电动汽车再生制动控制技术解析

1.电动汽车再生制动控制技术结构

电动汽车制动能量回收系统主要由两部分组成（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。

虽然再生制动可以回收制动能量并向车轮提供部分制动力，但是它无法使车轮完全停止转动，制动效果受到电机、电池和车速等诸多条件的限制，在紧急制动和高强度制动条件下不能独立完成制动要求。为了保证汽车的制动安全性，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，从而达到既保证了汽车的制动安全性，又回收可观的能量的目的。

电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电机、电源和电机的调速控制装置等组成。在电动汽车上，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，所以机电复合制动系统也可以称为再生一液压混合制动系统。从保证制动安全和提高能量利用率的角度来考虑，再生一液压混合制动系统是最适合电动汽车的综合制动系统。

在制动过程中，制动控制器根据制动踏板的角度（实际为制动主缸压力），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，可以输出制动转矩并对前后轴进行分配，然后通过电机控制器控制电机进行再生制动。在整个制动过程中，要保证电动汽车的制动稳定性、平稳性，并尽可能多地回收制动能量，延长汽车行驶里程。电动汽车制动能量回收系统的结构原理如图5-23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时完成的。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5-23　制动能量回收系统

2.电动汽车再生制动控制的工作原理

电动汽车的再生制动是在原制动系统的基础上添加的，通过对两种制动力的重新匹配实现制动功能。电动汽车制动时需要解决二个主要问题：一是如何在再生制动和机械摩擦（液压）制动之间分配所需的总制动力，以回收尽可能多的动能；二是如何在前后轮轴上分配总制动力，以达到稳定的制动效果。

通常，再生制动只对驱动轴有效。为回收尽可能多的能量，必须控制牵引电机产生特定的制动力，同时，应控制机械制动系统满足由驾驶人给出的制动力命令。

目前主要有三种不同的制动能量再生控制策略：理想制动力分配控制策略；最佳制动能量回收控制策略；并联制动能量回收控制策略。

（1）理想制动力分配控制策略

理想制动力分配控制策略原理如图5-24所示。根据制动踏板位置传感器或制动管道回路压力获得汽车的制动减速度，当制动减速度小于0.15g，制动力全部由前轮再生制动力提供，后轮上不施加制动力。当制动减速度大于0.15g时，施加在前后轮上的制动力将依据理想的制动力分布曲线进行分配，如图5-24中粗实线所示。其中，作用在前轮上的制动力可分为两部分：再生制动力和机械摩擦制动力。当前轮所需要的制动力小于电机所能产生的最大制动力时，则前轮制动力全部由再生制动力提供；当前轮所需要的制动力大于电机所能产生的最大制动力时，电机将会产生最大的制动力矩，同时，剩余的制动力将由机械制动系统予以补足。

图5-24　理想制动力分配控制策略

理想制动力分配控制策略的优点是能充分利用地面附着条件，制动距离最短，制动时汽车转向稳定性好，同时能够回收较多的制动能量；缺点是需要精确检测前、后轴法向载荷，以及作为一个智能化程度较高的控制器，控制系统较复杂。目前即使最先进的传统汽车都未能实现前后轮制动力严格按照I曲线分配，更何况又增加了额外的电机制动力，使协调控制的难度更大。随着传感技术及ABS控制技术的不断发展，未来该策略可能会得到实际应用。

（2）最佳制动能量回收控制策略

最佳能量回收控制策略侧重于最大程度回收制动能量。其前后轮制动力分配方法如图5-25所示。其控制思想为：

1）当车辆制动强度小于路面附着系数时，在满足Fxbr+Fxbr=Gz和ECE制动法规以及车轮不抱死的情况下，前后轮制动力可以在一定范围变化，在这种情况下，应尽可能多地利用前轮制动力。假设路面附着系数φ=0.8，而汽车制动强度z=0.6，则图5-25中黑实线AB为前后轮制动力的可变化区域。如果电机能提供的制动力的值在AB区间，则前轮制动力全部由电机再生制动制动力提供，后轮的机械摩擦制动力则可根据线段AB计算得出。如果电机再生制动力的值小于A对应的前轮制动力的值，则前后轮制动力分配值落在A点，电机提供最大制动力，不足部分由前轮液压制动力补足。

2）如果制动强度远远小于路面附着系数，再生制动力提供整车制动所需的全部制动力，机械制动系统不起作用。

3）当z=φ时，前后轮制动力分配点落在，曲线上，附着系数φ很大时，再生制动力达到最大值，剩余部分由机械制动系统提供。附着系数φ较小时，只用再生制动力制动。

图5-25　最佳制动能量回收控制策略

最优能量回收控制策略在理论上可以最大限度地回收制动能量，但是它同时需要对再生制动力和机械制动力进行精确控制，控制系统复杂，制动稳定性差，实现它需要高智能化控制器，技术难度大，制造成本高，因而本策略无实际应用价值，只存在理论研究价值。

