山東省德州學(xué)院汽車工程系 袁鈺超 于士軍

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

山東省德州學(xué)院汽車工程系 袁鈺超 于士軍

汽車的續(xù)航能力與蓄電池的儲(chǔ)電量是息息相關(guān)的，由于電池容量有限，因此通過(guò)對(duì)再生制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用可以使部分能源進(jìn)行二次利用，間接達(dá)到增加汽車?yán)m(xù)航能力的目的。本文通過(guò)研究汽車電機(jī)、機(jī)械制動(dòng)、半軸等部件協(xié)調(diào)工作，使能量回收系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上得以體現(xiàn)。

電動(dòng)汽車；制動(dòng)能量回收；提高續(xù)航力

引言

隨著城市化生活的日益繁榮，城市污染也變得日益嚴(yán)重。截至2015年全中國(guó)私家車數(shù)量已達(dá)12435萬(wàn)輛之多。汽車尾氣對(duì)大氣造成的破壞如霧霾等，世人已有目共睹，因此發(fā)展新能源汽車對(duì)改善環(huán)境有巨大的意義。電動(dòng)汽車便是新能源汽車中的佼佼者，目前電動(dòng)汽車搭載的為蓄電池，為保持汽車充足的續(xù)航能力為其配備超大容量的蓄電池是關(guān)鍵，但是就目前技術(shù)而言除了增加蓄電池的容量外，要想掌握增大電池能量的存儲(chǔ)技術(shù)還需要時(shí)間，因此回收電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量，提高能量的利用率，可以間接地增大汽車的續(xù)航能力。本文對(duì)將汽車機(jī)械制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，再儲(chǔ)存至電池，進(jìn)行制動(dòng)能量回收的系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 制動(dòng)原理

1.1 傳統(tǒng)汽車制動(dòng)原理

在行駛過(guò)程中的汽車停車或者減速，使在下坡行駛中的汽車保持穩(wěn)定速度行駛，以及使已經(jīng)停止行駛的汽車保持靜止，這些作用稱為汽車制動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)，必須在汽車上安裝一系列專門設(shè)備，一方面駕駛員能根據(jù)交通和道路等情況，使路面對(duì)汽車車輪施加一定與汽車行駛方向相反的力，對(duì)汽車進(jìn)行一定強(qiáng)度的強(qiáng)制制動(dòng)。這種可以控制的，對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)的外力稱為制動(dòng)力。這樣一系列的專門裝置便稱為制動(dòng)系統(tǒng)。

再生制動(dòng)也叫反饋制動(dòng)，是一種應(yīng)用在電動(dòng)車輛上的制動(dòng)技術(shù)。在制動(dòng)時(shí)把車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)再生制動(dòng)就是把電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，汽車的動(dòng)能被轉(zhuǎn)換為電能，與此同時(shí)再生制動(dòng)會(huì)把電力儲(chǔ)存起來(lái)或者通過(guò)電路輸送出去，再次循環(huán)利用。使用再生制動(dòng)的汽車依然會(huì)產(chǎn)生機(jī)械制動(dòng)。就目前技術(shù)而言一般的再生制動(dòng)利用率約為31.24%，其余的動(dòng)能還是會(huì)變成熱能，不過(guò)效率根據(jù)不同使用的環(huán)境也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。

2 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)運(yùn)用速度控制方法，當(dāng)車輛在正常情況下行駛時(shí)，蓄電池通過(guò)再生控制系統(tǒng)至電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)的電控單元與逆變器一起控制電機(jī)的輸出扭矩。當(dāng)汽車處于再生制動(dòng)情況時(shí)，再生制動(dòng)控制器會(huì)接受電機(jī)控制器中的制動(dòng)信號(hào)，通過(guò)控制算法控制再生控制器中的雙向DC/DC變換器，使再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量以最大效率儲(chǔ)存至電容。當(dāng)車輛起步或者爬坡時(shí)，再生控制器接收電機(jī)的加速信號(hào)，控制雙向DC/DC變換器將電容中的能量升壓，先驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在達(dá)到預(yù)定值的時(shí)候再變回，由蓄電池供電。

圖1 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)圖

2.2 系統(tǒng)的控制策略

為保持車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性和安全性，使具有能量收回的功用在電動(dòng)汽車上得以最大限度的表現(xiàn)，開發(fā)了新的制動(dòng)控制系統(tǒng)。在不改變汽車原有的機(jī)械制動(dòng)的前提下，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供扭矩作用于驅(qū)動(dòng)輪。

