1 制動(dòng)能量回收的方法和類型

制動(dòng)能量回收技術(shù)旨在減少制動(dòng)過(guò)程中損失的熱量，工作過(guò)程中會(huì)使行駛中的車輛

產(chǎn)生相應(yīng)的阻力進(jìn)而達(dá)到制動(dòng)的效果，并將回收的機(jī)械能回收以化學(xué)能、液壓能等形式

存儲(chǔ)以備汽車下次工作使用。對(duì)于純電動(dòng)車，該技術(shù)能增加其續(xù)航能力。

1.1 制動(dòng)能量回收的形式

根據(jù)儲(chǔ)能器形式進(jìn)行分類，制動(dòng)能量回收主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能、液壓儲(chǔ)能及飛輪儲(chǔ)

能三種形式 。圖 為制動(dòng)能量回收系統(tǒng)原理圖，主要闡釋了各系統(tǒng)、部件間的能量

傳輸關(guān)系。

三種儲(chǔ)能方式各有特點(diǎn)，

在實(shí)際應(yīng)用中，液壓儲(chǔ)能由于其能量密度和能量效率過(guò)低的特點(diǎn)，一般應(yīng)用于大型車輛。而飛輪由于其極差的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，一般應(yīng)用于具有頻繁啟動(dòng)工況的公交車。電化學(xué)儲(chǔ)能以其較好的能量密度適用于民用電動(dòng)車輛，一般以電池作為儲(chǔ)能器。電化學(xué)能儲(chǔ)存是將汽車制動(dòng)過(guò)程中的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)為電化學(xué)能。電動(dòng)汽車以動(dòng)力電池作為能量源，因此在電動(dòng)汽車上使用這一方式無(wú)需增加儲(chǔ)能設(shè)備。將電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，電動(dòng)汽車制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)滿足能量回收開(kāi)啟的條件時(shí)，整車控制器（VCU, Vehicle Control Unit）發(fā)出指令，通過(guò)電機(jī)控制器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)為制動(dòng)模式以產(chǎn)生拖曳力矩。同時(shí)，在電機(jī)參與制動(dòng)力分配過(guò)程中，電機(jī)的工作特性使其在這一過(guò)程中充當(dāng)發(fā)電機(jī)。讓本該損失為熱量的能量轉(zhuǎn)化為電化學(xué)能給動(dòng)力電池充電，達(dá)到能量回收的目的。

1.2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)汽車會(huì)根據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)以及使用目的等各種因素來(lái)設(shè)計(jì)整車制動(dòng)力分配，一般為固定比值的制動(dòng)力分配系統(tǒng)。車輛在增設(shè)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)之后，電機(jī)制動(dòng)力的介入會(huì)改變車輛初始制動(dòng)力分配關(guān)系。制動(dòng)能量回收的表現(xiàn)形式為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的逆向工作產(chǎn)生阻止汽車行進(jìn)的拖曳力矩。相對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)而言，電機(jī)制動(dòng)力的加入破壞了原有的制動(dòng)力分配，從而需設(shè)計(jì)新的制動(dòng)系統(tǒng)，其目的是將增設(shè)的電機(jī)制動(dòng)力與原始制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同工作而不影響車輛制動(dòng)安全性。在制動(dòng)能量回收過(guò)程中，電機(jī)制動(dòng)沒(méi)有額外消耗能量。相較液壓制動(dòng)，電機(jī)制動(dòng)力上限過(guò)小而不足以提供一些緊急工況的制動(dòng)力要求。因此，電機(jī)制動(dòng)力只能作為輔助制動(dòng)力或者提供部分工況下的制動(dòng)力需求。另外，考慮到汽車制動(dòng)效能的整體評(píng)價(jià)效果，需要一種將兩者結(jié)合工作的復(fù)合制動(dòng)模式。在原始制

動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)制動(dòng)的協(xié)同工作模式中，一般有串聯(lián)和并聯(lián)兩種模式。

