摘要：能量回收是新能源商用車節(jié)能的重要手段之一。本文介紹了能量回收的結(jié)構(gòu)和原理，通過研究行車能量回收和制動再生能量回收的控制策略和回收效率，基于整車性能選擇最佳的能量回收方式組合并進行控制優(yōu)化，實現(xiàn)整車制動安全和節(jié)能，最后通過實車驗證，確定所提能量回收方式組合及控制優(yōu)化的有效性。

關(guān)鍵詞：新能源商用車；能量回收；節(jié)能；控制策略

中圖分類號：U461    

DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.03.019

0    引言

新能源商用車滲透率不斷上升，如何降低電耗也已成為各主機廠競爭熱點。采用高效電機以及進行能量回收，可使其綜合效率較傳統(tǒng)燃料大幅提升。其中，能量回收是通過車輛減速反向拖動電機發(fā)電而實現(xiàn)，分為行車能量回收和制動再生能量回收。行車能量回收主要是松開油門自動回收能量(0擋)和手動激活能量回收控制擋位來回收能量；制動再生能量回收是通過踩下制動踏板同步激活電機制動實現(xiàn)能量回收。

本文通過研究行車能量回收和制動再生能量回收的控制策略，選擇最佳的能量回收方式組合并進行控制優(yōu)化，實現(xiàn)整車制動安全和節(jié)能，最后通過實車驗證確定所提能量回收方式組合及控制優(yōu)化的有效性。

1    能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1    能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新能源商用車能量回收系統(tǒng)的主要組成部件[1]及其功能如下。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖。

(1)制動腳閥：控制制動氣體的通斷和壓力，實現(xiàn)車輛制動。

(2)前后橋制動模塊：接收來自制動控制單元的信號，控制制動氣室的通斷。

(3)制動氣室：推動自調(diào)機構(gòu)，使摩擦塊與制動盤接觸并施加壓力而產(chǎn)生制動力，使車輛減速或停止。

(4)儲氣筒：儲存壓縮空氣，為制動系統(tǒng)提供動力源。

(5)制動控制單元：根據(jù)駕駛員的制動指令和車輛行駛狀況，計算并輸出制動力分配指令；

(6)電機控制器：控制電機運行，實現(xiàn)電機驅(qū)動或制動。

(7)電機：在車輛行駛時，作為驅(qū)動電機使用，變速器、傳動軸和驅(qū)動橋?qū)㈦姍C的正扭矩傳遞給車輪，驅(qū)動車輛向前行駛。在車輛制動時，作為發(fā)電機使用，可將機械能轉(zhuǎn)化為電能，回收制動能量；同時，變速器、傳動軸和驅(qū)動橋?qū)㈦姍C的負扭矩傳遞給車輪，阻止車輛向前行駛。

(8)能量回收控制手柄：車輛行駛過程中有減速需求時，駕駛員也可以控制能量回收控制手柄擋位，待電機控制器收到能量回收控制手柄擋位信號后，控制電機運行，實現(xiàn)電機制動減速。

(9)動力電池：在可用SOC范圍儲存再生制動回收的電能。 

(10)管路連接各部件：傳遞壓縮空氣。

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，制動控制單元根據(jù)駕駛員的制動指令和車輛行駛狀況，計算并輸出制動力分配指令；制動控制單元將指令發(fā)送給前后橋制動模塊，前后橋制動模塊控制制動氣室壓力產(chǎn)生制動力，使車輛減速或停止。同時，電機控制器根據(jù)制動控制單元分配的負扭矩指令，控制電機的運行，電機在車輛制動時作為發(fā)電機使用，將制動能量轉(zhuǎn)化為電能，并儲存到電池中。

1.2    能量回收控制原理

能量回收是通過車輛減速反向拖動電機發(fā)電而實現(xiàn)，分為行車能量回收和制動再生能量回收。

(1)行車能量回收：是駕駛員通過松開油門踏板(已設(shè)置0擋能量回收車型)或者控制能量回收控制手柄擋位后，待電機控制器收到能量回收控制手柄擋位信號后，控制電機運行，實現(xiàn)電機制動和車輛減速。

(2)制動再生能量回收[2] ：駕駛員踩下制動踏板，待制動控制單元收到制動請求后，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的制動指令和車輛行駛狀況，計算并輸出制動力分配指令，電機控制器控制電機的運行，實現(xiàn)電機制動。制動再生能量回收常用的有以下2種：

一種是疊加式能量回收。踩下制動踏板時，電機按照控制策略標定的車速與電機負扭矩關(guān)系持續(xù)輸出負扭矩，實現(xiàn)能量回收。在踩下制動踏板過程中，氣制動也會輸出相應(yīng)的制動力，如圖 2所示。疊加式能量回收的優(yōu)點是制動穩(wěn)定性和制動性能好，缺點是未實現(xiàn)制動能量的完全回收，有一部分能量會通過制動盤(剎車盤)摩擦發(fā)熱轉(zhuǎn)換為熱能浪費掉。

另外一種是協(xié)調(diào)式能量回收。踩下制動踏板時，電機按照控制策略標定的車速與電機負扭矩以及制動踏板開度b%的關(guān)系持續(xù)輸出負扭矩，實現(xiàn)能量回收。當(dāng)制動踏板開度＜b%時，踩下制動踏板的制動力100%由電機提供；當(dāng)制動踏板開度＞b%時，踩下制動踏板時，電機100%輸出負扭矩，不足的制動力由氣制動補償，如圖 3所示。協(xié)調(diào)式能量回收的優(yōu)點是，在車速＞4 km/h制動時優(yōu)先采用電機制動，電機制動時可持續(xù)回收能量，制動不足部分由氣制動提供，除緊急制動外很少應(yīng)用氣制動，從而大幅降低剎車盤的磨損；缺點是，在車速≤4 km/h制動時，需從電制動逐步切換為氣制動，控制不精確時會影響制動平順性[3]。

