第五章 纯电动汽车制动能量回收系统
制动能量回收是把汽车制动时的一部分动能转化为其他形式的能量储存起来，在减速或制动的同时达到回收制动能量的目的，然后在汽车起步或加速时又释放储存的能量。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。国外有关研究表明，在存在较频繁的制动与启动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，电动汽车大约可降低15％的能量消耗，可使电动汽车的续驶里程延长10％～30％。
第一节 制动能量回收系统组成与原理
电动汽车制动能量回收系统主要由两部分组成，即电机再生制动部分和传统液压摩擦制动部分。所以，该制动系统可以视为机电复合制动系统。
电动汽车再生制动是利用电机的电动机/发电机可逆性原理来实现的。在电动汽车需要减速或者滑行时，可以利用驱动电机的控制电路实现电机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。由于摩擦制动一般采用液压形式，所以所提到的机电复合制动系统也可以称为再生-液压混合制动系统。从保证制动安全和提高能量利用率的角度来考虑，再生-液压混合制动系统是最适合电动汽车的综合制动系统。
电机再生制动虽然可以回收制动能量并向车轮提供部分制动力，但是其无法使得车轮完全停止转动，制动效果受到电机、电池和速度等诸多条件的限制，在紧急制动和高强度制动条件下不能独立完成制动要求，因此，为了保证汽车的制动安全性能，在采用电机再生制动的同时，必须使用传统的液压摩擦制动作为辅助，从而达到既保证汽车的制动安全性，又回收可观的能量的目的。
电动汽车的制动系统为双回路液压制动系统+电动真空助力+电机再生制动。
制动过程中，制动控制器根据制动踏板的开度（实际为主缸压力），判断整车的制动强度，确定相应的摩擦制动和再生制动的分配关系。前后轴的摩擦制动分配关系由液压系统对前后轮的分配关系实现；制动控制器根据制动强度和电池的SOC值确定可以输出的制动转矩并对前后轴进行分配，然后通过电机控制器控制驱动电机进行再生制动。在整个制动的过程中，要保证电动汽车的制动稳定性和平稳性，并尽可能多地回收制动能量，延长电动汽车续驶里程。
四轮轮毂电机驱动的纯电动汽车制动能量回收系统的结构原理如图1-100所示。电动汽车的制动过程是在液压摩擦制动与电机再生制动协调作用完成的。再生制动系统主要是由轮毂电机、电机控制器、逆变器、制动控制器和动力电池等主要部件组成。汽车进行制动时，制动控制器根据不同的制动工况发出不同的指令，通过电机控制器控制轮毂电机，进行再生制动。
图1-100 四轮轮毂电机驱动的纯电动汽车制动能量回收系统的结构原理
制动能量回收通过以下过程来实现。
①在制动开始时，能量管理系统将动力电池SOC值发送给制动控制器，当SOC>0.8时，取消能量回收；当0.7≤SOC≤0.8时，制动能量回收受动力电池允许的最大充电电流制约；当SOC<0.7时，制动能量回收不受动力电池允许的最大充电电流制约。
②制动控制器接收由压力变送器传送的主缸压力信号，并计算出需求的电机再生制动强度上限。
③制动控制器根据轮毂电机转速，计算轮毂电机实际能够提供的制动强度。
④比较需求的电机再生制动强度上限和轮毂电机实际能够提供的制动强度，并将结果作为电信号发送给电机控制器。
⑤此时的轮毂电机工作在发电机状态下，可以提供电压恒定流向的电流，再通过逆变器限制电机产生的最高电压和对电压进行升压，以便满足电流输出要求，充到动力电池组中。
⑥为了对动力电池进行保护，能量管理系统需要时刻检测电池温度，当温度过高则停止制动能量回收。
第二节 制动能量回收控制策略
一、影响制动能量回收的因素
制动能量回收的过程是把驱动轮的部分动能通过电机回馈到动力电池组中，因此整车控制系统的各个模块和各模块的使用环境对制动能量回收有较大的影响。影响电动汽车能量回收的因素主要有以下4个方面。
（1）电机特性 当进行制动能量回收时，电机工作在再生制动模式，电机的最大制动转矩影响着能够提供的电制动力大小。向电池组充电功率的大小由电机的发电功率决定，同时在制定能量回收策略时也要考虑电机的工作温度等因素。
（2）蓄电池特性 当蓄电池剩余电量较高时，只能进行小电流充电或者不回收制动能量；当蓄电池剩余电量较低时，在不影响安全的前提下可以适当提高制动能量所占比例。同时充电时间过长或充电电流过大影响蓄电池的性能，蓄电池应该具有高的充放电循环次数和快速充放电能力。此外蓄电池的充电内阻影响蓄电池的充电功率，因此要选用内阻小的电池。
