新能源汽车制动能量回收及控制策略简析

新能源汽车制动能量回收及控制策略简析

李红

上海机动车检测认证技术研究中心有限公司 上海  201805

摘要：《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中明确表明，到2035年纯电动汽车将成为新销售车辆的主流，公共领域用车全面电动化。新能源汽车作为汽车产业转型发展的主要方向，在当前技术体系中，新能源汽车依然存在续航里程和用户使用体验感较差问题。基于驱动电机的可逆性，对新能源汽车制动能量回收策略进行了简析。希望本文对能量回收的浅析，对研发改善续航里程有参考作用。

关键词：新能源汽车；制动能量回收；改善续航

1概述

电动技术在能源短缺和尾气污染控制上具有很好的应用前景，并且维护方便。其中，行驶噪音低，构造简易，是新能源汽车发展的一个主要技术指标。但由于续航里程短、电池电量低等缺点，导致了电动车的发展受到了限制。新能源汽车能量回收功能是一套精准、智能的操作系统,在合适的状态下各个部件互相配合,用合适的能量回收方案就能发挥出它的最佳效率,在比较理想状态下，制动能量回收控制系统能为电动汽车带来30%续航能力补充。制动能量回收系统对电动汽车来说，非常重要。

2新能源汽车制动能量回收控制的基本原理

制动能量回收是汽车在减速或下坡过程中，由电机进行汽车制动，并对制动能量进行回收，最终回馈至可充电储能系统的过程。制动能量回收系统包括与车型相适配的发电机、蓄电池以及可以监视电池电量的智能电池管理系统。制动能量回收系统回收车辆在制动或惯性滑行中释放出的多余能量，并通过发电机将其转化为电能，再储存在蓄电池中，用于之后的加速行驶。对应混合动力汽车来说，这个蓄电池还可为车内耗电设备供电，降低对发动机的依赖、发动机油耗及二氧化碳排放。

图1制动能量回收控制的基本原理图

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一，也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上，当车辆减速、制动时，车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能，并向大气中释放。而在电动汽车与混合动力车上，这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中，并进一步转化为驱动能量。例如，当车辆起步或加速时，需要增大驱动力时，电机驱动力成为发动机的辅助动力，使电能获得有效应用。

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传统液压摩擦制动部分。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，使减速制动时的能量转换成对动力电池充电的电流，从而得到再生利用（传统燃油车制动，一般利用盘式或蹄十制动器给车轮一个摩擦转矩，并将产生的能量以热能的形式散失掉）。虽然再生制动可以回收制动能量并向车轮提供部分制动，但是其无法使车轮完全停止转动，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，在采用电机制动的同时，必须使用传统的液压摩擦制动作为辅助。

2.1驱动电机特性

驱动电机是新能源汽车的核心部件。目前的技术状况下，目前的电机种类包括：磁阻电机、异步电机、永磁同步电机、DC电机等。在功率密度、质量、体积、转速范围和可靠性方面，各种型号的电动机在参数特性方面存在显著差别。在这些电动机中，使用最多的是永磁同步电动机，其次是异步电动机，其它两种电动机的使用比较少见。

2.2前后轮制动力分配

制动能量回收的前提是确保车辆在制动时保持安全稳定的运行状态。因此，在优化能量回收控制策略时，首先考虑车辆前后轮的制动力分配，并以此制定不同的制动工况：当需要的制动力很低时，可以通过把汽车的制动力要求分布给电动机来完成；在要求制动力大的情况下，必须采用电气刹车与机械式刹车的方法来保证汽车的运行和刹车的稳定；在紧急情况下，为了保证刹车的安全性，应充分采用机械式刹车。

2.3制动能量回收影响因素

汽车在行驶过程中所受到的力主要有：轮的制动力和阻力。在进行控制策略优化时，应首先考虑到如何选用能实现刹车能量恢复的高性能电动机；其次，从能量回收到储能设备这一环节进行了优化设计，通过对充电机理和充电方式的正确分析，可以合理地选择充电方式，从而提高能源循环过程中的充电效率；最后，采用了算法模型，对系统进行了优化，以保证在刹车过程中，电动机的制动能量恢复达到最佳状态。

3　汽车制动能量回收过程

制动能量回收的一般过程是当检测到制动踏板变化，主控制器VCU发送制动信号，开始再生制动过程，首先电池管理系统采集到电池信息并计算 SOC 值，发送给制动控制器，当 SOC>95%（一般不同企业阈值设定有差异） 时，为防止电池过充，此时不进行制动能量回馈；当 SOC<85%（一般不同企业阈值设定有差异）时，此时可以适当地增加电机制动的比例，更多地回收制动能量；制动控制器根据电机自身的转速特性，推算出电机实际能够提供的制动强度；比较需求的电机再生制动强度上限和电机能够提供的制动强度，并将比较的结果传递给电机控制器，控制电机工作；电机工作在发电模式下，通过逆变器限制电机产生的最高电压以便满足电流输出要求以供给电池充电（电动机通过降低运行频率从而实现车辆的减速，与此同时，电动机的同步转速也会下降，但由于惯性定理，电动机转子转速的降低具有一定迟滞，此时，电动机的实际转速比给定转速大，电动机的反电动势高于变频器的电压，电机会处于发电机工作模式，电能得到回收）。在这过程中，为了对电池进行保护，电池管理系统仍需要检测电池状态，随时准备停止制动能量回收。

4　能量回收效率指标

根据能量回收效率指标：

式中：η为能量回收效率，Er为电池回收总能量，Ev为整车消耗总能量。曾有研究指出，在NEDC循环的紧凑型汽车中，如果可以回收所有制动能量，则可以节省大约17％的能量，而综合考虑到制动稳定性等方面因素能量回收效率将有所降低，一般车辆能量回收效率能达到5%～7%。制动能量回收对新能源汽车的里程和能耗有较好贡献。

4　结语

《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中明确表明，到2035年纯电动汽车将成为新销售车辆的主流，公共领域用车全面电动化。此外，在2030年前二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低（碳达峰）。到2060年，针对排放的二氧化碳，采取植树、节能减排等各种方式全部抵消掉（碳中和）。

在节能减排的大势所趋之下，新能源汽车成为未来汽车发展的主流方向。毫无疑问，新能源汽车将成为未来汽车的主流，能量回收也将成为一项关键性技术。或许在未来，能量回收系统不仅要扮演能量回收的角色，在提高整车操控性、舒适性及安全性方面还会起到更大的作用。

参考文献

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