（1）串聯(lián)模式

如圖為雙軸汽車采用串聯(lián)模式工作的制動(dòng)系統(tǒng)控制原理圖。

在串聯(lián)模式中，制動(dòng)力分配是以獲取能量回收效率為目的，因此在工作過(guò)程中使用電機(jī)制動(dòng)力。

由上圖 可知，制動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，所需制動(dòng)力較小，完全使用電機(jī)提供的制動(dòng)力。制動(dòng)強(qiáng)度增大會(huì)需要更大的制動(dòng)力，在某一制動(dòng)強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)之后，電機(jī)提供的制動(dòng)力只能滿足部分制動(dòng)需求，隨著制動(dòng)力需求的增加，則需要液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)力。制動(dòng)系統(tǒng)控制器根據(jù)實(shí)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算整車所需制動(dòng)力，并向電機(jī)控制器與液壓制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令。電機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速-制動(dòng)函數(shù)向制動(dòng)控制器反饋扭矩，當(dāng)電機(jī)可輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)足與所需制動(dòng)力的差值。在串聯(lián)模式中，利用電機(jī)制動(dòng)

（2）并聯(lián)模式

圖 為雙軸汽車在并聯(lián)模式工作的制動(dòng)系統(tǒng)控制原理圖，與上述串聯(lián)模式的主導(dǎo)思路不同，該模式中的電機(jī)制動(dòng)力作為附加制動(dòng)力參與整車制動(dòng)力分配，其參與比例依據(jù)實(shí)際情況制定，圖 為前后軸制動(dòng)器及電機(jī)制動(dòng)力在并聯(lián)模式下的分配示意圖。根據(jù)制動(dòng)踏板的行程，制動(dòng)系統(tǒng)控制器發(fā)送指令給電機(jī)控制器與液壓制動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)將根據(jù)設(shè)計(jì)好的配比關(guān)系輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在并聯(lián)模式中，雖然車輛制動(dòng)未完全利用電機(jī)制動(dòng)，但是并聯(lián)模式下的控制簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)原有的機(jī)械制動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，是一種簡(jiǎn)單易行的復(fù)合制動(dòng)模式。

1.3 制動(dòng)能量回收的影響因素

車輛在制動(dòng)能量回收的工作過(guò)程中會(huì)受到多方面因素的約束。在充分了解這些約束的情況下，可以針對(duì)研究對(duì)象逐個(gè)優(yōu)化相關(guān)部件進(jìn)而提升制動(dòng)能量回收效率。下面從整車零部件特性和外界環(huán)境兩個(gè)方向分析主要的影響因素。

（1）行駛工況

制動(dòng)能量回收在車輛制動(dòng)時(shí)工作，尤其是高頻率、制動(dòng)強(qiáng)度低的運(yùn)行工況才能讓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)具有較高的工作頻率和效率。車輛在類似城市公交或者區(qū)域性功能車的工況下，能量回收工作的頻率較高。在類型定速巡航的情況下，減速需求較少，因此能量回收系統(tǒng)工作的頻率較低。

（2）動(dòng)力電池特性

電池作為儲(chǔ)能裝置，集充、放電功能為一體，其綜合狀態(tài)是能量回收效果至關(guān)重要的一個(gè)影響因素。現(xiàn)階段，鋰電池是電動(dòng)汽車常用的電池類型。在評(píng)價(jià)鋰電池的綜合性能時(shí)，一般通過(guò)荷電狀態(tài)（SOC，State of Charge）、健康狀態(tài)（SOH，State of health）、功率狀態(tài)（SOP，State of Power）等指標(biāo)評(píng)價(jià)。電池 SOC 值是當(dāng)前電池剩余電量與滿電狀態(tài)的一個(gè)關(guān)系量。SOH 表示電池當(dāng)前的衰減程度，描述了電池的使用情況及壽命估計(jì)。SOP 表示電池在某一時(shí)刻可釋放或者吸收的功率。

其中，電池 SOC 值是一個(gè)關(guān)鍵影響因素。一般對(duì)電池 SOC 有兩種定義，令 Qr、Qt 分別為電池的標(biāo)稱容量和電池在 t 時(shí)刻的容量，則有如下：