2    基于整車性能的能量回收方式組合及優(yōu)化

2.1    能量回收組合

當(dāng)前新能源商用車行車能量回收技術(shù)已較為成熟，只是不同主機廠的能量回收控制擋位數(shù)與標定能量回收比例存在差異。2024年以前，制動再生能量回收主要以疊加式能量回收為主，之后各個主機廠陸續(xù)開發(fā)應(yīng)用協(xié)調(diào)式能量回收系統(tǒng)。能量回收組合方式如表1所示。

2.2    能量回收效率

能量回收效率的主要影響因素有電機驅(qū)動及發(fā)電效率、電池充放電效率、功耗電子器件轉(zhuǎn)換效率、機械傳動效率、制動策略與工況。

電機在驅(qū)動模式下(轉(zhuǎn)換)效率可實現(xiàn)93%～95%；但受到電磁和銅損等影響，新能源商用車在用的永磁同步電機在發(fā)電模式下的轉(zhuǎn)換效率通常略低于驅(qū)動模式，約為80%～90%；能量回收時需經(jīng)電池充電，但受電池內(nèi)阻、SOC(電量狀態(tài))、溫度等影響，充電效率約為80%～95%，回收電量放電時受內(nèi)阻、工作電壓范圍、比能量和能量密度、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、環(huán)境溫度、放電塑料和循環(huán)次數(shù)等影響，放電效率約在85%～98%之間；逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)損耗，功耗電子器件轉(zhuǎn)換效率約90%～95%；受變速器、傳動軸、驅(qū)動橋軸承及齒輪摩擦損耗影響，機械傳動效率約為88%～93%；制動策略電制動與氣制動的制動力分配和車速與負載(低車速時回收效率低，中高速時效率較高)也影響能量回收效率，這個效率不易量化，不參與后續(xù)總體效率計算。

將上述影響因素的效率進行乘積計算后才是能量回收的總效率。因不同品牌電機、電池、功耗電子元件和機械傳動結(jié)構(gòu)存在差異，本文按照最大和最小效率，計算出能量回收總效率范圍在35.3%～65.4%之間，具體如表2所示。

2.3    基于整車性能的能量回收組合控制優(yōu)化

2024年之前的“行車能量回收+疊加式制動能量回收”，由于疊加式制動能量回收不能實現(xiàn)全電機制動，一般行車能量回收都會設(shè)置松開油門踏板(0擋)能量回收，將車速進行預(yù)減速，確需制動時踩制動踏板或采用更改擋位行車能量回收進行制動。2024年之后，隨著“行車能量回收+協(xié)調(diào)式制動能量回收”方式的批產(chǎn)應(yīng)用，踩制動踏板開度＜b%以前可以實現(xiàn)全電機制動，考慮到能量回收總效率范圍在35.3%～65.4%之間，并未實現(xiàn)能量的100%回收。本文采用的“行車能量回收+協(xié)調(diào)式制動能量回收”控制中，取消行車能量回收設(shè)置松開油門踏板(0擋)能量回收功能，在車輛行駛過程中無減速需求時駕駛員松開油門踏板后車輛自由滑行；根據(jù)能量守恒原則，可實現(xiàn)車輛滑行慣性力的100%回收，節(jié)能效果優(yōu)于松開油門踏板(0擋)能量回收35.3%～65.4%效率。需要減速時，通過輕踩制動踏板或采用Ⅰ擋及以上擋位行車能量回收進行制動。 

2.4    能量回收控制優(yōu)化后效果驗證

選定某款8×4新能源混凝土攪拌車，采用電機+4擋AMT，配備磷酸鐵鋰電池，在某攪拌站選擇2輛車，均采用“行車能量回收+協(xié)調(diào)式制動能量回收”控制方式；1號車采用松開油門踏板(0擋)能量回收10%，2號車松開油門踏板后車輛自由滑行。同工況同路線驗證數(shù)據(jù)見表3；2號車較1號車節(jié)能＞5.7%。

3    結(jié)論

(1)介紹能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理，明確疊加式能量回收和協(xié)調(diào)式制動能量回收優(yōu)劣勢。

(2)介紹行車及制動再生能量回收組合方式，明確能量回收總效率范圍在35.3%～65.4%之間。

(3)對基于整車性能的能量回收組合進行控制優(yōu)化，最終針對“行車能量回收+協(xié)調(diào)式制動能量回收”組合方式，取消行車能量回收設(shè)置松開油門踏板(0擋)能量回收功能，車輛行駛過程中無減速需求時駕駛員松開油門踏板后車輛自由滑行，經(jīng)實車驗證取消行車能量回收設(shè)置松開油門踏板(0擋)能量回收功能后，節(jié)能效果＞5.7%。

參考文獻

[1]關(guān)長明，段元成，王健，新能源商用車再生制動控制策略設(shè)計研究[J].時代汽車,2024(9):143.

[2]徐亮亮，胡紅峰，制動能量回收標定研究[J].重型汽車,2022(12):7.

[3]周威力，封萬程，巨建輝,新能源商用車再生制動控制策略設(shè)計研究[J].汽車技術(shù),2024(1):28.

（原文刊發(fā)在《商用汽車》雜志2025年第3期）

作者:康孝峰    王凱陽    李俊善    謝召杰    陳海龍

一審:杜紅武/二審:王作函/三審:于晶

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