余進超，李軍（重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶　400074）

輪轂電機驅(qū)動電動汽車再生制動系統(tǒng)分析*

余進超，李軍
（重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶400074）

摘要：以輪轂電機驅(qū)動電動汽車為研究對象，介紹了輪轂電機的結(jié)構(gòu)組成及其集成制動系統(tǒng)的解決方案；闡述了輪轂電機再生制動的基本原理；根據(jù)再生制動系統(tǒng)的要求，分析了輪轂電機再生制動的約束條件；通過對幾種不同典型的再生制動系統(tǒng)控制策略的對比分析，確定了一種適合輪轂電機驅(qū)動電動汽車的再生制動控制方案。

關(guān)鍵詞：電動汽車；輪轂電機；再生制動；控制策略

*重慶市自然科學(xué)基金重點項目（編號：CSTC2013yykfB0184）；重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項目（編號：20120108）

0　引言

再生制動能量回收系統(tǒng)是指在電動汽車制動或減速時，將汽車行駛的動能或勢能通過傳統(tǒng)系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機，并將其轉(zhuǎn)換成電能，為動力電池充電，以實現(xiàn)制動能量的再生利用，提高電動汽車的能量利用率，并起到保護環(huán)境的積極作用[1]。電機再生制動力并不是作用在任何車輪上，只有與動力傳動系統(tǒng)相連的車輪即驅(qū)動輪才能獲得電機再生制動，實現(xiàn)整車動能向電機的傳遞和轉(zhuǎn)化。因此，相較于前輪或后輪驅(qū)動的電動汽車，四輪驅(qū)動電動汽車的能量回收效果最佳[2-4]。

制動能量回收系統(tǒng)的研究是電動汽車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，而其性能則主要依賴于該系統(tǒng)的控制策略[4]。本文以輪轂電機驅(qū)動電動汽車為研究對象，對其再生制動系統(tǒng)能量回收及其控制策略進行研究和分析。

1　輪轂電機的結(jié)構(gòu)及制動系統(tǒng)集成

1.1輪轂電機的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)輪轂電機驅(qū)動電動汽車的動力性需求，安裝在電動汽車上的輪轂電機要求在低速時能提供較大的轉(zhuǎn)矩，以確保汽車能夠順利起步；同時，電機還要有較寬的調(diào)速范圍，以使汽車有較好的動力性能。目前，在輪轂電機驅(qū)動電動汽車上運用較多的是永磁無刷直流電機，該種輪轂電機結(jié)構(gòu)緊湊，不僅可減少汽車的軸向尺寸，且對控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快[5]。

如圖1和圖2所示，該種輪轂電機的驅(qū)動方式為外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動，由電機定子、轉(zhuǎn)子、軸承、逆變器及控制器等組成；通過線控系統(tǒng)將整車的控制器與電機的控制器聯(lián)系起來，去除了傳統(tǒng)的動力傳遞系統(tǒng)，在保留傳統(tǒng)的剎車系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高整車能量利用效率的同時簡化了汽車的機械結(jié)構(gòu)，使其擁有更多的布置空間。

圖1　電動輪三維分解圖

1.2輪轂電機制動系統(tǒng)的集成

汽車的制動性能是影響汽車安全行駛的最重要特征之一，它是汽車安全行駛的重要保障。根據(jù)汽車制動性的三個評價指標(biāo)：制動效能、制動效能恒定性和制動時汽車的方向穩(wěn)定性，汽車的制動系統(tǒng)必須滿足以下要求：（1）緊急制動時必須保證汽車有較好的制動效能；（2）保持汽車制動時的方向穩(wěn)定性[6]。

圖2　輪轂電機示意圖

利用輪轂電機可以被控制作為發(fā)電機使用的特性，在汽車的制動過程中，通過輪轂電機的發(fā)電特性將汽車的部分動能轉(zhuǎn)化為電能并保存至能量儲存裝置，同時負(fù)的電樞電流產(chǎn)生一個制動性的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞給車輪以實現(xiàn)對汽車的制動；然而由于輪轂電機驅(qū)動電動汽車制動系統(tǒng)中電機電制動容量較小，不能滿足整車制動效能的要求，因而需要附加機械制動系統(tǒng)。輪轂電機驅(qū)動電動汽車機械制動系統(tǒng)中的制動器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或盤式制動器。由于輪轂電機電制動容量的存在，往往可以使機械制動系統(tǒng)中制動器的設(shè)計容量適當(dāng)減小，如圖3所示輪轂電機集成制動系統(tǒng)。

