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摘要：电动汽车在制动过程中，特别是在频繁制动的场合，如在城市工况下，遇到红绿灯需要频繁启动、制动，如果采用传统汽车的制动方式，能量将会转化成摩擦热能而浪费掉，而带有能量回馈功能的电动汽车可以将制动过程中产生的能量回馈到电池组，为电池组充电，从而增加了电动汽车的一次充电续驶里程。文章从电动汽车制动制动特性出发，深入分析其在能量回馈方面的约束条件与具体过程，并且对其制动控制策略进行探索，期望提升电动汽车的制动控制系统，提高电动汽车的制动舒适性及稳定性。
关键词：电动汽车；制动技术；控制策略
引言
传统汽车的制动过程是依靠摩擦的方式消耗汽车行驶的动能，以达到降低车速的目的．电动汽车采用制动能量回馈技术，在制动过程中将驱动电机运行在发电状态，依靠车轮的反向拖动产生电能和车轮制动力矩，并在减缓汽车速度的同时，将部分动能转化为电能，加以再利用，从而改善汽车的能量利用效率，提高汽车续驶里程。
一、电动汽车的制动特性
车辆在减速或制动时，将其中的一部分动能或势能转化为电能并存储在能量储存装置中的过程称为制动能量回馈。电动汽车采用电力制动时，通过将驱动电机转变为发电状态来使车辆产生制动力矩，同时将所产生的电能存储到蓄电池中，从而有效地回收制动能量，延长续驶里程。这一点对纯电动汽车尤为重要，因为在城市工况中，汽车需要频繁起动、制动。国外有关研究表明，如果有效地回收制动能量，电动汽车大约可降低15％的能量消耗，可使纯电动汽车的续驶里程延长10％-30％。电动汽车制动工况大致可分为三种，在不同工况下制动系统应采用不同的制动方式：
（1）紧急制动状态是指在制动的过程中，电动汽车的制动减速度绝对值必须要大于2m／s2。针对电动汽车的安全考虑，在紧急的制动工况下需要以机械制动为主，由车上的ABS（AntilockBrakeSystem）提供相应的制动。
（2）中轻度制动是指电动汽车正常行驶的制动过程中，会有减速与停车两种过程，可以分为由电力制动完成的减速过程与机械制动完成的停车的过程。电力制动与机械制动会有一个过渡点，其是由驱动电机的发电特性确定的。需要注意充电电流不应太大或者充电的时间不宜太长。
（3）下长坡时制动状态是指电动汽车在下坡时，可由电力制动完全提供。制动过程中回馈电流小，充电时间长。
二、再生制动能量回馈原理
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和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的，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。虽然再生制动可以回收制动能量并向车轮提供部分制动力，但是其无法使得车轮完全停止转动，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。
制动能量只可以回收与电机相连接的驱动轮上的能量，以四轮驱动形式的电动汽车为例，介绍电动汽车制动能量回收原理。图1为四轮轮毂电机驱动的制动能量回收系统的结构原理，通过图1可以看出电动汽车再生制动系统主要由轮毂电机、电机控制器、逆变器、制动控制器和动力电池等主要部件组成。汽车进行制动时，制动器根据不同的制动工况发出不同的指令，通过电机控制器控制轮毂电机，进行再生制动。
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图1 四轮轮毂电机驱动的制动能量回收系统的结构原理
制动能量回收通过以下过程来实现：
（1）开始再生制动后，电池管理系统将采集到的动力电池的电压、电流后，计算出SOC值，发送给制动控制器，当SOC>0．95时，为防止电池过充，此时应不进行制动能量回馈；当SOC不是很大时，此时可以适当的增加电机制动的比例，更多的回收制动能量。
（2）制动控制器根据轮毂电机自身的转速特性，推算出轮毂电机实际能够提供的制动强度。
（3）比较需求的电机再生制动强度上限和轮毂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，让它控制电机工作。
（4）让轮毂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，给动力电池充电。在这过程中，为了对电池进行保护，电池管理系统需要时刻检测电池状态，及时和控制器交互信息，随时准备停止制动能量回收。
三、再生制动的影响因素
能量回收是纯电动汽车重要的节能手段。分析表明，一辆乘用车，在NEDC（NewEuropeanDrivingCycle）循环中，由于制动浪费的车辆动能如果可以完全回收，考虑电机系统和动力电池系统的效率，理论上可以节能17％左右。但在实际情况下，由能量传递和转换过程可知，能量回收受到电动汽车的行驶工况、蓄电池等储能装置的工作特性、制动法规安全性要求、制动电机工作特性等因素的制约，导致能量回收系统的实际回收值远远达不到理论分析的上限。分析这些因素，在此基础上制定制动能量回收控制策略有助于能量回收率的提高。