在防抱死系統(tǒng)中，直接接收來(lái)自四個(gè)車輪傳動(dòng)速度、加速度的監(jiān)測(cè)信息，進(jìn)行制動(dòng)控制，制動(dòng)能量回收單元通過(guò)低通濾波器輸入各車輪的加速的信息可求得各車輪的旋轉(zhuǎn)加速的DVW，與此同時(shí)直接進(jìn)行檢測(cè)每個(gè)車輪的瞬間加速度判斷路況優(yōu)劣并進(jìn)行制動(dòng)力的分配；另一方面在汽車制動(dòng)中可以通過(guò)制動(dòng)踏板的行程來(lái)衡量電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)扭矩。制動(dòng)控制通過(guò)對(duì)司機(jī)踩下制動(dòng)踏板的行程量、速度、加速度做出預(yù)測(cè)，再結(jié)合實(shí)際車速、道路情況所需的制動(dòng)力大小，分配前后輪制動(dòng)力的比例；最后根據(jù)電機(jī)的扭矩特性，決定再生制動(dòng)力的大小，確定摩擦力制動(dòng)力與再生制動(dòng)力之間的比例以及具體數(shù)值。在滿足汽車駕駛?cè)藛T制動(dòng)需求以及防止輪胎抱死的前提下，盡可能多的為驅(qū)動(dòng)輪提供由電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)力。

圖2 系統(tǒng)控制策略

當(dāng)車輛行駛于路況良好的路面時(shí)，計(jì)算得出滿足上述動(dòng)力蓄電池的能量回收能力的比例分配閥P（當(dāng)制動(dòng)液壓達(dá)到某規(guī)定數(shù)值時(shí)，前輪的制動(dòng)液壓增量不變，而后輪液壓的上升值則按一定比例減少）并將液壓閥的開閥值設(shè)定為P。求得制動(dòng)泵壓力關(guān)聯(lián)的能量回收扭矩，按照得出的回收扭矩值控制逆變器。當(dāng)判斷出車輛處于路況惡劣的道路時(shí)，電機(jī)和制動(dòng)能量回收系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)逐級(jí)遞減制動(dòng)能量的回收，最終關(guān)閉制動(dòng)能量的回收，只進(jìn)行傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)。

2.3 電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制電路的設(shè)計(jì)

黃鼠狼竄到了男知青這邊,大家的注意力轉(zhuǎn)移到了黃鼠狼身上,沒有人再搭理趙天亮,他這才從麻袋底下鉆出來(lái),大大地喘了幾口氣。還沒等他定下神來(lái),哨聲從倉(cāng)庫(kù)外傳了進(jìn)來(lái)。

當(dāng)電機(jī)工作處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)逆變器接收來(lái)自蓄電池的電力供應(yīng)，逆變器則按照來(lái)自蓄電池的控制信號(hào)使蓄電池的直流電直接轉(zhuǎn)化為交流電，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再回收，電路圖如圖3所示。

圖3 制動(dòng)能量回收電路

具體工作原理如下：

（1）將電機(jī)電樞的電流斷開；

（2）電機(jī)電樞兩側(cè)接入一個(gè)開關(guān)，使之處于高頻通斷狀態(tài)；

2.4 制動(dòng)能量回收率

2.4.1 可回收率

制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)能量除去克服地面摩擦力與空氣阻力外，剩余的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，部分機(jī)械能可回收再利用。可回收率ηQ定義為：制動(dòng)時(shí)半軸回收能量Ef占整車動(dòng)能變化Ed的百分比。

T為扭矩，m為質(zhì)量，N為轉(zhuǎn)速，V2是制動(dòng)初速度，V1是制動(dòng)末速度。

2.4.2 轉(zhuǎn)化率

半軸上，機(jī)械能經(jīng)發(fā)電系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能的效率。轉(zhuǎn)化率ηt定義為：蓄電池充電能量Er占半軸回收能量Et百分比。

U是電池充電電壓，I是充電電流。

2.4.3 回收率

制動(dòng)所回收的能量用儲(chǔ)存在電池的回收能量體現(xiàn)?；厥章师莢為蓄電池充電能量Er占整車動(dòng)能變化量Ez的百分比。

3 總結(jié)

本文在傳統(tǒng)制動(dòng)與電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有效分配機(jī)械制動(dòng)與電制動(dòng)比，使得在確保汽車安全性的前提下，最大限度回收電動(dòng)汽車能量。整體系統(tǒng)對(duì)原系統(tǒng)改動(dòng)小，成本低，可靠性強(qiáng)。通過(guò)對(duì)制動(dòng)過(guò)程中的電機(jī)控制與傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)控制相分配達(dá)到能量回收再利用的目的。最后說(shuō)明電動(dòng)汽車的復(fù)合制動(dòng)的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)。

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