圖3　輪轂電機集成制動系統(tǒng)

2　輪轂電機再生制動基本原理

電動汽車制動能量的回收系統(tǒng)對于提高電動汽車能量的利用率，增加續(xù)駛里程具有重要意義。該系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換裝置、能量儲存裝置以及控制部分組成。當(dāng)電動汽車通電時，輪轂電機驅(qū)動汽車行駛；汽車制動時，此時輪轂電機處于發(fā)電狀態(tài)，同時產(chǎn)生一個負(fù)轉(zhuǎn)矩給車輪，使汽車的部分動能轉(zhuǎn)化為電能，對能量進行回收再利用，以提高汽車的能源利用率并增加其續(xù)駛里程[7]。

汽車在行駛過程中，牽引力Ft應(yīng)滿足：

其中：Ff為滾動阻力、Fj為加速阻力（制動力）、Fi為坡度阻力、Fw為空氣氣阻力。

設(shè)剎車前車速為V1，剎車后車速為V2，則剎車過程中的動能損耗為：

在存在頻繁制動的城市交通工況下，一般車速和路面坡度都較低，故可認(rèn)為坡度阻力Fi和空氣阻力Fw均可忽略不計，所以式（2）可簡化為：

m為汽車質(zhì)量；s為制動距離。滾動阻力由車輪變形及與地面的摩擦產(chǎn)生，這部分能量以熱能的形式散發(fā)，無法回收；輪轂電機集成制動系統(tǒng)中的制動力包括再生動力和傳統(tǒng)摩擦制動力；摩擦制動力產(chǎn)生的能量無法回收，只有再生制動力消耗的能量才可以回收。

輪轂電機在制動發(fā)電時滿足的功率平衡關(guān)系如式（4）：

其中：P1為電機在發(fā)電狀態(tài)下的輸入功率；Pm為機械損耗；Pf為定子損耗；Pe為電磁功率；電機電樞輸出功率與電磁功率之間的關(guān)系如式（5）：

其中：P2為電機電樞輸出功率；P1為電機電樞電流；R為定子單相繞組電阻；n為定子繞組相數(shù)。

3　再生制動系統(tǒng)要求與約束條件

3.1再生制動系統(tǒng)要求

制動能量回收兩個基本原則：一是確保整車行駛安全，盡量使整車制動過程符合傳統(tǒng)駕駛習(xí)慣；二是最大限度地進行制動能量回收。

為使再生制動系統(tǒng)較好地完成汽車制動與制動能回收的雙重任務(wù)，須滿足如下要求[7-8]。

（1）制動穩(wěn)定性：為保證車輛制動安全，要求加入再生制動系統(tǒng)后，一方面要避免出現(xiàn)后輪先抱死的危險工況；另一方面要盡量避免前輪先抱死，以保證車輛的轉(zhuǎn)向能力；同時制動時前、后輪均要有足夠的制動效率，以保證足夠的制動效能。

（2）制動平順性：在滿足車輛制動需求的條件下，機械摩擦制動能根據(jù)電制動力矩的大小相應(yīng)地變化，使駕駛員在加入再生制動力后制動時的感覺與傳統(tǒng)燃油車一樣平順。

（3）能量回收率：在保證制動穩(wěn)定性與平順性的前提下，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)恼囋偕苿涌刂撇呗裕M可能多地回收制動能。

