新能源商用车能量回收控制研究

摘要：能量回收是新能源商用车节能的重要手段之一。本文介绍了能量回收的结构和原理，通过研究行车能量回收和制动再生能量回收的控制策略和回收效率，基于整车性能选择最佳的能量回收方式组合并进行控制优化，实现整车制动安全和节能，最后通过实车验证，确定所提能量回收方式组合及控制优化的有效性。

关键词：新能源商用车；能量回收；节能；控制策略

中图分类号：U461    

DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.03.019

0    引言

新能源商用车渗透率不断上升，如何降低电耗也已成为各主机厂竞争热点。采用高效电机以及进行能量回收，可使其综合效率较传统燃料大幅提升。其中，能量回收是通过车辆减速反向拖动电机发电而实现，分为行车能量回收和制动再生能量回收。行车能量回收主要是松开油门自动回收能量(0挡)和手动激活能量回收控制挡位来回收能量；制动再生能量回收是通过踩下制动踏板同步激活电机制动实现能量回收。

本文通过研究行车能量回收和制动再生能量回收的控制策略，选择最佳的能量回收方式组合并进行控制优化，实现整车制动安全和节能，最后通过实车验证确定所提能量回收方式组合及控制优化的有效性。

1    能量回收系统结构及控制原理

1.1    能量回收系统结构

新能源商用车能量回收系统的主要组成部件[1]及其功能如下。图1为系统结构组成示意图。

(1)制动脚阀：控制制动气体的通断和压力，实现车辆制动。

(2)前后桥制动模块：接收来自制动控制单元的信号，控制制动气室的通断。

(3)制动气室：推动自调机构，使摩擦块与制动盘接触并施加压力而产生制动力，使车辆减速或停止。

(4)储气筒：储存压缩空气，为制动系统提供动力源。

(5)制动控制单元：根据驾驶员的制动指令和车辆行驶状况，计算并输出制动力分配指令；

(6)电机控制器：控制电机运行，实现电机驱动或制动。

(7)电机：在车辆行驶时，作为驱动电机使用，变速器、传动轴和驱动桥将电机的正扭矩传递给车轮，驱动车辆向前行驶。在车辆制动时，作为发电机使用，可将机械能转化为电能，回收制动能量；同时，变速器、传动轴和驱动桥将电机的负扭矩传递给车轮，阻止车辆向前行驶。

(8)能量回收控制手柄：车辆行驶过程中有减速需求时，驾驶员也可以控制能量回收控制手柄挡位，待电机控制器收到能量回收控制手柄挡位信号后，控制电机运行，实现电机制动减速。

(9)动力电池：在可用SOC范围储存再生制动回收的电能。 

(10)管路连接各部件：传递压缩空气。

当驾驶员踩下制动踏板时，制动控制单元根据驾驶员的制动指令和车辆行驶状况，计算并输出制动力分配指令；制动控制单元将指令发送给前后桥制动模块，前后桥制动模块控制制动气室压力产生制动力，使车辆减速或停止。同时，电机控制器根据制动控制单元分配的负扭矩指令，控制电机的运行，电机在车辆制动时作为发电机使用，将制动能量转化为电能，并储存到电池中。

1.2    能量回收控制原理

能量回收是通过车辆减速反向拖动电机发电而实现，分为行车能量回收和制动再生能量回收。

(1)行车能量回收：是驾驶员通过松开油门踏板(已设置0挡能量回收车型)或者控制能量回收控制手柄挡位后，待电机控制器收到能量回收控制手柄挡位信号后，控制电机运行，实现电机制动和车辆减速。

(2)制动再生能量回收[2] ：驾驶员踩下制动踏板，待制动控制单元收到制动请求后，系统根据驾驶员的制动指令和车辆行驶状况，计算并输出制动力分配指令，电机控制器控制电机的运行，实现电机制动。制动再生能量回收常用的有以下2种：

一种是叠加式能量回收。踩下制动踏板时，电机按照控制策略标定的车速与电机负扭矩关系持续输出负扭矩，实现能量回收。在踩下制动踏板过程中，气制动也会输出相应的制动力，如图 2所示。叠加式能量回收的优点是制动稳定性和制动性能好，缺点是未实现制动能量的完全回收，有一部分能量会通过制动盘(刹车盘)摩擦发热转换为热能浪费掉。

另外一种是协调式能量回收。踩下制动踏板时，电机按照控制策略标定的车速与电机负扭矩以及制动踏板开度b%的关系持续输出负扭矩，实现能量回收。当制动踏板开度＜b%时，踩下制动踏板的制动力100%由电机提供；当制动踏板开度＞b%时，踩下制动踏板时，电机100%输出负扭矩，不足的制动力由气制动补偿，如图 3所示。协调式能量回收的优点是，在车速＞4 km/h制动时优先采用电机制动，电机制动时可持续回收能量，制动不足部分由气制动提供，除紧急制动外很少应用气制动，从而大幅降低刹车盘的磨损；缺点是，在车速≤4 km/h制动时，需从电制动逐步切换为气制动，控制不精确时会影响制动平顺性[3]。

