電動汽車的自備充電器——再生制動能量回饋系統

制動能量回饋，又稱再生制動，平常就說剎車發電。這是電動汽車的功能中，最具科技感的一個。乍一聽到這個絕活，我曾經給它設計了一個應用場景：早上，開著電動汽車上山去；傍晚，輕踩剎車，沿著坡度適中的盤山路溜達回家，到家時，電量滿滿，靜待第二天又出發。好美滿，有木有。（如果能量沒有效率損失的話J）

對再生制動了解的多了一些，才發現，遠遠不是踩剎車就發電那麼簡單。而很多題目為

名詞解釋

制動能量回饋，電動汽車利用電動機制動過程中產生的反向扭矩制動，同時電機產生的反向電動勢給車載動力電池充電，這個複合過程就是電動汽車的制動能量回饋。

制動能量回饋在電動汽車上的價值

利用電動機自身電磁特性制動，並不是新近出現的用法，在大型變頻調速系統中、大型起重機上都廣泛應用。

比如在大型起重系統中，重物下降時，電機轉子在重物重力的拉拽下，轉子的轉速超過同步磁場轉速，反向切割磁感線，電機處於回饋制動狀態。電機制動轉矩的作用是阻止重物的下落，直至制動轉矩和重力形成的轉矩相等時，重物下落停止。

將制動過程中產生的能量存儲起來，也不是現在的電動汽車才有的做法。在傳統燃油車上，就有單獨裝備儲能單元，用於制動能量回收的做法。

比如，保時捷911GT3混合動力賽車上就配置了飛輪電池，將大功率的制動能量短時間存儲其中。

只是，在原來的系統中，制動能量回收的重要性並沒特別重要，對它的研究並沒有特別深入。

續航里程始終都是電動汽車眾所周知的痛。制動能量回收的地位，在電動汽車上，就顯得非常重要。

（圖片來自互聯網）

電動汽車回饋制動的原理

當駕駛員踩下制動踏板時，制動控制單元根據踏板位移感測器採集的信號，判斷駕駛員的制動意圖，即所需的總制動力大小。如果整車制動策略是安排驅動電機首先介入制動，提供再生制動力，則出現電機回饋制動觸發條件。

電機控制器根據整車控制器的指令，調低定子旋轉磁場頻率。轉子由於慣性，依舊用原來的轉速旋轉。當電機的轉子速度超過電機同步磁場的旋轉速度時，轉子切割磁力線的方向反轉，轉子繞組所產生的電磁轉矩與轉子的旋轉方向相反，轉子受力，減速，電機處於制動狀態。

同時，轉子反向切割磁力線的動作，使得電動機產生了反向電動勢，電機端電壓高於供電的動力電池組端電壓，電機工作狀態切換至發電機，具備給電池充電的條件。

當電池組的電量、溫度等條件都允許充電時，制動產生的能量，就可以存儲到電池組中去。

複合制動能量回饋系統主要類型

制動能量回饋系統，目前主要是複合利用回饋制動和液壓制動兩種制動形式。按照觸發制動程序的部件不同，劃分為加速踏板型和制動踏板型；按照液壓制動力是否可控劃分為串聯式和並聯式兩種型式。制動踏板型以下，根據回饋制動和液壓制動的複合形式不同劃分為未解耦型和解耦型。

按照是否考慮ABS（防抱死系統）劃分成複合制動系統與ABS配合使用，和不與ABS配合使用兩種情況。

這個分法，種類不多，就是有點交錯，上一幅不成樣子的腦圖協助理解。

幾種制動類型的具體工作方式

加速踏板觸髮型，是以駕駛員完全放開加速踏板作為制動的觸發信號。當駕駛員鬆開油門踏板，驅動電機即進行制動，提供再生制動力；隨後若駕駛員又踩下制動踏板，液壓制動系統介入，與驅動電機同時進行複合制動。

制動踏板觸發未解耦型，不考慮來自加速踏板的信息，只有當駕駛員踩下制動踏板，制動過程才會開始。把制動的前半段設定為再生制動工作區，後半段為再生制動與液壓制動複合工作區。

這種系統保留原有制動踏板與液壓制動系統的機械連接，在原來的純液壓制動系統基礎上改造而成，在制動踏板或者其他部件上增加一段空行程，留給再生制動。制動踏板的這段空行程結束，再生制動與液壓制動同時發揮作用。

制動踏板觸發解耦型，解耦型複合制動系統即制動踏板與液壓制動系統之間完全沒有機械連接，再生制動與液壓制動之間靠複合制動控制單元BCU協調合作。

不同制動類型的特點

串聯型，即制動踏板解耦型，有BCU發出指令觸發相應制動力加入，同時有感測器實時向BCU彙報制動力的施加效果，形成一個閉環控制系統。制動過程中，BCU獨立於整車控制器工作，專門用於實現對複合制動踏板意圖的識別和制動力分配。

