电动汽车再生制动系统介绍

2020/6/28报告人：专业：车辆工程目录一、再生制动系统简介二、再生制动的影响因素三、制动意图识别方法四、再生制动系统的控制策略五、制动能量回收评价指标六、再生制动能量回收系统研究热点2020/6/282020/6/28一、再生制动能量回收系统简介随着环保和能源问题日益突出，传统汽车所带来的空气污染日益加重和石油短缺的问题，得到了人们的重视。为解决节能和环保的问题，国家大力支持电动汽车的发展，并被认为是传统车辆的理想替代品。电动汽车具有能量来源可持续、零排放、低噪音等优势，同时，电动汽车通过自身的驱动电机，可以实现再生制动能量回收。2020/6/28续航历程短是制约电动汽车普及发展的关键因素，再生制动能量回收技术是提高电动车续航里程的有效手段。再生制动能量回收即汽车在制动时，通过制动装置将动能化为电能储存在动力电池、超级电容等储能设备，供驱动时使用，以达到延长电动汽车续驶里程的目的，同时还可起到减少制动器工作强度、延长机械制动系统寿命的作用。因为具备上述优点，再生制动能量回收技术已成为纯电动汽车和燃料电池汽车等新能源汽车节能减排的主要技术之一。2020/6/28再生制动的发展再生制动能量回收系统最开始应用在火车上，后来一些学者将其应用在汽车上，早起主要是在传统汽车上使用，利用液压和飞轮的储能机构，能量回收效率低。后来随着电动汽车技术的发展，电机能源转化效率高，电池储能效率高，再生制动系统进入了研究的快车道，并成为电动汽车上一重要的组成部分。1、早在20世纪70年代，美国威斯康星大学NormanH.Beachley等学者就开始了汽车再生制动系统的研究，当时主要是对传统汽车采用飞轮和液压储能方式对制动年能量回收。2、1979年，丹麦P.Buchwald和G.Christensen等比较详细的研究了再生制动能量回收理论，同时在福特汽车上研制出了液压储能的再生制动系统。3、日本丰田公司于1997年推出了具有再生制动功能的混合动力轿车Prius，这款轿车制动的惯性能量能够通过再生制动系统得到回收，回收的能量约能提供汽车5%~23%的驱动力，从而能够提高轿车10%左右的燃油经济性。2020/6/284、本田汽车公司紧随其后，于1999年开发了混合动力汽车Insight，提出了采用双制动力分配系数控制再生制动系统，试验结果表明，该车实现了高效的制动能量回收。5、美国福特汽车公司也推出了混合动力汽车Escape，该车型采用了线控再生制动系统，线控系统取代了传统的机械液压制动系统，把驾驶员的制动踏板信号操作转变为电信号，通过驱动电机实现所需的操作，实验证明该车制动能量回收率及制动时方向稳定性均有较大的提高。6、国内的再生制动技术起步比较晚。国内研究机构和高校都对再生制动系统进行了相关的研究，并取得了一定的进展，但尚未达到十分成熟的阶段。但是近些年新出的电动汽车大部分都采用了再生制动能量回收系统。2020/6/282020/6/28再生制动能量回收系统优点：1、再生制动是提高电动汽车能量利用率的重要途径之一。尤其是在起、停频繁的城市工况下，研究表明，利用再生制动，可使城市工况下的电动汽车续驶里程延长14%到40%。2、再生制动可承担低制动强度的制动任务。通常情况下能承担制动强度在0.1以下的制动任务，但当车型与档位不同时，能承担的制动强度可以更大。3、再生制动可起辅助制动作用。特别是电动汽车恒速下长坡时，为保持制动强度的恒定性，延长行车制动系工作寿命，再生制动单独或与行车制动系协同对车辆进行速度控制。4、利用再生制动提高电动汽车主动安全性。这种功能包括两个方面：一是电动汽车在低附着系数路面上进行再生制动时，通过控制再生制动力来使驱动轮获得最佳滑移率，缩短制动距离，这是一种区别于传统机械ABS的电磁制动系统，它在保持滑移率最佳的同时，能回收制动能，即具有再生ABS功能，二是利用再生制动产生横摆力矩来提高电动汽车的转弯操纵稳定性。2020/6/285、电动汽车的再生制动反应速度快，控制精度高。