新能源汽车与再生制动设计

（1）制动能量回收对于新能源汽车的重要意义 有关研究表明，电动汽车在城市工况运行条件下，如果能有效地回收制动能量，就可使其行驶里程延长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、超级电容与蓄电池充放电安全性和可靠性等多方面的问题。

电动汽车和混合动力汽车最重要的特性之一是其能显著回收制动能量。在电动汽车和混合动力汽车中，电机可被作为发电机运行，从而将车辆的动能或重力势能变换为电能并储存在超级电容、蓄电池或飞轮等能量存储装置中，使能量得以再次利用。

汽车制动性能无疑是影响车辆安全性的重要因素之一。对于汽车而言，设计制动系统时必须始终满足两个截然不同的要求：

在紧急制动状态下，汽车必须在可能的最短距离内停止，这就要求在所有的车轮上制动系统都能供给足够的制动转矩。

必须保持对于汽车方向的控制，这就要求在所有的车轮上平均分配制动力。

一般而言，当驾驶人驾驶电动汽车或混合动力汽车减速，在公路上放松加速踏板巡航（有相关的算法判断）或踩下制动踏板停车时，再生制动系统便会起动。正常减速时，再生制动的力矩通常保持在最大负荷状态；高速巡航时，其电机一般是在恒功率状态下运行，驱动转矩与驱动电机的转速或者车速成反比。由此可见，研究电动汽车的制动模式是非常重要的，电动汽车制动可分为以下三种模式：

1）紧急制动。紧急制动对应于制动加速度大于2m/s²的制动过程。出于安全方面的考虑，紧急制动应以机械为主，电制动为辅。在紧急制动时，可根据初始速度的不同，由ABS控制制动系统提供相应的机械制动力。

2）中轻度制动。中轻度制动对应于汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电制动负责减速过程，停止过程由机械制动完成。两种制动的切换点由电机发电特性确定。

3）汽车下长坡时的制动。汽车下长坡一般发生在盘山公路下缓坡时。在制动力要求不大时，可完全由电制动提供。其充电特点表现为回馈电流较小，但充电时间较长。限制因素主要为蓄电池的最大可充电时间。

由于制动能量回收工作在城市工况下才有较大意义，而城市工况车辆的最高车速又不会太高，且紧急制动的概率较小，因此应将研究重点放在中轻度制动时的制动能量回收方向上。

一般来说，恒功率下驱动电机的转速越高，再生制动的能力就越低。当驾驶人踩下制动踏板时，驱动电机通常运行在低速状态。由于低速时，电动汽车的动能不足以驱动电机提供能量来产生最大的制动力矩，因而再生制动能力也会随着车速的降低而减小。

图2-16显示了电机再生制动和机械摩擦制动系统复合的制动系统，电机的再生制动力矩通常不能像传统燃油车中的制动系统一样提供足够的制动减速度。所以，在电动汽车中，再生制动和机械摩擦制动通常共同存在（一般当再生制动达到最大制动能力但还不能满足制动要求时，机械摩擦制动才起动）。

图2-16 再生制动和机械摩擦制动复合的制动系统

在典型的市区道路上，电动汽车的制动能量最高可达总牵引能量的25%以上。如在纽约这样的大城市中，电动汽车的制动能量最高可达70%。研究表明，重1500kg的车辆从100km/h减速到0，在其几十米的制动距离内约消耗了0.16kW·h的能量。如果能量消耗在仅克服阻力（滚动阻力和空气阻力）而没有制动的惯性滑行中，则该车辆将能行驶约2km。可见，当车辆在市区内以停车-起动形式行驶时，能量显著消耗在频繁的制动上，并导致大量的燃油消耗。因此，有效的再生制动能显著改善电动汽车和混合动力汽车的经济性。

（2）制动能量回收系统的设计因素 设计制动能量回收系统时，应充分考虑到以下设计因素：

1）满足制动的安全要求，符合驾驶人的制动习惯；

2）考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力；(www.zuozong.com)

3）确保电池组的安全性与可靠性。

由以上设计因素可得制动能量回收的约束条件：

1）根据电池组温度、放电深度的不同，蓄电池可接受的最大充电电流；

2）蓄电池可接受的最大充电时间、温度，防止过充或失效；

3）能量回收停止时，电机的转速及与此相对应的充电电流值。

以上问题也是限制内燃机汽车应用电制动回收制动能量的难点。

因此，研究电制动的制动能量回收系统，要充分了解蓄电池和电机的特性，如果采用液体或飞轮来吸收和存储制动能量，则还需要掌握其特性。

（3）新能源汽车的典型制动系统

1）串联制动。具有最佳制动感觉的串联制动系统具有可控制施加于前后轮上制动力的制动控制器，其控制目标在于使制动距离趋于最小值，并优化驾驶人的感觉。最短的制动距离和良好的制动感觉要求施加在前后轮上的制动力遵循理想的制动力分布曲线。

施加于前轮上的制动力可分为再生制动力和机械摩擦制动力两部分。当所需制动力小于电机所能产生的最大制动力时，将只应用电再生制动。当给出的制动力指令大于可应用的再生制动力时，电机将运行以产生其最大的制动转矩。同时，剩余的制动力将由机械摩擦制动系统予以满足。

2）宝马制动能量回收技术。宝马汽车的制动能量回收系统通过在制动、滑行或减速时给蓄电池充电，可提高燃油效率最多达3%，并确保发动机加速时拥有完全功率。

3）防抱死制动系统（ABS）。电机制动力（制动转矩）的有效控制相比于机械制动力控制更为容易。图2-17为典型防抱死制动系统的再生制动系统示意图。该制动系统的主要组件是制动踏板、主轮缸、电控制动装置、电控三端口开关（通常模式：端口1开，端口2关，端口3开）、流体蓄压器、压力传感器和总控制器单元。压力传感器检测流体压力，它表征了驾驶人所期望的制动强度。流体通过电控三端口开关被释放至流体蓄压器，由此仿效了传统制动系统的制动感受。

接收到制动压力信号后，总控制器单元将根据驱动电动机特性和控制法则，给出前后轮的制动转矩、再生制动转矩和机械制动转矩。电动机控制器（图2-17中未显示）将命令电动机产生恰当的制动转矩，而机械制动控制器则向电动制动装置输出指令，以对每个车轮施加恰当的制动转矩。

该电动制动装置同时行使防抱死制动系统的功能，以防止车轮完全被抱死。若检测出某个电动制动装置失效，则相应的二端口开关将关闭端口3，而开启端口2，于是流体直接释放至车轮轮缸，产生制动转矩，控制策略对能量回收和制动性能是有决定性意义的。

图2-17 装备典型防抱死制动系统的再生制动系统示意图