（3）车辆行驶工况 车辆在不同工况行驶时，纯电动汽车的制动频率和制动强度不同，当制动越频繁或制动强度越低时，电动汽车可以回收的制动能量就越多，例如在车辆频繁起步与停车的城市工况下。在高速公路行驶工况下制动频率较低，所以回收的制动能量也相对较少。
（4）制动的安全性 当车辆进行制动时，首先需要考虑的是制动系统要满足驾驶员的制动需求和制动时车辆的稳定性，只有在满足这些要求的前提下才能够考虑回收制动能量的多少。在有些情况下虽然电机能够提供足够大的制动力，但是为了防止车轮抱死也必须减少电制动力的大小来保证行车安全。
二、常见的制动能量回收控制策略
常见的电动汽车主要是采取前轮驱动的形式，因此相应的制动能量回收的控制策略主要关注前、后轮制动器提供的制动力和前轮电机提供的再生制动力三部分之间的关系。由此得到的基于电机再生制动的能量回收控制策略主要有前后轴制动力理想分配时的控制策略、前后轴制动力比例分配时的控制策略和最优能量回收控制策略。
（1）前后轴制动力理想分配时的控制策略 当减速度要求较小时，仅电机再生制动系统工作。随着制动减速度逐渐增大，前后轴制动力将被控制在理想制动力分配曲线上。其中前轴制动力等于再生制动力和机械制动力总和。当控制系统得到驾驶员的减速度要求时，将根据制动电机的特性和车载蓄电池SOC值来决定驱动轴制动力由再生制动系统单独提供，还是由机械制动系统和再生制动系统共同提供。
（2）前后轴制动力比例分配时的控制策略 需要的总制动力较小时，全部由再生制动力提供；当需要的减速度增大时，电机再生制动力所占的比例逐渐减小；机械制动力开始起作用；当总制动力大于一定值时意味着这是一个紧急制动，再生制动力减小到零，机械制动提供所有的制动力；当所需的制动减速度在两者之间时，再生制动与机械制动共同作用。
（3）最优能量回收控制策略 当总制动力需求小于此时能提供的最大再生制动力时，仅由再生制动力起作用；当总制动力大于此时能提供的最大再生制动力时，总制动力减去最大再生制动力是应该提供的机械制动力，剩余的需提供的机械制动力将分配为前轮机械制动力和后轮机械制动力。前、后轮机械制动力的分配按照尽量使总的前、后轮制动力分配接近理想制动力分配曲线。
三种常见制动能量回收控制策略的比较见表1-22。
表1-22 三种常见制动能量回收控制策略的比较
可以看出，三种制动能量回收控制策略各有优缺点，其中，前、后轴制动力比例分配时的控制策略既能保证一定的能量回收效率，制动稳定性较理想，而且结构较简单，是目前技术条件下的一种比较好的选择。
三、四轮驱动下的制动能量回收控制策略
单电机前轮驱动的电动汽车，能量回收只集中在电机所驱动的前轮上。汽车采用四轮驱动形式，前、后车轮都是由轮毂电机直接驱动的，所以制动能量回收在前轮和后轮同时存在。
四轮驱动下的制动能量回收控制策略主要考虑三部分的内容，一是摩擦制动力与电机再生制动力的分配关系；二是前后轴摩擦制动力的分配关系；三是前后轴电机再生制动力的分配关系。
四轮驱动下的制动能量回收控制策略的逻辑图如图1-101所示。
图1-101 四轮驱动下的制动能量回收控制策略的逻辑图
控制逻辑中主要根据由液压制动压力所反映出的制动强度进行逻辑控制。当需求制动强度z≤0.1时，仅由电机的再生制动力提供整车制动所需的力；随着需求制动力的增加，摩擦制动力逐渐开始起作用，电机再生制动力所占比例逐渐减小；当需求制动强度z≥0.7时，此时认为车辆进行紧急制动，为了保证制动安全性，制动力完全由摩擦制动来提供；当需求制动强度介于两者之间，即0.1<z<0.7时，整车的制动力由液压摩擦制动力与电机再生制动力共同提供。
基于上面的控制逻辑，四轮驱动下的制动能量回收控制策略如图1-102所示。
图1-102 四轮驱动下的制动能量回收控制策略
图1-102中，OAB曲线所示为纯液压系统摩擦制动时前、后轴制动力的分配曲线；OACBD为再生-液压制动系统的前、后轴制动力的分配曲线，前后轴的摩擦制动力分配是按照一定比例进行的。
再生-液压制动系统中，总再生制动强度与整车制动强度的关系如图1-103所示。总再生制动强度是指总的电机再生制动力与整车重量的比值。由于四个轮毂电机是完全相同的，可以认为它们的再生制动工况是相同的，即四个轮毂电机平均分配整车的再生制动力。
图1-103 总再生制动强度与整车制动强度的关系
四轮驱动汽车再生制动能量回收控制算法如图1-104所示。控制算法的总输入量为总制动力，由制动踏板力传感器得到。总再生制动力以及前、后车轴的再生制动力由制动控制器中的再生制动力曲线得到，前、后轮摩擦制动力分配由制动回路中的高速开关阀实现。控制算法的输出量为前轮再生制动力、后轮再生制动力、前轮摩擦制动力和后轮摩擦制动力。所有的电机再生制动力都由电机控制器来实现控制。
