1 制動能量回收的方法和類型

制動能量回收技術旨在減少制動過程中損失的熱量，工作過程中會使行駛中的車輛

產生相應的阻力進而達到制動的效果，并將回收的機械能回收以化學能、液壓能等形式

存儲以備汽車下次工作使用。對于純電動車，該技術能增加其續航能力。

1.1 制動能量回收的形式

根據儲能器形式進行分類，制動能量回收主要包括電化學儲能、液壓儲能及飛輪儲

能三種形式 。圖 為制動能量回收系統原理圖，主要闡釋了各系統、部件間的能量

傳輸關系。

三種儲能方式各有特點，

在實際應用中，液壓儲能由于其能量密度和能量效率過低的特點，一般應用于大型車輛。而飛輪由于其極差的長時儲能，一般應用于具有頻繁啟動工況的公交車。電化學儲能以其較好的能量密度適用于民用電動車輛，一般以電池作為儲能器。電化學能儲存是將汽車制動過程中的部分動能轉為電化學能。電動汽車以動力電池作為能量源，因此在電動汽車上使用這一方式無需增加儲能設備。將電機作為驅動部件，電動汽車制動過程中，當滿足能量回收開啟的條件時，整車控制器（VCU, Vehicle Control Unit）發出指令，通過電機控制器使驅動電機由驅動模式轉為制動模式以產生拖曳力矩。同時，在電機參與制動力分配過程中，電機的工作特性使其在這一過程中充當發電機。讓本該損失為熱量的能量轉化為電化學能給動力電池充電，達到能量回收的目的。

1.2 制動能量回收系統基本結構

傳統汽車會根據相關法規和標準以及使用目的等各種因素來設計整車制動力分配，一般為固定比值的制動力分配系統。車輛在增設制動能量回收系統之后，電機制動力的介入會改變車輛初始制動力分配關系。制動能量回收的表現形式為驅動電機的逆向工作產生阻止汽車行進的拖曳力矩。相對液壓制動系統而言，電機制動力的加入破壞了原有的制動力分配，從而需設計新的制動系統，其目的是將增設的電機制動力與原始制動系統協同工作而不影響車輛制動安全性。在制動能量回收過程中，電機制動沒有額外消耗能量。相較液壓制動，電機制動力上限過小而不足以提供一些緊急工況的制動力要求。因此，電機制動力只能作為輔助制動力或者提供部分工況下的制動力需求。另外，考慮到汽車制動效能的整體評價效果，需要一種將兩者結合工作的復合制動模式。在原始制

動系統與電機制動的協同工作模式中，一般有串聯和并聯兩種模式。

（1）串聯模式

如圖為雙軸汽車采用串聯模式工作的制動系統控制原理圖。

在串聯模式中，制動力分配是以獲取能量回收效率為目的，因此在工作過程中使用電機制動力。

由上圖 可知，制動強度較小時，所需制動力較小，完全使用電機提供的制動力。制動強度增大會需要更大的制動力，在某一制動強度節點之后，電機提供的制動力只能滿足部分制動需求，隨著制動力需求的增加，則需要液壓制動系統提供制動力。制動系統控制器根據實時制動強度計算整車所需制動力，并向電機控制器與液壓制動系統發出指令。電機根據實時轉速-制動函數向制動控制器反饋扭矩，當電機可輸出制動轉矩不夠時，液壓制動系統補足與所需制動力的差值。在串聯模式中，利用電機制動

（2）并聯模式

圖 為雙軸汽車在并聯模式工作的制動系統控制原理圖，與上述串聯模式的主導思路不同，該模式中的電機制動力作為附加制動力參與整車制動力分配，其參與比例依據實際情況制定，圖 為前后軸制動器及電機制動力在并聯模式下的分配示意圖。根據制動踏板的行程，制動系統控制器發送指令給電機控制器與液壓制動系統，電機將根據設計好的配比關系輸出制動轉矩。在并聯模式中，雖然車輛制動未完全利用電機制動，但是并聯模式下的控制簡單，無需對原有的機械制動結構進行改動，是一種簡單易行的復合制動模式。