2    基于整车性能的能量回收方式组合及优化

2.1    能量回收组合

当前新能源商用车行车能量回收技术已较为成熟，只是不同主机厂的能量回收控制挡位数与标定能量回收比例存在差异。2024年以前，制动再生能量回收主要以叠加式能量回收为主，之后各个主机厂陆续开发应用协调式能量回收系统。能量回收组合方式如表1所示。

2.2    能量回收效率

能量回收效率的主要影响因素有电机驱动及发电效率、电池充放电效率、功耗电子器件转换效率、机械传动效率、制动策略与工况。

电机在驱动模式下(转换)效率可实现93%～95%；但受到电磁和铜损等影响，新能源商用车在用的永磁同步电机在发电模式下的转换效率通常略低于驱动模式，约为80%～90%；能量回收时需经电池充电，但受电池内阻、SOC(电量状态)、温度等影响，充电效率约为80%～95%，回收电量放电时受内阻、工作电压范围、比能量和能量密度、化学结构稳定性、环境温度、放电塑料和循环次数等影响，放电效率约在85%～98%之间；逆变器、DC-DC转换器等环节损耗，功耗电子器件转换效率约90%～95%；受变速器、传动轴、驱动桥轴承及齿轮摩擦损耗影响，机械传动效率约为88%～93%；制动策略电制动与气制动的制动力分配和车速与负载(低车速时回收效率低，中高速时效率较高)也影响能量回收效率，这个效率不易量化，不参与后续总体效率计算。

将上述影响因素的效率进行乘积计算后才是能量回收的总效率。因不同品牌电机、电池、功耗电子元件和机械传动结构存在差异，本文按照最大和最小效率，计算出能量回收总效率范围在35.3%～65.4%之间，具体如表2所示。

2.3    基于整车性能的能量回收组合控制优化

2024年之前的“行车能量回收+叠加式制动能量回收”，由于叠加式制动能量回收不能实现全电机制动，一般行车能量回收都会设置松开油门踏板(0挡)能量回收，将车速进行预减速，确需制动时踩制动踏板或采用更改挡位行车能量回收进行制动。2024年之后，随着“行车能量回收+协调式制动能量回收”方式的批产应用，踩制动踏板开度＜b%以前可以实现全电机制动，考虑到能量回收总效率范围在35.3%～65.4%之间，并未实现能量的100%回收。本文采用的“行车能量回收+协调式制动能量回收”控制中，取消行车能量回收设置松开油门踏板(0挡)能量回收功能，在车辆行驶过程中无减速需求时驾驶员松开油门踏板后车辆自由滑行；根据能量守恒原则，可实现车辆滑行惯性力的100%回收，节能效果优于松开油门踏板(0挡)能量回收35.3%～65.4%效率。需要减速时，通过轻踩制动踏板或采用Ⅰ挡及以上挡位行车能量回收进行制动。 

2.4    能量回收控制优化后效果验证

选定某款8×4新能源混凝土搅拌车，采用电机+4挡AMT，配备磷酸铁锂电池，在某搅拌站选择2辆车，均采用“行车能量回收+协调式制动能量回收”控制方式；1号车采用松开油门踏板(0挡)能量回收10%，2号车松开油门踏板后车辆自由滑行。同工况同路线验证数据见表3；2号车较1号车节能＞5.7%。

3    结论

(1)介绍能量回收系统结构及控制原理，明确叠加式能量回收和协调式制动能量回收优劣势。

(2)介绍行车及制动再生能量回收组合方式，明确能量回收总效率范围在35.3%～65.4%之间。

(3)对基于整车性能的能量回收组合进行控制优化，最终针对“行车能量回收+协调式制动能量回收”组合方式，取消行车能量回收设置松开油门踏板(0挡)能量回收功能，车辆行驶过程中无减速需求时驾驶员松开油门踏板后车辆自由滑行，经实车验证取消行车能量回收设置松开油门踏板(0挡)能量回收功能后，节能效果＞5.7%。

参考文献

[1]关长明，段元成，王健，新能源商用车再生制动控制策略设计研究[J].时代汽车,2024(9):143.

[2]徐亮亮，胡红峰，制动能量回收标定研究[J].重型汽车,2022(12):7.

[3]周威力，封万程，巨建辉,新能源商用车再生制动控制策略设计研究[J].汽车技术,2024(1):28.

（原文刊发在《商用汽车》杂志2025年第3期）

作者:康孝峰    王凯阳    李俊善    谢召杰    陈海龙

一审:杜红武/二审:王作函/三审:于晶

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