电动汽车制动过程受力分析及制动能量回收策略研究

江王林 王瑞敏
观致汽车有限公司

【摘要】随着电动汽车逐渐进入市场，如何高效率地回收和利用再生能量成为电动汽车技术研究的主要问题。文章对电动汽车制动过程进行受力分析，并对如何进行再生制动能量回收进行了探讨和研究。

关键词：电动汽车 制动能量回收 控制策略

0 引言

为保护人类的居住环境，各国政府均投入巨大的人力物力寻求解决能源与环境问题的最佳途径。在这种背景下，电动汽车应运而生，成为当前汽车界的研究热点。电动汽车技术涉及到汽车设计、机械制造、交通运输、环境保护、电子控制、信息技术等多个领域，成为体现一个国家工业化水平的重要标志。有关研究表明，在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车行驶距离延长10%～30%。目前，随着电动汽车逐渐进入市场，如何高效率地回收和利用再生能量成为电动汽车技术研究的主要问题，本文以某电动汽车为研究对象，对其制动过程进行受力分析和如何进行再生制动能量回收进行探讨和研究。

1 电动汽车面临的主要问题

电动汽车作为新兴事物，涉及到多个领域，面临诸多困难。具体而言，目前电动汽车的发展主要面临如下一些问题。

⑴ 续驶里程不足。目前，纯电动汽车的最大续驶里程为200～300km，而且该数据往往只是理论计算或者台架试验所得，并没有考虑到实际运行工况中的恶劣工况。如此短距离的续驶里程大大限制了纯电动汽车的普及和推广，尤其是在大型城市中劣势更为突出。

⑵ 车载能量源的使用寿命短，使用条件苛刻。纯电动汽车车载能量源的使用寿命一般都比较低。到目前为止，人们仍然没有发现比较理想的储能装置来匹配整车的使用寿命需求。

⑶ 纯电动汽车成本高。首先是制造成本高，电动汽车的制造成本是同性能燃油汽车成本的10倍左右，成本高昂在很大程度上限制了电动汽车的使用和推广。另外，维护成本风险高，因为车载能源及相关能源管理控制系统产业链的不成熟，使客户的维护成本存在较大的未知风险。

⑷ 二次污染严重。电动汽车虽然在行驶过程中不会产生污染，但是目前普遍采用的蓄电池所带来的二次污染却是各国不得不考虑的问题。二次污染问题直接影响到电动汽车的普及和各国的政策倾向。目前人们还没有找到开发节能环保的车载能源的途径。

上述几项难题或多或少的与本文讨论的主题制动能量回收存在着联系。能量制动回收不当，会缩短车载能源的使用寿命，从而提高车辆的维护成本，增加二次污染。因此如何合理地回收制动能量是电动汽车界研究的热点和难点。

2 电动车制动能量回收系统基本原理

纯电动车制动能量回收是将机械能转化成电能储存起来，其基本原理是通过具有可逆作用的发电机/电动机来实现汽车机械能与电能之间的相互转换。在汽车驱动过程中，电机以电动机形式工作，将储存在储能元件中的电能通过电动机转化为汽车的动能，在汽车制动减速时，电机以发电机的形式工作，汽车惯性所产生的动能在发电机的作用下转化为电能并储存在储能元件蓄电池中，从而提高汽车的能量利用率，增加续驶里程。

汽车在制动过程中受到滚动阻力、空气阻力和制动力的作用。其中滚动阻力和空气阻力所消耗的能量无法控制和回收利用。制动力由机械摩擦制动力和电机制动力两部分组成，机械摩擦制动力做功是将汽车的动能转换成热能，散失在空气中，也是属于无法利用的能量，只有电机制动这部分能量才是可以被回收利用的。电机回收制动的原理如图1所示。

速过程，停止过程由机械制动完成。两种制动形式的切换点由电机发电特性确定。下长缓坡制动的情况一般发生在盘山公路下坡时。由于制动力一般不大，可完全由电刹车提供。其充电特点表现为回馈电流较小但充电时间较长，在这一过程中，限制因素主要为电池的荷电状态和接收能力。

电动汽车能量回收不仅要考虑尽可能回收最大制动能量，还要考虑安全性和驾驶舒适性，因此要满足以下几方面的要求。

⑴满足刹车的安全要求。制动过程中对安全的要求是第一位，需要找到电制动和机械制动的最佳结合点。在确保安全的前提下尽可能多地回收能量。

⑵ 考虑驾驶员的制动习惯和乘员的驾驶舒适性。应充分考虑电动汽车的驾驶员和乘客的感受。对于传统的摩擦制动系统，制动踏板开度角的大小与制动力矩成正比，具有能量回收系统的电动汽车的制动过程应尽可能与传统的制动过程近似，这将保证在实际应用中该能量回收系统可以为大众所接受。

⑶ 考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力。电动汽车中常用的是永磁直流电机和感应异步电机，应针对不同电机的发电效率特性采取相应的控制手段。

⑷ 确保电池组在充电过程中的安全，防止过充。电动汽车中常用的电池为镍氢电池、锂电池和铅酸电池，应深入考察不同电池的充放电特性，避免充电电流过大或充电时间过长。

6 电动汽车制动能量回收控制策略的制定

电动汽车再生制动控制策略是指根据加速踏板状态、制动踏板开度、当前行驶车速、蓄电池状态、电机特性以及功率变换器IGBT状态等参数，兼顾整车制动舒适性、制动性、制动操稳性、蓄电池储能能力、电机最大制动功率、最大制动转矩以及发电效率、能量回收效率等因素，控制电动汽车的制动力。

要达到最佳的节能效果，就必须根据不同车辆的运行工况制定相应的制动工况，对回收系统各元件进行匹配。然而，由于汽车运行的工况极其复杂，不同的地区、不同的道路条件、汽车运行速度的变化、气候及城市交通管理等，对汽车制动工况的确定会产生很大的影响。

设计电动汽车制动系统控制策略的基本原则可描述为：在满足刹车要求的情况下（由中轻度刹车档位决定）根据能量回收约束条件的不同值确定最优制动力，使回收的能量达到最大，即电流对时间的积分达到最大。为了与平常的刹车习惯相符合，令制动力随刹车时间呈线性增长。

对于再生制动力与摩擦制动力之间的分配，通常有串联和并联两种分配方法。

目前常见的再生制动控制策略有：最大再生回馈效率制动控制策略、恒定回馈电流制动控制策略、最大制动电流制动控制策略、最大再生回馈功率制动控制策略、恒定制动电流制动控制策略。郭金刚等人综合考虑了制动稳定性和制动法规的要求，以前轮驱动的电动车为研究对象，提出了一种最大化能量回收的制动力分配策略，并采用Matlab软件进行了仿真研究。

7 结语

制动能量回收是电动汽车的一个重要课题，本文对制动过程中车辆的受力状况进行了详尽的分析，并对制动能量回收策略的制定及应遵循的原则进行了探讨，对于提高电动汽车制动能量的回收具有积极的意义。