3.2輪轂電機再生制動約束條件

輪轂電機驅(qū)動電動汽車制動能量回收受到電池荷電狀態(tài)、車速、電機特性、制動法規(guī)及地面附著力等因素的限制[7，9]。

制動能量回收時輪轂電機的發(fā)電功率不能大于電池的最大充電功率，否則會對電池造成損壞；同時制動能量回收還受到電池荷電狀態(tài)SOC的影響，當(dāng)電池SOC值較高時，為延長電池壽命，不再進行制動能量回收；輪轂電機在不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電能力不同，同時根據(jù)輪轂電機特性，當(dāng)輪轂電機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，以恒定轉(zhuǎn)矩輸出；而輪轂電機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時，以恒定功率輸出，此時電機的轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩成反比。另外，當(dāng)車輛的制動初速度低于某一閥值（10～15 km/h）時，輪轂電機便停止制動能的回收；輪轂電機驅(qū)動電動汽車在制動時，每個車輪上都會有電機制動力參與，以制動安全穩(wěn)定為首要目標(biāo)，其制動力的大小受到相關(guān)制動法規(guī)的限制。

因此，如何協(xié)調(diào)控制輪轂電機再生制動力與摩擦制動力之間，以及前、后輪制動力之間的比例關(guān)系，是輪轂電機再生制動能量回收的關(guān)鍵。

4　輪轂電機再生制動控制策略分析

再生制動控制策略的總體目標(biāo)是：在保證整車制動性能的前提下，使制動能量的回收達到最大化。

本文研究的輪轂電機驅(qū)動電動汽車再生制動系統(tǒng)，主要由四個輪轂電機、逆變器、電機控制器、整車控制單元ECU、動力電池、機械制動系統(tǒng)和調(diào)壓裝置組成。該結(jié)構(gòu)方案的特點是在汽車前后制動管路上裝有調(diào)壓機構(gòu)，通過調(diào)壓機構(gòu)可以按照要求調(diào)節(jié)前后輪機械制動力的大??；該系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛者的制動意圖確定出所需的總制動力，并實時獲取車速及電池SOC值，通過整車控制單元ECU計算出四個輪轂電機的再生制動力；當(dāng)四個輪轂電機產(chǎn)生的再生制動力小于所需總制動力時，則控制調(diào)壓機構(gòu)調(diào)節(jié)機械制動液壓來補充剩余的制動力；否則，所需的總制動力全部由四個輪轂電機產(chǎn)生的再生制動力提供。

由于機械制動力的大小是可以調(diào)節(jié)的，為了使再生制動系統(tǒng)與機械制動系統(tǒng)能夠很好地協(xié)調(diào)工作，同時在確保制動安全性的前提下，盡可能的多采用輪轂電機制動以對制動能量進行高效的回收，就需要對再生制動系統(tǒng)的控制策略進行研究分析[10]。

4.1再生制動控制策略

根據(jù)制動目標(biāo)的不同，再生制動控制策略主要有理想制動力分配策略、最優(yōu)能量回饋分配策略、固定比值制動力分配策略、并行制動能量回收控制策略等[10-12]。

（1）理想制動力分配策略

該制動力分配策略按照理想制動力分配策略曲線（I曲線）來分配前后軸制動力，如圖4所示。

圖4　理想制動力分配策略

以滿載為例，當(dāng)需求制動力較小時，前后軸制動力由四個輪轂電機產(chǎn)生的再生制動力提供，如圖中A點；若需求制動力較大時，輪轂電機產(chǎn)生的再生制動力不能滿足制動性需求時，不足的部分由機械制動力補充。雖然此種制動力分配能取得非常滿意的制動效果，但由于車輛在不同載重下，其理想制動力分配曲線也是不同的，因此，前后輪所需制動力分配也要隨著理想制動力分配曲線而變化，這需要復(fù)雜的控制策略和執(zhí)行機構(gòu)。

（2）最優(yōu)能量回饋分配策略

該策略制動力分配特點是：在滿足制動請求和安全性的基礎(chǔ)上，最大程度地讓輪轂電機參與制動，以回收盡可的能多制動能量。如圖5所示。

圖5　最優(yōu)能量回饋分配策略

在該種制動力控制策略下，當(dāng)車輛制動強度低于輪轂電機能提供的最大制動強度時，則完全由輪轂電機提供制動力矩。當(dāng)車輛制動強度超過輪轂電機能提供的最大制動強度時，輪轂電機則滿負(fù)荷地參與制動，剩余的不足制動力由傳統(tǒng)制動系統(tǒng)來提供，以保證最高的能量回收率。雖然這種制動力控制策略的能量回收率最高，但其制動穩(wěn)定性有待提高，且對硬件要求較高。