制动系统反应时间对车辆动态性能的影响十分显著，通常，行车制动系制动管路中的电磁阀会存在死区时间，管路中传力介质的压力反应也存在明显延迟现象，故行车制动系起作用的时间一般较长，如真空助力制动系与气压制动系的起作用时间为0.3～0.9s,液压制动系起作用的时间在0.1s左右。由于电动汽车再生制动的制动性质是电制动，而电机时间常数一般为1ms，因而有利于对制动力矩实现快速而精确的控制。2020/6/28再生制动能量回收系统结构：2020/6/282020/6/28一般情况下，影响电动汽车制动能量回收效能的因素有储能装置、制动力分配比例、驱动类型、电机性能、行驶工况、控制策略等。（1）储能装置。电动汽车上常用储能装置有蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮电池等，其中最常用的还是蓄电池。因此，在制动能量回收进行时要充分考虑蓄电池的状态，如果制动过程中蓄电池SOC值超过上限值，表明蓄电池电量充足不需充电，此时不宜进行制动能量回收，否则会损害蓄电池寿命并且有可能引发安全问题。另外，为了保护蓄电池，制动能量回收过程还要充分考虑蓄电池能承受的最大充电电流和充电功率。（2）制动力分配比例。由于电动汽车运行速度较高，制动时仅仅依靠再生制动很难及时减速，这就需要机械制动提供相应的制动力，因此制动过程中再生制动力和机械制动力的比例就显得尤为重要，在保证制动稳定性的前提下，再生制动力所占比例越高，越有利于制动能量回收。三、再生制动的影响因素2020/6/28（3）驱动类型。从车型角度考虑，目前对于电动汽车研究涉及最多的是双轴电动轿车，但无论双轴电动轿车为两驱型还是四驱型，制动过程中能够回收的能量均只是驱动轮上的行驶动能，而从动轮上的动能只能依靠机械摩擦制动产生热量消耗掉。因此，在保证制动安全的前提下，尽可能多的向驱动轮分配制动力有利于提高制动能量回收效率。（4）电机性能。作为再生制动系统的关键部件，电机的制动能力越好，就可在分配再生制动力与机械制动力时提高再生制动力比例，增加制动能量回收效果。此外，电机的发电效率也对制动能量回收有很大影响，另外在低速和高速时也不利于电机进行制动能量回收。（5）行驶工况。行驶工况对于制动能量的回收影响最直接，若电动汽车行驶在城市交通较拥挤道路上，需要频繁起步、加速、减速，则制动工况较多，提高了再生制动次数，能够增加能量回收效果；若电动汽车行驶在高速公路，很少会出现制动减速工况，制动能量回收较少。2020/6/28（6）控制策略。制动控制策略是电动汽车的软件核心。对于再生制动技术，提高能量回收效率需要依靠合理的再生制动控制策略。再生制动控制策略最关键的内容是在保证制动安全的前提下，最优的分配再生制动力和前、后轮机械摩擦制动力，最大限度的实现能量回收以及优化驾驶员感受。除上述6大主要影响因素外，在制动能量回收及传递过程中，各个部件自身的效率等也会制动能量回收效果产生影响。2020/6/28一汽奔腾B50电动试验车结构：2020/6/28四、制动意图识别制动意图识别主要是能够正确的识别电动汽车中驾驶员的制动意图，是驾驶意图的一部分，是驾驶员对车辆进行减速操作的一种意图。便于可以准确的控制电机制动和液压制动进入和退出的时间，从而一方面有利于提高汽车制动能量回收率，另一方面也可以提高汽车制动的安全性。识别出的不同制动意图要求的不同的制动性能，不同的制动性能则要求合理的对前后轴制动力进行分配，作为制动力分配的依据。在制动强度较大时保证车辆的制动安全性，在制动强度较小时保证较高的制动能量回收率。2020/6/28制动意图识别参数：制动踏板位移开度、制动踏板速率、加速踏板位移、车速、制动管路压力，制动意图识别方法：基于规则识别法、模糊控制识别法、神经网络识别法等。2020/6/282020/6/282020/6/28五、再生制动的控制策略实际中，在硬件结构及外部行车状况不易改变或控制的条件下，通过设计合理的再生制动控制策略，使得制动力分配合适，是提高再生制动能量回收效率的最有效途再生制动作为电动汽车一项关键技术，除了要求汽车在制动过程中行驶平稳外，还要有合适的制动能量回收效率作为保障。