽车制动中，通过制动踏板的行程来计算电动机制动扭矩。首先，制动能量回收系统根据制动踏板下行的幅度、速度及加速度判断驾驶员的制动意图；然后根据车速、路面状况以及制动力需求，来决定前、后轮制动力之间的比例；最后根据电机的扭矩特性，决定电机再生制动力的范围，确定再生制动力和摩擦制动力之间的比例与大小。在满足驾驶员制动需求和车轮不抱死的情况下，在驱动轮上尽量增大由电机提供的再生制动力。

图３制动能量回收系统控制流程图

Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｂｒａｋｅｅｎｅｒｇｙｒｅｃｏｖｅｒｙｓｙｓｔｅｍ

当地面同步附着系数和前后轮制动力分配系数确定以后，只有当地面附着系数等于其同步附着系数时前后轮才能同时抱死拖滑。此时前后轮制动力沿着Ｂ同步上升（图３）。当地面附着系数小于同步附着系数时，前后轮制动力首先沿着ｐ线上升，到达Ｂ线和ｆ线的交点ａ后，此时由于前轮已经趋于抱死拖滑的状态，ＡＢＳ开始动作，使其沿着ｆ线上升，尽量增加后轮的制动力而增加很少的前轮制动力，到达ｋ点时前轮后轮同时抱死拖滑。

在前轮制动力为达到ａ点横坐标时，前轮处于自由转动转态，此时为保证前轮不抱死拖滑，驱动电机施加在前轮的制动力（矩）数值不能大于ａ点横坐标值同此时瞬时的前轮制动力之差。如图３中所示Ｆｍ，此地面附着系数条件下最大能够回收的制动能量为图４中的阴影区域。

ｌ■置。

‰，‰

图４制动能量回收区域图示

Ｆｉｇ．４Ｂｒａｋｉｎｇｅｎｅｒｇｙｒｅｃｏｖｅｒｙａｒｅａｉｃｏｎ

计算时采用地面附着系数为同步附着系数来进行计算。

由于汽车行驶时地面的附着系数瞬时变化，整车无法瞬时判定此系数。故拟采用ＡＢＳ的工作状态来进行制动扭矩的判定、计算。当ＡＢＳ有动作时，将计算得到的制动扭矩取半，下一个软件运行周期中，如果ＡＢＳ仍然动作，那么将上个周期取半的扭矩再次取半。如果ＡＢＳ连续起作用ｘ次，那么，可以认定再进行再生制动已经危害到整车的制动安全，将停止此功能，以确保整车的安全。

第２４卷第３期娄洁电动汽车制动能量回收控制策略研究１７４仿真测试

根据以上制动能量回收控制策略分析，利用工具软件ＭＡｌ＇ＩＡＢ／ｓＩＭｕｕＮＫ建立仿真模型，该电动汽车主要参数见表１。以欧３／４排放标准的一型试验工况一ＮＥＤＣ工况为基础，模拟验证了本算法。仿真过程中，建立ＮＥＤＣ工况，重点检测模型中的车速信号、高压电池荷电状态（ＳＯＣ）、电机实际相应扭矩等变量，仿真结果如下。

表１某电动汽车主要技术参数

Ｔａｂｌｅ１Ｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｎｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ

项目参数

整车整备质量（ｋｓ）

轴距（ｒａｍ）

电动机额定功率（ｋＷ）

电动机最大功率（ｋＷ）

电动机额定电压（Ｖ）

蓄电池最大容量（Ａｈ）

质心距前轴距离（ｎｕｎ）

质心距后轴距离（ｍｉｔｌ）哟∞ｏ姗拗∞钙；寰啪ｌ５拓拍酪；Ｑ垒麟

－带有Ｒｅｇｅｎ功能跑一个ＮＥＤＣ工况：

§＿

－

Ｉ－

－＼、、＼ｊ

－－－－＿＿

●—●＿■●－脯

图５

Ｆｉｇ．５带有Ｒｅｇｅｎ功能的对应车速、ＳＯＣ、扭矩曲线ＣＵＩ＇ＶＣＲｅｇｅｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ＳＯＣ，ｔｏｒｑｕｅ

．不带Ｒｅｇｅｎ功能跑一个ＮＥＤＣ工况：

。■～手—、怖－—、．～＾。卜－卜：、ｊ：

…二：二』ｒ：二｛．＼．，：－一｛－一…、－ｊ～Ｌ，…＿一｛、ｋ…

图６不带有Ｒｅｇｅｎ功能的对应的车速、ＳＯＣ、扭矩曲线

Ｆｉｇ．６Ｒｅｇｅｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓｄｏｎｏｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｅｄ，ＳＯＣ，ｔｏｒｑｕｅｃｕｒｖｅ

１８安徽科技学院学报

表２仿真测试结果

Ｔａｂｌｅ２ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉＯｉｌｒｅｓｕｌｔｓ２０１０年

由上面的仿真结果可以看出，带有再生制动功能后，同样是电池ＳＯＣ由９５％下降到５０％，续驶里程由原来的不足三个ＥＣＥ（ＮＥＤＣ的市区工况）工况增加到三又四分之一的ＮＥＤＣ工况，里程增加率约１０．４２％。

、、．

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一一＼＼—、≮．＼、●、’■、＿、、—～—‘．、～、●＼、■■－ｉＮ－

（ａ）

（ａ）带有Ｒｅｇｅｎ功能时电池５０Ｃ降到５０％的曲线；

图７（ｂ）（ｂ）不带Ｒｅｇｅｎ功能时ＳＯＣ下降到５０％ＳＯＣ变化曲线

ＳＯＣｃｕｒｖｅＦｉｇ．７

采用电流积分和扭矩积分的方法，可以计算得到能量回收率。电流积分主要从电池能量的角度来考虑，以电池的放电能量和充电能量作计算标准，得出一个简单的能量回收率数值；扭矩积分主要以整车动能来计算，起点为车速降低、制动能量回收开始起作用的时刻，以此时整车的总动能为基准，将制动过程中的制动扭矩和即时线速度的乘积作积分，得到总共回收的能量，二者之比即为能量回收率＂１。在上述仿真过程中，根据电流积分，通过再生制动回收得到的能量占电池发出能量的７．６％。根据扭矩积分，制动能量回收的整车动能率为２６．３％。

５结论

本文以某电动汽车为研究对象，全面分析了电动汽车制动能量回收系统的制动力分配及控制策略，并在此基础上，采用ＭＡ７眦Ｂ／ｓＩＭｕｕＮＫ建立仿真模型，对该能量回收系统进行仿真分析。仿真结果表明，过程相似，因此本文提出的控制策略也适用于混合动力汽车。

参考文献：在ＮＥＤＣ工况下，采用本文的控制策略和能量回收系统，能实现安全制动条件下的能量回收，且能量回收率达２６．３％；电动汽车的续驶里程增加率达１０．４２％。由于混合动力汽车和纯电动汽车的制动能量回收

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