德州學院　陳琪　高興超

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的設計與重要技術

德州學院陳琪高興超

由于電動汽車的動力性和續(xù)航里程遠不及傳統(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。汽車減速制動時產生的慣性能量通過傳動系統(tǒng)使電動機在發(fā)電狀態(tài)下工作，并將產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提升電動汽車的動力性和延長電動汽車續(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)，由電動機驅動的汽車，它和傳統(tǒng)汽車的主要區(qū)別在于驅動電機、調速控制器、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。純電動汽車驅動電機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，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，電動汽車去除了內燃機，取而代之的是電池組，電池組供電給電動機，電動機帶動傳動系統(tǒng)，從而驅使車輛行駛。

蓄電池——電流——電力調節(jié)器——電動機——動力傳動系統(tǒng)——驅動汽車行駛

3　能量回收系統(tǒng)

3.1概念

制動能量回收系統(tǒng)是一種能夠將汽車制動時所產生的制動熱能轉換成電能，并可以將轉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)，電動汽車里程將得到明顯改善，研究表明，在城市道路條件下，有約50%以上的驅動能量在制動過程中損失，即使是在郊區(qū)道路條件下驅動能量也有至少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；CD為風阻系數；A為迎風面積；Ua為車速；δ為旋轉質換算系數量；m為車輛質量。

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、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)，逆變器和電機屬于電機控制單元控制，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工作于電動與發(fā)電模式，實現汽車的正常行駛與制動。制動能量回收路徑與動力傳輸的路徑是反方向的。

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生的熱量并將其轉化成電能為電池組充電，方法就是該系統(tǒng)通過驅動電動機的控制電路使電動機在發(fā)電狀態(tài)下運行，從而得到制動力再生利用。當汽車減速制動時，通過控制系統(tǒng)，將驅動發(fā)電機變?yōu)榘l(fā)電機工作，在車輛減速的同時帶動發(fā)電機發(fā)電，將產生的電能回收到蓄電池儲存起來。通常有前輪驅動制動能量回收系統(tǒng)和全輪驅動制動能量回收系統(tǒng)兩種制動回收系統(tǒng)。

3.3前輪驅動制動能量回收

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。發(fā)生再生制動的時候，再生制動產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)及其控制閥會產生最大制動力，電動機通過傳動系統(tǒng)接受汽車行駛時產生的慣性能量，電動機以發(fā)電方式運轉。電機轉子軸上的動能被轉換為電能，電能通過逆變器上的反向二極管被轉移到直流側，實現能量的再生和利用。同時，驅動輪也會受到電機的制動力矩的作用，產生制動力。

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目前的電動機、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，并且依據分配得到的摩擦制動力控制液壓控制單元，電動機控制器(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行，就可以實現制動能量最大程度的回收。但是電動機的發(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，比如電動機的發(fā)電功率和動力電池的充電功率等，也就相當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，所以當再生制動力較大時很容易導致前、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

通常情況下，當動力電池充電效率為100%時，電動機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。如果將制動產生的能量轉化為電能儲存起來或者再次用于制動，這相當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,2015.

[2]余志生.汽車理論[M].機械工業(yè)出版社,2009.

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