再生制动控制策略有很多，主要有前后轴制动力分配策略、电机制动和机械制动分配策略、整车控制策略、再生制动与其它系统协调策略、多能源系统协调策略等，但是策略设计的共同点是电机提供大部分的制动力用于能量回收，特别是在制动强度较小的情况下，电机提供全部的制动力。2020/6/281、典型的前后轴制动力分配策略有理想制动力分配控制策略、最佳制动能量回收控制策略和并行制动能量回收控制策略。理想制动力分配控制策略：理想制动力分配控制策略如图所示。其控制目标是在保证车辆具有最佳前后制动力分配（最佳制动性能）的前提下尽量回收制动能量。当减速度小于时，只有再生制动系统工作。当减速度要求大于时，前后制动力被控制在曲线上。控制系统根据电机特性和车载电池的情况决定驱动轴制动力是由再生制动系统单独提供还是由两种系统联合提供。2020/6/282020/6/28最佳制动能量回收控制策略最佳制动能量回收控制策略的思想是在制动力分配允许的范围内尽量增大电机制动的份额，以达到多回收制动能量的目的。这种控制策略可以达到最佳回收能量的目的。这种控制策略的缺点是稳定性不高、控制困难，且对路面附着系数的变化较为敏感。最佳制动能量回收控制策略如图所示。其在减速度要求小于路面附着系数时的控制策略如下，以图粗实线AB为例说明在不同情况下如何分配制动力：（1）当可获得的再生制动力（制动电机的最大制动力）在Freq范围内时，如图中C点，前轴制动力全部由再生制动系统提供，同时将后轴制动力控制在相应的D点，此时汽车有j/g=0.6的制动减速度。（2）当可获得的再生制动力小于A点对应的前轴制动力时，如图中E点，控制制动电机工作在最大值，同时前轴摩擦制动系统提供一部分制动力，为了将整车制动力控制在I曲线上的F点，相应的将后轴摩擦制动力控制在G点，此时整车将获得的制动减速度j/g=0.6。2020/6/28（3）当需要较小的制动减速度时，例如j/g=0.3，如果再生制动系统可单独提供制动力需求，将由再生制动系统单独作用，如图中K点。2020/6/28并行制动能量回收控制策略并行制动能量回收控制策略的思想是在不改变原有液压制动系统基础上，在驱动轴上附加一个电机制动力矩。此种控制方法对原有的液压制动系统改动较小且响应较快、易于实现，但由于电机系统作仅为一个辅助系统回收制动能量，此种控制策略能量回收率较小其控制策略如下：（1）制动减速度要求小于0.1g时，机械制动系统不工作，仅制动电机单独制动；（2）制动减速度要求大于0.1g小于0.7g时，制动电机和摩擦制动系统联合制动；（3）制动减速度要求大于0.7g时，认为是紧急制动，仅依靠技术成熟可靠的摩擦制动系统制动。2020/6/282020/6/282、驱动与制动协调控制策略：2020/6/283、再生制动与ABS协调控制策略：2020/6/284、多能源系统模糊分配策略：2020/6/284、多能源系统模糊分配策略：2020/6/28六、制动能量回收评价指标制动能量回馈率：制动能量回馈过程中电动机发出的电能在总制动能量中的占比。能量回收率：在某循环工况下电动机回馈发出的电能占电动机总消耗能量的百分比。回收率：电动机回馈发出的电能占整车总动能或动力电池总储电量的百分比制动能量回收贡献率：制动能量中被回收又重新被动力系统利用且传递到驱动轮的那一部分能量在总驱动能量中所占的比例。制动可回收率：制动可回收率ηk定义为在制动过程中半轴回收能量Et占整车动能变化量Ez的百分比。2020/6/28制动转化率：制动转化率ηt定义为制动过程中驱动电池充电能量Er占半轴回收能量Et的百分比。制动回收率：制动回收率ηv定义为制动过程中驱动电池充电能量Er占整车动能变化量Ez的百分比，其考虑到了制动能量由车轮传递至驱动电池过程中所有的影响因素，反映电动汽车实际的制动能量回收效率。同时，今年汽车工程学会在2月发布了《纯电