（3）并联再生制动控制策略

并联制动系统也包括电机再生制动系统和机械摩擦制动系统，其制动力分配如图5-26所示。与传统汽车制动力一样，其机械摩擦制动力按一定比例分配，同时在驱动轮上施加再生制动力，当制动强度z＜0.1时，制动力全部由再生制动力提供，随着制动强度的增大，再生制动力也逐步增加，当制动强度z＞0.7时，这时属于紧急制动，再生制动逐渐减小为零，前后轮制动力分配按切线分配，以缩短制动距离，提高制动安全性。

图5-26　并联再生制动控制策略

与前两种控制策略的相比，尽管并联再生策略回收的制动能量相对要小，但是该方法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大小，结构简单可靠，制造成本低，当再生制动失效时，仍可安全制动，制动安全性好。

在制动过程中，整车的惯性能量可以传递到电机，从而带动电机转动，此时，电动机转化为发电机，向动力电池充电，将制动能量转化为电能，储存在动力电池中，实现了能量的再生利用。同时，电机产生的制动力矩还可以作用于车轮，对车轮施加制动力，从而达到使车辆减速的效果。(www.xing528.com)

3.电动汽车制动模式与能量回收的约束条件

对电动汽车进行制动能量回收是目前条件下提高能量利用率，增加汽车行驶里程的有效手段。但是从汽车的安全性角度考虑，需要传统的机械摩擦制动作为补充，保证整车的制动性能良好。也就是说，电动汽车的整车制动是机械制动与电机再生制动协同工作的过程。

（1）制动模式

根据电动汽车的行驶特点，将制动或减速可分为以下五种工况：

1）紧急制动，此时制动减速度往往大于3m/s2，某些情况下，甚至能达到8m/s2。为了保证制动安全性，此时以传统的机械摩擦制动为主，再生制动为辅，这种紧急制动过程非常短，能够回收的动能比较少。

2）中度制动，即一般制动，指制动减速度小于3m/s2，且大于滑行减速。此工况可以分为减速过程与停车过程两部分，再生制动系统负责减速过程，机械制动完成停车过程。

3）汽车下坡时的制动，此时制动力很小，能量回收系统负责全制动过程。

4）滑行减速，是指汽车切断动力后依靠惯性滑行的减速模式，其制动减速度就是滑行减速度，该过程中消耗的能量无法回收利用。

5）缓慢减速过程，是指汽车以小于滑行减速度的减速度缓慢减速的运行情况，此时仍然需要动力装置输出少量的动力，该过程中消耗的能量也无法回收利用。

汽车制动或减速时，只有在2）、3）、4）三种工况下可以较多地回收整车的能量。

因此，为了提高制动过程中电动汽车的能量回收利用率，在制动过程中应尽可能地让电机再生制动力发挥作用，在保证汽车制动安全性的条件下，尽量回收所有除空气阻力和滚动阻力以外的能量。若采用四轮驱动的形式，与采用单轴驱动的车辆相比，将大大提高能量回收的潜力。

（2）制动能量回收的约束条件

在制动过程中，希望能够通过再生制动的形式最大限度地回收制动能量，但是在实际的制动过程中，可回收的制动能量的多少受多个因素的制约。

1）驱动轮限制。只有驱动轮上由能量回收系统负责的那一部分制动能量可以进行回收。采用四车轮同时驱动，可以较好地实现制动能量的回收。

2）受电池状态SOC值的限制。若制动时蓄电池的SOC值很高，为保护蓄电池并延长电池使用寿命，不得进行制动能量回收。

3）受到电池充电功率的限制。当回收功率超过电池当时最大充电功率时，电池不能回收制动能量。

4）电机发电能力的限制。电机再生制动产生的最大制动转矩不可能超过当时转速和功率下电机的发电能力。当制动强度大时，电机再生制动往往不能满足制动要求。

5）受地面附着能力的限制。需合理地分配整车前、后轮制动力，以保证整车的制动稳定性。因此，如何协调控制电机再生制动力和摩擦制动力之间，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，也是能量回收控制策略的主要内容。

（3）制动能量回收的实现过程

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，制动能量回收受到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）制动控制器根据电动机转速计算电机实际能够提供的制动强度。

4）比较电机再生制动强度上限和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）此时的电机工作在发电机状态下，可以提供电压恒定的电流，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，向动力电池组充电。

6）为了保护电池，能量管理系统需要随时检测电池温度，当温度过高则停止制动能量回收。