1.3 制動能量回收的影響因素

車輛在制動能量回收的工作過程中會受到多方面因素的約束。在充分了解這些約束的情況下，可以針對研究對象逐個優化相關部件進而提升制動能量回收效率。下面從整車零部件特性和外界環境兩個方向分析主要的影響因素。

（1）行駛工況

制動能量回收在車輛制動時工作，尤其是高頻率、制動強度低的運行工況才能讓制動能量回收系統具有較高的工作頻率和效率。車輛在類似城市公交或者區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，因此能量回收系統工作的頻率較低。

（2）動力電池特性

電池作為儲能裝置，集充、放電功能為一體，其綜合狀態是能量回收效果至關重要的一個影響因素。現階段，鋰電池是電動汽車常用的電池類型。在評價鋰電池的綜合性能時，一般通過荷電狀態（SOC，State of Charge）、健康狀態（SOH，State of health）、功率狀態（SOP，State of Power）等指標評價。電池 SOC 值是當前電池剩余電量與滿電狀態的一個關系量。SOH 表示電池當前的衰減程度，描述了電池的使用情況及壽命估計。SOP 表示電池在某一時刻可釋放或者吸收的功率。

其中，電池 SOC 值是一個關鍵影響因素。一般對電池 SOC 有兩種定義，令 Qr、Qt 分別為電池的標稱容量和電池在 t 時刻的容量，則有如下：

式 表示的是用標稱容量定義動力電池 SOC。標稱容量定義法考慮的因素比較少，是理想狀態下的 SOC 估算方法。在電池實際工作環境下，一方面需要考慮到電池內部的指標變化，例如電池內阻、溫度等；另一方面是工作環境的影響，特別是受外界溫度影響較大。令 Q 為動力電池能達到的實際容量，則 SOC 可用 Q 與 Qt 的關系量表示，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 時刻修正后的SOC 值；

為電池SOC 初始值；i 為電池工作過程中的電流；

分別為電池工作過程中自放電與外界環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開啟與否的一個條件。SOC 值過高，接近滿電狀態的動力電池容易形成過充。另外，溫度的高低影響鋰電池特性。溫度過高，鋰電池處于極限工作環境，應減少其工作量，不宜充電；溫度過低，鋰電池內部活性降低，導致充電效率降低。

（3）電機特性

如圖 所示為電機外特性示意圖，電機的轉矩與轉速的關系可分為兩個階段。當轉速在 n1 以下時為恒轉矩模式，其中 n1 稱為該電機的基速；當轉速在 n1 以上時，電機功率轉為恒定狀態。因此，電機在進入制動能量回收工作時的狀態會限制電機輸出制動轉矩的大小，進而影響制動力的分配。同時，轉速過低的時候介入再生制動將導致可回收的能量不多，進而影響能量回收效率。

（4）驅動形式

電機向驅動軸輸出驅動力矩，同時也向驅動軸提供制動力矩。顯然，在制動能量

回收系統工作的時候，電機制動力只能作用于相應驅動軸，即只能回收相應驅動軸上的

制動能量。本文研究的對象為單電機后置后驅形式，制動能量回收工作時*作用于后軸。

（5）制動能量回收控制策略

電機制動力參與整車制動的比例會限制能量回收的效率，同時整車前、后軸制動器制動力的比例關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系。為了**化能量回收，則需要電機制動力盡可能多的參與，而電機制動力參與份額過多會影響前后軸制動力配比。控制策略的主要作用就在于協調兩者的矛盾，通過實際情況進行制定從而決定能量回收的效率。

（6）制動安全法規要求

制動時應確保車輛處于可控狀態并具有一定的制動效率，應用較為**的 ECE R13制動法規便是針對以上兩點而提出，該法規確定了不同規格的雙軸汽車在前后軸制動力的比例限制 。在我國也有相關法規，因此一般車輛出廠前必須符合相關行業標準制定的制動力分配，一定程度上約束了（5）中所述控制策略關于制動力分配的制定，進而影響制動能量回收。