並聯型的兩種形式，加速踏板型和制動踏板未解耦型，都是按照確定的順序，先施加回饋制動力，待到另一個觸發信號出現，確定的加入液壓制動力。

不同制動類型，其制動和能量回收的效果上存在明顯差異，篇幅關係不做過多文字解讀，有興趣的小夥伴請參考下面的表格。

制動踏板解耦型複合制動系統，系統最複雜，可以想像的空間也最大。

制動能量回饋控制策略

並聯型，控制策略比較簡單，僅是再生制動力與液壓制動力的疊加，並根據總的制動力需求對兩者進行簡單的分配，這種控制策略很難有效保證制動距離和制動效能，且可回收的制動能量也較少。

加速踏板型，以加速踏板被完全放開為觸發信號，對車輛施加回饋制動；在制動踏板被踩下的一刻，開始加入液壓制動力。

制動踏板未解耦型，以制動踏板被踩下的一刻為觸發信號，對車輛施加回饋制動；在制動踏板空行程結束時，加入液壓制動力。

串聯型，不同廠家根據車輛不同的應用場景，考慮不同的控制策略。

有的廠家，主要考慮控制策略的簡潔性，如同並聯制動一樣，在正常減速時先施加回饋制動力，在緊急制動時再複合液壓制動力；

也有的廠家，出於安全考慮，在緊急制動時，首先全部使用液壓制動，待判斷車輛已經完全受控後，再逐步加入回饋制動成分。

另外一些廠家，考慮到車輛防抱死系統必須在制動過程中發揮作用，會增加一個判斷環節，判斷是否符合防抱死系統觸發條件，不符合，才進行回饋制動條件的判斷，以保證車輛和人員的安全為首要指標，能量回饋的效率則要為首要指標讓路。

目前出現的新技術方案，在基本串聯型的基礎上，增加液壓缸壓力感測器，結合考慮車速、下坡等工況因素，考慮車輛前後軸不同制動力的分配優化，增加控制點，對制動系統實施更加精確的控制。

（圖片來自互聯網）

舉個例子

以制動踏板解耦型並且考慮ABS參與剎車的情形，說一個普通乘用車的控制策略案例。

與制動相關的組件包括整車控制器VCU，制動控制器BCU，電機控制器MCU，液壓制動系統及壓力感測器，防抱死制動系統ABS，制動踏板極其位置感測器，車速感測器，信息交互系統CAN。

各個系統間的基本關係

制動踏板是制動程序的開關信號，判斷車輛當前是處於驅動狀態還是制動狀態。當車輛處於驅動狀態時，由VMS 發出控制指令，控制車輛運行。一旦制動踏板發生動作，車輛進入制動狀態，則管理許可權全部交由BCU 控制。

BCU 檢測制動壓力及車速信號，協調分配電機制動和液壓制動，通過CAN將請求的扭矩信號發給VMS，VMS再將其轉發給MCU執行。

制動模式包括液壓制動、ABS 制動及回饋制動三種。

具體控制策略

首先，駕駛員踩制動踏板後，VCU講控制權交給BCU；

然後， BCU 控制首先進入純液壓制動模式；

隨後，根據整車的狀態信息及車輪的狀態綜合判斷，進行制動模式的切換。

a）液壓制動模式與ABS 制動模式之間的切換、回饋制動與ABS制動的切換條件：判斷車輪的滑移率是否滿足要求。

b）常規制動與回饋制動之間的切換條件包括：

1）車速>回饋退出的閾值；

2）擋位在D 擋；

3）VMS 允許的回饋制動扭矩限值<0；

4）主缸壓力的增加速率<緊急制動的閾值；

5）車輪的滑移率<車輪抱死的閾值；

6）液壓系統的狀態適合退出制動控制；

7）動力電池SOC在適合充電範圍內；

8）動力電池溫度在適合充電範圍內。

當以上條件都滿足時，才允許切換到回饋制動模式，否則BCU 一直維持在常規制動模式。

就電動汽車而言，制動能量回饋，制動在前，是首要目標，能量回收在後，雖然多多益善，但必須是在不影響制動效果的前提下。

不同類型的車輛，重點考慮的因素會有出入。安全性、舒適性、經濟性，在不同制動控制策略中，先後順序會有所不同。

但隨著感測器技術和核心控制晶元計算能力的提升，控制策略會日趨精細化，複雜化，追求全部重要性能的最優組合是制動能量回饋的不懈追求。

參考：

1 電動汽車複合制動系統研究現狀綜述

2純電動汽車制動能量回收控制策略研究

3電動汽車再生制動系統綜述

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