（1）行驶工况：电动汽车的行驶工况影响着驾驶员制动的频率。在城市中行驶，车流量大、红绿灯比较多，这会造成车辆起停或刹车的次数增多。制动次数越多，可以被回收的制动能量也就越多；而在高速公路下行驶，汽车长时间都是高速运行且制动次数很少，那么回收的制动能量相比与城市工况就会减少很多。
（2）蓄电池的工作特性：蓄电池的荷电状态，即电池SOC值，是影响电动汽车制动能量回收效率的关键因素之一。当蓄电池的SOC值很高（工程上常取SOC>95％），表明蓄电池容量已经接近饱和，为了避免蓄电池过度充电而影响蓄电池的使用寿命，此时不能进行制动能量回收；当蓄电池的SOC值较低时，此时电动汽车应该尽可能多的增加再生制动的比例。另外，动力电池作为再生制动能量的存储装置，由于蓄电池可接受的充电能力受到最大充电电流的限制，因此充电过程中的充电电流不应超过蓄电池可接受的最大充电电流，否则不但不能提高充电效率，而且会对电池造成损害。
（3）电机因素：电机作为再生制动系统的主要部件，它的工作特性是影响再生制动系统的一个关键因素。电机能够提供的制动转矩越大，它就可以提供更多的电机制动力，增大它在制动力总份额中的占比，这样就可以回收更多的制动能量；受电机自身因素的限制，电机可以提供的最大再生制动力矩也不会非常大。因此，当制动强度很大时，还是要以摩擦制动为主，以电机制动作为辅助。
此外，还有其他的因素影响再生制动能量的回收。在汽车的制动过程中，只有驱动轮上的制动能量才能被部分回收，而从动轮上的能量只能转化成热量散发到空气中。而且再生制动系统能量传递路径上每个工作部件的效率也会制约着回收能量的多少，例如传动系统的机械效率、电机效率、逆变器的效率和蓄电池的充电效率等。
四、制动能量回馈系统控制策略
设计制动能量回馈控制策略最基本的原则是在满足制动安全的前提下最大化地提高能量回馈率，也就是在机械制动和电制动之间找到一个平衡点，以达到制动能量回馈过程中制动性、舒适性、能量回馈率的最佳状态。能量回馈实现流程，如图2所示。
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图2 电动汽车制动能量回馈控制流程图
当车辆满足能量回馈条件后，车辆进入能量回馈运行模式，电池管理系统（BMS）根据SOC状态及电池温度表得到当前工况下的最大充电电流，同时计算电池PACK电压，通过CAN总线将其发送给VCU。
VCU根据挡位、加速踏板状态、制动踏板状态、电机最大发电电流及电池PACK电压计算出目标回馈转矩，电机控制器（MCU）根据VCU提供的回馈转矩控制电机发电输出回馈转矩，同时将电机最大发电转矩、电机当前转矩和当前转速反馈给VCU。控制策略依次实现2个阶段的控制目标。
1）在驾驶员松开油门踏板到踩制动踏板之间的滑行阶段，考虑0.49～0.98m/s2的滑行电机回馈减速度。根据驾驶模式智能调整回馈转矩，为保证驾驶平顺性，低车速时回馈转矩较小；随车速提高回馈转矩逐渐增大；车速达到一定值后，滑行能量回馈转矩不再增大。图3示出回馈转矩与车速的关系曲线。
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图3 电动汽车回馈转矩与车速的关系曲线图
VCU根据车速和挡位信息查表得到回馈转矩，该回馈转矩首先会受到电机最大回馈转矩限制和电机峰值发电转矩的限制，图4示出电机在不同电压下的发电转矩曲线图。为了保证能量回馈功能在各挡位之间切换时的转矩平滑，会对限制之后的回馈转矩进行滤波，图5示出目标回馈转矩计算算法。
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图4 电机在不同电压下的发电转矩曲线图
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图5 电动汽车目标回馈转矩计算示意图
2）在制动踏板的空行程结束后，机械制动的开始作用阶段，合理分配电机制动与液压制动两者之间的制动力。踩下制动踏板后，根据VCU给出最大可执行的回馈力矩、车辆减速度以及制动踏板的位置，优化电机制动和机械制动的最佳关系。通过动态控制VCU调整回馈力矩大小，以提高制动能量回馈率。
当车速低于10km/h时，以液压制动为主，电机制动不参与；当车速低于80km/h时，且制动强度小于1.2m/s2时，优先使用电机制动力，最大制动力取决于车速、制动踏板的开度、电池SOC和电机状态。如果最大电机制动力大于所需制动力，车辆制动全部由电机提供；如果最大电机制动力小于所需制动力，需液压制动力进行补偿。
结语
如今，世界上的石油资源正在不断的衰竭，而环境污染问题也日渐突出，全球变暖成为人们关注的热点话题。在种种环境矛盾的影响下，各个国家为了促进汽车工程的发展需要走新能源发展的道路，并且纷纷出台了关于能源利用方面的政策。电动汽车的出现让环境污染的趋势得到了缓解，而作为电动汽车的关键技术，制动技术关系到汽车的安全性能以及舒适性能。在经过多个制造企业的研究和开发以后，不少企业都已经拥有属于自己的制动控制系统，并且将其应用到电动汽车的制动当中。电动汽车的制动控制策略还没有被完全应用到电动汽车的制动系统，其所起到的依然只是辅助作用。为此，制造企业需要不断优化电动汽车的制动技术，解决其能量回馈的约束条件，促使电动汽车的性能得以提升。
参考文献：
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