式 表示的是用標(biāo)稱容量定義動(dòng)力電池 SOC。標(biāo)稱容量定義法考慮的因素比較少，是理想狀態(tài)下的 SOC 估算方法。在電池實(shí)際工作環(huán)境下，一方面需要考慮到電池內(nèi)部的指標(biāo)變化，例如電池內(nèi)阻、溫度等；另一方面是工作環(huán)境的影響，特別是受外界溫度影響較大。令 Q 為動(dòng)力電池能達(dá)到的實(shí)際容量，則 SOC 可用 Q 與 Qt 的關(guān)系量表示，有如下：

考慮各影響因素可得修正后的定義如下：

式（2.3）中，SOC(t) 為 t 時(shí)刻修正后的SOC 值；

為電池SOC 初始值；i 為電池工作過(guò)程中的電流；

分別為電池工作過(guò)程中自放電與外界環(huán)境溫度引起的容量損失。以上為電池 SOC 的定義分析，SOC 值的大小是決定能量回收系統(tǒng)開(kāi)啟與否的一個(gè)條件。SOC 值過(guò)高，接近滿電狀態(tài)的動(dòng)力電池容易形成過(guò)充。另外，溫度的高低影響鋰電池特性。溫度過(guò)高，鋰電池處于極限工作環(huán)境，應(yīng)減少其工作量，不宜充電；溫度過(guò)低，鋰電池內(nèi)部活性降低，導(dǎo)致充電效率降低。

（3）電機(jī)特性

如圖 所示為電機(jī)外特性示意圖，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可分為兩個(gè)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速在 n1 以下時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩模式，其中 n1 稱為該電機(jī)的基速；當(dāng)轉(zhuǎn)速在 n1 以上時(shí)，電機(jī)功率轉(zhuǎn)為恒定狀態(tài)。因此，電機(jī)在進(jìn)入制動(dòng)能量回收工作時(shí)的狀態(tài)會(huì)限制電機(jī)輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而影響制動(dòng)力的分配。同時(shí)，轉(zhuǎn)速過(guò)低的時(shí)候介入再生制動(dòng)將導(dǎo)致可回收的能量不多，進(jìn)而影響能量回收效率。

（4）驅(qū)動(dòng)形式

電機(jī)向驅(qū)動(dòng)軸輸出驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)也向驅(qū)動(dòng)軸提供制動(dòng)力矩。顯然，在制動(dòng)能量

回收系統(tǒng)工作的時(shí)候，電機(jī)制動(dòng)力只能作用于相應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸，即只能回收相應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸上的

制動(dòng)能量。本文研究的對(duì)象為單電機(jī)后置后驅(qū)形式，制動(dòng)能量回收工作時(shí)*作用于后軸。

（5）制動(dòng)能量回收控制策略

電機(jī)制動(dòng)力參與整車制動(dòng)的比例會(huì)限制能量回收的效率，同時(shí)整車前、后軸制動(dòng)器制動(dòng)力的比例關(guān)系很大程度上確定了能量回收的程度。控制策略決定了上述兩種配比關(guān)系。為了**化能量回收，則需要電機(jī)制動(dòng)力盡可能多的參與，而電機(jī)制動(dòng)力參與份額過(guò)多會(huì)影響前后軸制動(dòng)力配比。控制策略的主要作用就在于協(xié)調(diào)兩者的矛盾，通過(guò)實(shí)際情況進(jìn)行制定從而決定能量回收的效率。

（6）制動(dòng)安全法規(guī)要求

制動(dòng)時(shí)應(yīng)確保車輛處于可控狀態(tài)并具有一定的制動(dòng)效率，應(yīng)用較為**的 ECE R13制動(dòng)法規(guī)便是針對(duì)以上兩點(diǎn)而提出，該法規(guī)確定了不同規(guī)格的雙軸汽車在前后軸制動(dòng)力的比例限制 。在我國(guó)也有相關(guān)法規(guī)，因此一般車輛出廠前必須符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的制動(dòng)力分配，一定程度上約束了（5）中所述控制策略關(guān)于制動(dòng)力分配的制定，進(jìn)而影響制動(dòng)能量回收。