電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的設(shè)計與重要技術(shù)

德州學(xué)院　陳琪　高興超

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的設(shè)計與重要技術(shù)

德州學(xué)院陳琪高興超

由于電動汽車的動力性和續(xù)航里程遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)汽車，如何提高電動汽車的動力性和續(xù)航里程成了電動汽車發(fā)展道路上亟待解決的問題。汽車減速制動時產(chǎn)生的慣性能量通過傳動系統(tǒng)使電動機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下工作，并將產(chǎn)生的電能儲存到動力電池中，通過這種制動能量回收的方法來實現(xiàn)提升電動汽車的動力性和延長電動汽車?yán)m(xù)航里程的目的。

電動汽車；再生制動；能量回收

1　電動汽車的概念

純電動汽車是以車載動力電池為能源系統(tǒng)，由電動機(jī)驅(qū)動的汽車，它和傳統(tǒng)汽車的主要區(qū)別在于驅(qū)動電機(jī)、調(diào)速控制器、動力電池、車載充電器四大部件。一般有混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車。純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的功率和性能決定了電動汽車時速和啟動速度的快慢，而動力電池的容量則決定了電動汽車能夠跑多遠(yuǎn)，也就是其續(xù)航里程的長短。所以為了延長續(xù)航里程，我們將減少能量損失，將部分能量回收達(dá)到能量循環(huán)使用的目的。

2　電動汽車的工作原理

和傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車去除了內(nèi)燃機(jī)，取而代之的是電池組，電池組供電給電動機(jī)，電動機(jī)帶動傳動系統(tǒng)，從而驅(qū)使車輛行駛。

蓄電池——電流——電力調(diào)節(jié)器——電動機(jī)——動力傳動系統(tǒng)——驅(qū)動汽車行駛

3　能量回收系統(tǒng)

3.1概念

制動能量回收系統(tǒng)是一種能夠?qū)⑵囍苿訒r所產(chǎn)生的制動熱能轉(zhuǎn)換成電能，并可以將轉(zhuǎn)化后的電能儲存到車載電池組中，在使用的時候能迅速將其釋放的系統(tǒng)。有了這套系統(tǒng)，電動汽車?yán)锍虒⒌玫矫黠@改善，研究表明，在城市道路條件下，有約50%以上的驅(qū)動能量在制動過程中損失，即使是在郊區(qū)道路條件下驅(qū)動能量也有至少20%在制動過程中消耗掉。

3.2工作原理

一般情況下，汽車在行駛過程中將受到空氣、坡度、加速以及地面滾動等幾種阻力的共同作用，其中坡度阻力用于爬坡行駛情況，加速阻力用于加速行駛情況，這幾種力的計算公式分別為：

同時由牛頓定律可知，在行駛中汽車的驅(qū)動力Ft和總阻力是互相平衡的，即：

α為坡度角，μ為摩擦系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；Ua為車速；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)換算系數(shù)量；m為車輛質(zhì)量。

考慮理想情況，汽車在平坦道路上制動時，沒有坡度和加速這兩方面阻力的作用，且可不計較小的滾動阻力矩和空氣阻力。故此時汽車只存在摩擦制動力，如圖1所示

圖1　

當(dāng)汽車前后輪同時抱死時，地面附著力得到充分利用，此時制動效率最高，制動距離最短，并有良好的穩(wěn)定性，汽車前輪制動力Ft和后輪制動力Ft分別等于最大地面制動力。

純電動汽車制動能量回收系統(tǒng)主要由整車控制器、儲能系統(tǒng)(電池組)、DC/DC變換器、逆變器、直流電機(jī)、液壓系統(tǒng)以及傳動裝置等幾部分組成。整車控制器控制能量管理系統(tǒng)和電機(jī)控制單元，其中電池和DC/DC變換器屬于能量管理系統(tǒng)，逆變器和電機(jī)屬于電機(jī)控制單元控制，電池為整個系統(tǒng)提供能量并回收能量，整車控制器通過控制DC/DC變換器和逆變器來控制電機(jī)工作于電動與發(fā)電模式，實現(xiàn)汽車的正常行駛與制動。制動能量回收路徑與動力傳輸?shù)穆窂绞欠捶较虻摹?/p>