图1-104 四轮驱动汽车再生制动能量回收控制算法
第三节 制动能量回收系统仿真
在ADVISOR中建立某四轮驱动电动汽车的制动能量回收仿真模型，选择公路行驶的10-15循环工况和典型的停车制动工况进行仿真，通过仿真结果考察制动过程中制动力的分配、能量回收效率和电池的充电电流等，对所建立的四轮轮毂驱动下的制动能量回收控制策略进行评价。
1.10-15循环工况仿真
10-15循环工况中汽车行驶速度如图1-105所示。10-15循环工况总运行时间为660s，平均车速为22.68km/h，最高行驶车速为70km/h，行驶过程中共停车7次。10-15循环工况下，汽车行驶速度变化较小，平均速度较低，制动平缓，符合城市循环过程仿真。
图1-105 10-15循环工况中汽车行驶速度
10-15循环工况前、后车轮再生制动力分配如图1-106所示。制动时，前、后车轮获得的再生制动力是相等的。这与所制定的制动能量回收控制策略有关。车轮上再生制动力的大小还与循环中汽车速度变化的快慢有关。当车速变化较大时，整车的制动强度增大，从而轮毂电机的再生制动强度也增大，再生制动力相应增大。
图1-106 10-15循环工况前、后车轮再生制动力分配
10-15循环工况前、后车轮电机再生制动转矩如图1-107所示。前、后车轮电机的再生制动力矩是相同的。10-15循环工况下，整车的制动强度较小，前、后车轮所负责的再生制动力相等，电机的再生制动转矩也是相等的。
图1-107 10-15循环工况前、后车轮电机再生制动转矩
10-15循环工况电池的SOC值的变化曲线如图1-108所示。电动汽车采用全电驱动，在行驶过程中，电池向电机提供能量，SOC值逐渐减小。在再生制动作用下，电机向电池充电，电池的SOC值会有一定程度的升高，电机的再生制动转矩越大，再生制动持续的时间越长，SOC值升高得越多。
图1-108 10-15循环工况电池的SOC值的变化曲线
在再生制动的过程中，电机因其电机/发电机可逆性，可以作为发电机将汽车的动能转化为电能，存储在电池中，此时电池显示负电流，表示向电池充电，如图1-109所示，此时的充电电流是四个电机所产生的电流的总和。充电电流的大小与电机的再生制动转矩和再生制动时间有关。
图1-109 10-15循环工况电池的充电电流
10-15循环过程中制动能量回收曲线如图1-110所示。当电机进行再生制动时，电机向动力电池充电，电池默认为负能量。电机回收制动能量的数量与电机再生制动的强度以及再生制动持续的时间有关，强度越大，时间越长，所回收的能量也越多。除此之外，汽车的行驶车速以及电池的SOC值也都是影响能量回收的因素。
图1-110 10-15循环过程中制动能量回收曲线
仿真结果表明，在一个10-15循环工况中，回收的制动能量为3.56×105J，总的制动能量为7.28×105J，整车消耗的总能量为1.58×106J，制动能量的回收效率为48.91％，总能量回收效率为22.5％。采用四轮轮毂电机驱动时，总能量的回收效率高于20％，比前轮驱动下的总能量回收效率高。
2.停车制动工况仿真
汽车从行驶到完全制动停止的过程中，汽车的动能通过摩擦制动而转化为热能逐步耗散在空气中。电动汽车使用的是再生-液压制动系统，制动过程中有一部分的制动动能可以通过电机转化为电能存储在动力电池中。
动能向电机传输的过程中，有一部分消耗在机械摩擦过程中；电机向动力电池反充电的过程中，还要受到电池的充电电流、充电功率以及电池的SOC值等的限制。所以，只是一部分制动动能可以传递到动力电池中。
常见的制动停车可以分为紧急制动停车和缓速制动停车两种。紧急制动停车是在紧急状况下，为了使汽车在较短的时间内停止而采取的制动方式，需求的制动力大，制动时间短，制动强度较大。缓速停车制动是指汽车逐步减慢车速，必要时通过制动使汽车速度逐步减小直至车辆完全停止的过程，这一过程一般时间较长，制动平缓，制动强度小，是常见的停车方式。
设置停车制动的初始速度为48km/h，完全制动停车的时间分别为2s和10s。通过仿真分析，可以得到2s制动停车的能量回收效率为6.2％，10s制动停车的能量回收效率为25.1％。10s制动停车工况下汽车回收制动能量的能力远远高于2s制动停车工况，这与再生制动强度和再生制动持续的时间有关。对比两种制动停车工况，10s制动停车工况下，整车制动以再生制动为主，摩擦制动为辅，电机再生制动持续时间较长，能量回收效果较好；2s制动停车工况下，整车的制动以摩擦制动为主，电机再生制动为辅，电机再生制动持续时间较短，能量回收效果一般。