（3）固定比值制動力分配策略

該制動力分配策略要求前后輪制動力分配與原車機械制動力分配保持一致，即前后輪制動力分配曲線仍為β線，如圖6所示。

圖6　固定比值制動力分配策略

該策略控制方法簡單，可以使輪轂電機驅(qū)動電動汽車前后輪的制動力分配與傳統(tǒng)汽車制動時的制動力分配保持一致，不改變駕駛員的制動習(xí)慣，并且能夠回收一部分的制動能量；但其制動穩(wěn)定性較差，且對于輪轂電機驅(qū)動電動汽車，這種制動方案會使前后輪輪轂電機再生制動力不同，使前后軸輪轂電機的發(fā)電量不同，從而會對均衡充電造成影響，需要額外的控制器去控制調(diào)節(jié)。

（4）并行制動能量回收控制策略

并行制動力分配的主要思想是，在小制動強度（Z≤0.1）時由輪轂電機單獨制動，使可能的制動能量回收比例達到最大；中強度制動時(0.1＜Z≤0.7)，前后軸制動力是再生制動力與摩擦制動力按固定關(guān)系共同承擔(dān)；大制動強度下(Z＞0.7)，以制動穩(wěn)定性和最大制動效能為主，僅有摩擦制動力制動，不考慮能量回收。

4.2輪轂電機再生制動控制策略

基于輪轂電機驅(qū)動的電動汽車，上述制動控制策略各有優(yōu)缺點，為保證制動的安全穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，同時盡可能多地回收制動能量，本文針對重慶市重點項目（重型礦用運輸車電驅(qū)動綜合輪開發(fā)）的6輪混聯(lián)驅(qū)動混合動力車輛，確定了一種四輪輪轂電機驅(qū)動電動汽車的再生制動控制策略，如圖7所示。

圖7　混合并聯(lián)制動力分配策略

該控制策略要求在不改變原車前、后輪機械制動力分配比例的同時，使汽車制動時前、后輪的再生制動力相同。在需求總制動力較小時，優(yōu)先使用輪轂電機再生制動；當(dāng)需求總制動力大于輪轂電機的最大再生制動力時，剩余制動力由機械制動力補充。此種再生制動控制策略既保證了制動的安全穩(wěn)定，使駕駛者的制動習(xí)慣沒有改變，又使各輪轂電機回收的能量相同，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性且盡可能多的回收了制動能量。

5　結(jié)語

文章在分析了輪轂電機的結(jié)構(gòu)及其集成制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，介紹了輪轂電機再生制動的基本原理，并對再生制動系統(tǒng)的要求和約束條件進行分析，通過對幾種不同制動力分配策略的特點進行對比分析，制定了一種適合輪轂電機驅(qū)動電動汽車制動力分配策略，并指出以常規(guī)摩擦制動與電制動組成的并聯(lián)制動分配策略由于結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可行，非常適合輪轂電機驅(qū)動電動汽車開發(fā)與研究的需要。

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(編輯：向飛)

Analysis of Wheel Motor Drive Electric Vehicle Regenerative Braking System

YU Jin-Chao，LI Jun
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

Abstract:With wheel hub motor drive electric vehicle as the object，the structure of the wheel hub motor and the solution of integrated brake are introduced.This paper expounds the basic principle of wheel hub motor regenerative braking.According to the requirement of the regenerative braking system，the constraint conditions of the wheel hub motor regenerative braking are analyzed.Based on comparative analysis of several different typical regenerative braking control strategies，determined a suitable regenerative braking control scheme for wheel hub motor drive electric vehicle.

Key words:electric car；wheel hub motor；regenerative braking；control strategy

作者簡介：第一余進超，男，1988年生，河南信陽人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：新能源汽車控制技術(shù)。

收稿日期：2015－04－22

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.022

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0077－05

文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U469.72+2