摩擦制動和再生制動這兩個系統(tǒng)共同組成了電動汽車的制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用電動汽車減速制動時產(chǎn)生的熱量并將其轉(zhuǎn)化成電能為電池組充電，方法就是該系統(tǒng)通過驅(qū)動電動機(jī)的控制電路使電動機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下運(yùn)行，從而得到制動力再生利用。當(dāng)汽車減速制動時，通過控制系統(tǒng)，將驅(qū)動發(fā)電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工作，在車輛減速的同時帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將產(chǎn)生的電能回收到蓄電池儲存起來。通常有前輪驅(qū)動制動能量回收系統(tǒng)和全輪驅(qū)動制動能量回收系統(tǒng)兩種制動回收系統(tǒng)。

3.3前輪驅(qū)動制動能量回收

制動能量回收只發(fā)生在前輪，前輪制動系統(tǒng)的制動力矩和再生制動系統(tǒng)的制動力矩與制動系統(tǒng)的摩擦制動力矩有關(guān)。發(fā)生再生制動的時候，再生制動產(chǎn)生的能量會通過再生制動控制模塊回收并將其儲存到電池組中，電動汽車上的防抱死系統(tǒng)及其控制閥會產(chǎn)生最大制動力，電動機(jī)通過傳動系統(tǒng)接受汽車行駛時產(chǎn)生的慣性能量，電動機(jī)以發(fā)電方式運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的動能被轉(zhuǎn)換為電能，電能通過逆變器上的反向二極管被轉(zhuǎn)移到直流側(cè)，實現(xiàn)能量的再生和利用。同時，驅(qū)動輪也會受到電機(jī)的制動力矩的作用，產(chǎn)生制動力。

3.4制動能量回收控制策略

制動過程中，駕駛員的制動意圖與所希望達(dá)到的制動效果被制動控制ECU通過檢測傳感信號識別出來，車速、蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）等信息通過整車控制器VMS傳遞到制動控制ECU；再生制動控制策略根據(jù)目前的電動機(jī)、動力電池和車輛狀態(tài)等信息計算出最優(yōu)的再生制動力和摩擦制動力，并且依據(jù)分配得到的摩擦制動力控制液壓控制單元，電動機(jī)控制器(MCU)會收到通過分配得到的再生制動力的傳輸信號，如圖2所示。

圖2　

3.5制動力分配

從制動能量回收角度來看，要想回收更多的制動能量就需要更多的再生制動力參與制動，但前、后制動力分配也就越來越偏離理想的制動力分配。所以制動力的分配就會受到很多限制，不僅要使制動效能得到保證，還要盡可能多的回收能量。

理論上說汽車的制動完全由再生制動力進(jìn)行，就可以實現(xiàn)制動能量最大程度的回收。但是電動機(jī)的發(fā)電能力和動力電池的充電能力都是有限的。因此，可回收制動功率就會受到諸多限制，比如電動機(jī)的發(fā)電功率和動力電池的充電功率等，也就相當(dāng)于再生制動力的最大值受到了限制。

由于再生制動力只能施加在前軸，所以當(dāng)再生制動力較大時很容易導(dǎo)致前、后制動力的大小超過ECE法規(guī)。因此，必須使用ECE法規(guī)約束制動力分配，以保證在汽車制動時還具有良好的方向穩(wěn)定性和足夠的制動效能。

4　總結(jié)

通常情況下，當(dāng)動力電池充電效率為100%時，電動機(jī)效率和制動回饋的效率是50%，以車輛總消耗能量的50%用于獲得車輛動能為設(shè)定條件，基于能量守恒而解析計算得到：采用再生制動能量回收，可提高車輛續(xù)航里程33%。以電動汽車為研究對象，蓄電池為能量回收系統(tǒng)的裝置，制動能量回收是提高能量利用率的有效措施，對汽車的節(jié)能環(huán)保有著重要作用。如果將制動產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能儲存起來或者再次用于制動，這相當(dāng)于提高了蓄電池的容量，這樣做電動汽車的續(xù)航里程便會得到很大的提升.

[1]陳贊.純電動汽車制動能量回收控制[J].重慶：重慶科技大學(xué),2015.

[2]余志生.汽車?yán)碚揫M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]佚名.詳解電動汽車制動能量回收系統(tǒng)[J].汽車維護(hù)與修理,2014.02.09.