電動(dòng)汽車（EV）的研究是在環(huán)境保護(hù)問(wèn)題及能源問(wèn)題日益受到關(guān)注的情況下興起的。在EV性能提高并逐步邁向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中，提高能量的儲(chǔ)備與利用率是迫切需要解決的兩個(gè)問(wèn)題。盡管蓄電池技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但由于受安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素的制約，近期不會(huì)有大的突破。因此如何提高EV能量利用率是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。
　　制動(dòng)能量回收問(wèn)題對(duì)于提高EV的能量利用率具有重要意義。電動(dòng)汽車采用電制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動(dòng)能回饋給蓄電池以對(duì)其充電，對(duì)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。國(guó)外有關(guān)研究表明，在存在較頻繁的制動(dòng)與起動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下，有效地回收制動(dòng)能量，可使電動(dòng)汽車的行駛距離延長(zhǎng)百分之十到百分之三十。
　　目前國(guó)內(nèi)關(guān)于制動(dòng)能量回收的研究還處在初級(jí)階段。制動(dòng)能量回收要綜合考慮汽車動(dòng)力學(xué)特性、電機(jī)發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問(wèn)題。研制一種既具有實(shí)際效用、又符合司機(jī)操作習(xí)慣的系統(tǒng)是有一定難度的。本文對(duì)上述問(wèn)題作了一些積極的探索，并得出了一些有益的結(jié)論。
　　1 制動(dòng)模式
　　電動(dòng)汽車制動(dòng)可分為以下三種模式，對(duì)不同情況應(yīng)采用不同的控制策略。
　　1.1 急剎車
　　急剎車對(duì)應(yīng)于制動(dòng)加速度大于2m/s2的過(guò)程。出于安全性方面的考慮，急剎車應(yīng)以機(jī)械為主，電剎車同時(shí)作用。在急剎車時(shí)，可根據(jù)初始速度的不同，由車上ABS控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動(dòng)力。
　　1.2 中輕度剎車
　　中輕度剎車對(duì)應(yīng)于汽車在正常工況下的制動(dòng)過(guò)程，可分為減速過(guò)程與停止過(guò)程。電剎車負(fù)責(zé)減速過(guò)程，停止過(guò)程由機(jī)械剎車完成。兩種剎車的切換點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性確定。
　　1.3 汽車長(zhǎng)下坡時(shí)的剎車
　　汽車長(zhǎng)下坡一般發(fā)生在盤(pán)山公路下緩坡時(shí)。在制動(dòng)力要求不大時(shí)，可完全由電剎車提供。其充電特點(diǎn)表現(xiàn)為回饋電流較小但充電時(shí)間較長(zhǎng)。限制因素主要為電池的最大可充電時(shí)間。
　　由于電動(dòng)汽車主要工作在城市工況下，所以本文將研究重點(diǎn)放在中輕度電剎車上。
　　2 制動(dòng)能量回收的約束條件
　　實(shí)用的能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：
　　（1）滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習(xí)慣。
　　剎車過(guò)程中，對(duì)安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機(jī)械剎車的最佳覆蓋區(qū)間，在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的剎車過(guò)程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過(guò)程近似，這將保證在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)有吸引力，可以為大眾所接受。
　　（2）考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力。
　　電動(dòng)汽車中常用的是永磁直流電機(jī)或感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)針對(duì)不同的電機(jī)的發(fā)電效率特性，采取相應(yīng)的控制手段。
　　（3）確保電池組在充電過(guò)程中的安全，防止過(guò)充。
　　電動(dòng)汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時(shí)，避免因充電電流過(guò)大或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而損害電池。
　　由以上分析可得能量回收的約束條件：
　　（1）根據(jù)電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。
　　（2）電池可接受的最大充電時(shí)間。
　　（3）能量回收停止時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及與此相對(duì)應(yīng)的充電電流值。
　　本項(xiàng)目原型車為XL型純電動(dòng)車，驅(qū)動(dòng)采用異步交流電機(jī)，額定功率為20kW，峰值功率為60kW，額定轉(zhuǎn)矩為53Nm，峰值轉(zhuǎn)矩為290Nm，持續(xù)輸出三倍額定轉(zhuǎn)矩時(shí)間不小于30s，額定轉(zhuǎn)速為3600r/min，最高轉(zhuǎn)速為9000r/min。蓄電池采用24節(jié)100Ah鎳氫電池，其瞬時(shí)充電電流可達(dá)1.5C（C為電池放電倍率），即150A。在充電電流為0.5C時(shí)，可持續(xù)安全充電。實(shí)驗(yàn)表明，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，充電電流小于6A。可設(shè)此點(diǎn)為電剎車與機(jī)械剎車的切換點(diǎn)。
　　3 制動(dòng)能量回收控制算法
　　3.1制動(dòng)過(guò)程分析
　　經(jīng)推導(dǎo)可得，一次剎車回收能量E=K1K2K3（ΔW-FfS）。
　　特定剎車過(guò)程中，車體動(dòng)能衰減ΔW為定值。特定車型的機(jī)械傳動(dòng)效率K1和滾動(dòng)摩擦力Ff基本上是固定的。對(duì)蓄電池來(lái)說(shuō)，制動(dòng)能量回收對(duì)應(yīng)于短時(shí)間（不超過(guò)20s）、大電流（可達(dá)100A）充電，因此能量回收約束條件（2）可忽略，充電效率K3也可認(rèn)為恒定。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，在制動(dòng)過(guò)程中，其發(fā)電效率K2隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化而變化。制動(dòng)距離S取決于制動(dòng)力的大小和制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。
　　由以上分析可知，如果電池狀態(tài)（包括放電深度、初始充電電流強(qiáng)度）允許，回收能量只與發(fā)電機(jī)發(fā)電效率和剎車距離有關(guān)。在滿足制動(dòng)時(shí)間要求的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。
　　3.2 控制算法
　　控制策略可描述為：在滿足剎車要求的情況下（由中輕度剎車檔位決定），根據(jù)能量回收約束條件（1）和（3）的不同值，確定最優(yōu)制動(dòng)力，使回收的能量達(dá)到最大，即電流對(duì)時(shí)間的積分達(dá)到最大。為了與平常的剎車習(xí)慣相符合，令制動(dòng)力隨剎車時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，即Fj=Fo+Kt。問(wèn)題轉(zhuǎn)換為尋找最優(yōu)的制動(dòng)力初值Fo和制動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)K。
　　我國(guó)常用的轎車循環(huán)25工況［1］規(guī)定，汽車最高速度不超過(guò)60km/h，加速度變化范圍為-1.5m/s2～1.5m/s2。為了體現(xiàn)城市工況下汽車制動(dòng)的典型性，同時(shí)保證安全性和平穩(wěn)性，考察如下制動(dòng)過(guò)程：電制動(dòng)初始速度為60km/h（對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min），電制動(dòng)結(jié)束速度為5.4km/h（對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min），要求加速度的絕對(duì)值小于2m/s2，速度曲線盡量平滑。中度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為8s～12s，輕度檔位剎車時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為12s～18s。下面只討論中度檔位剎車情況，輕度檔位剎車情況與之類似。
　　鎳氫電池（100Ah）在常溫以0.5C放電時(shí)，電池單體電壓變化范圍為12～15V，但電池主要工作于平臺(tái)段，即12.2～13V。為討論問(wèn)題方便，認(rèn)為電池單體端電壓為12.5V，總電壓等于300V。據(jù)此假設(shè)，計(jì)算所得的充電電流誤差不超過(guò)6%。