电动汽车制动能量回收系统研究

田枫，刘海洋，汤盼盼

（1．长安大学 汽车学院, 陕西 西安 710064；2. 安徽大学文学院，安徽 合肥 230039）

电动汽车制动能量回收系统研究

田枫1，刘海洋1，汤盼盼2

（1．长安大学 汽车学院, 陕西 西安 710064；2. 安徽大学文学院，安徽 合肥 230039）

为进一步提高电动汽车的能量利用率以提高其续驶里程，本文对电动汽车制动能量回收系统作了进一步研究。本文论述了电动汽车能量回收系统的原理并与传统制动系统进行比较，同时分析了机械制动与电机制动的分配关系并总结了复合制动与传统摩擦制动系统的区别，最后论述了电动汽车制动能量回收的约束因素。

电动汽车；制动；能量回收；原理

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-47-04

前言

随着环境污染与能源危机问题的日益严峻，新能源汽车成为了世界各国研究的热点。电动汽车使人们看到了解决环境污染和能源短缺问题最有效的途径和方法。研究表明，在城市行驶工况，大约有50%甚至更多的驱动能量在制动过程中损失掉[1]，郊区工况也有至少20%的驱动能量在制动过程损失掉。因此制动能量回收是提高电动车能量利用率的有效措施之一。

制动能量回收，又称回馈制动或再生制动，其可将车辆的部分动能转化为电能储存于电池中，同时施加电机回馈转矩减少传统制动器的磨损，且改善了整车动力学的控制性能[2]。因此，研究制动能量回收技术具有重要意义。

1、再生制动系统结构及其原理

1.1 传统汽车制动系统结构及原理

使行驶中的汽车减速直至停车，使下坡行驶的汽车速度保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动，这些作用统称为汽车制动。传统汽车的制动系统主要为摩擦制动，可分为鼓式制动和盘式制动两大类[3]。

传统制动系统由图1可见：

传统制动系统主要由四部分组成：供能装置，控制装置，传动装置和制动器。制动过程中驾驶员踩下制动踏板通过真空助力器作用到制动总泵上，再通过制动管路将制动油压传到四个车轮的制动器上，从而使得鼓式或盘式制动器进行各车轮的制动。

1.2 再生制动系统结构及其原理

1.2.1 再生制动系统基本结构

再生制动是电动车在保证制动效能的前提下，通过与驱动轴相连的能量转换装置把一部分能量转化为电能储存起来，达到回收制动能量目标的一种技术[4]。再生制动系统基本工作流程如图2所示：实线流程为再生制动能量回收过程；虚线流程为车辆驱动过程，本文主要研究实现部分的再生制动能量回收过程。

电动汽车的能量转换装置为电机，储能装置为蓄电池。再生制动即是电动汽车制动控制系统通过对相关功率器件开关状态的控制，实现电机转速、转矩大小与方向的改变，从而实现车辆从驱动状态切换到制动状态，进而将部分行进动能转换为电能回收到蓄电池中。

1.2.2 制动能量回收系统的基本原理

电动汽车制动能量回收是指汽车在减速制动时，将一部分机械能转化为其它形式的能量，存储在储能装置中，并加以利用。

电动汽车制动能量回收时，电机工作于再生制动运行状态，其电路原理图如图3 所示：制动过程中，在保证制动稳定性的前提下，控制电机两端电源断开，切断驱动电机转动电流，电机电枢两端接入一个高频开关电路，使该电路能够高频通断[5]。由于电机属于点感性设备，在高频通断过程中便会产生感应电动势Ea和感生电流i两者关系为：

式中，L为电机电感量；t为时间变量。

开关K闭合时，电机处于回路中，感应电流为制动电流Iz，即：

式中，Rd为电枢电阻，Rw为限流电阻。

开关K断开时，由于电感作用，|didt|会迅速上升，感应电动势Ea大小也随即升高，当其不断升高直至高于蓄电池电压U(即|Ea|〉U)时，电机电枢与蓄电池即形成回馈电路，感应电动势引起的感应电流Ie将流向蓄电池，Ie大小为：

电机再生制动过程实际就是电机在正转制动运行中电机电池通过回馈电路连接而形成的回馈制动过程，出一部分电量消耗于电枢负载外，其余都回流到蓄电池组，实现能量回收目标。

2、机械制动与电机制动的分配关系

在电动汽车的制动系统中，制动力分配如图4所示，制动力是由两部分力组成，一部分由传统的气/液压制动系统提供的摩擦制动力，另一部分是由电机提供的能量回收制动力。电动汽车的制动控制策略核心是在最大限度的实现能量回收的前提下，协调电机制动与机械摩擦制动力的分配关系。

汽车总的制动力由摩擦制动力与电机制动力共同作用。则有，

式中，Fb总的制动力；Fhyd机械摩擦系统提供的制动力；Fmot电机制动系统提供的制动力，m为汽车质量。

通常汽车制动过程可以分为紧急制动、正常制动、长下坡缓行制动三类[6]。

（1）紧急制动

（2）正常制动

该制动过程可分为减速过程和停止过程，其中减速过程对应的制动减速度小于。整车制动力主要由Fmot提供，在Fmot所提供的制动力不能满足制动要求时，摩擦制动力Fhyd才起作用。减速过程能够最大限度的利用再生制动力，使汽车减速的同时把动能转化成电能加以存储利用，停止过程主要由摩擦制动完成。因此正常制动情况下能够回收的制动能量较多。

（3）长下坡缓行制动

汽车长下坡，当制动力要求不大时，可完全由电机再生制动力Fmot提供，因此这部分能量也可以回收。当Fmot不能满足下坡制动要求时，摩擦制动力Fhyd才起作用。但由于下长坡的几率比较小，故回收能量情况较少。

3、复合制动系统与传统摩擦制动系统的对比[5]

（1）能量利用率

传统的制动系统，主要通过摩擦方式制动，在制动过程中把机械能通过摩擦转换成热能。而复合制动系统，可以把制动过程中的部分机械能转化成电能存储到储能元件加以再利用，从而增加了能量利用率。

（2）制动可靠性

在电动汽车长下坡时，因频繁制动摩擦，使制动副表面温度升高而失效，不稳定因素增加。而复合制动系统，可以减小摩擦制动器的使用频率，有效的降低制动副表面温度，提高了制动效能和制动安全性。

（3）续驶里程

传统的制动系统，把制动过程中的动能通过摩擦转换成热能的形式损失掉。而复合制动系统，可以吸收再利用这部分制动能量，很大程度的提高了电动汽车的续驶里程。

（4）维修保养

传统的制动系统，由于制动器以摩擦制动方式工作，需要经常更换刹车片，因此增加了车辆的维修保养费用。而带有制动能量回收装置的复合制动系统，可以有效的减小摩擦制动器的使用频率，降低车辆的维修保养费用。

4、电动汽车制动能量回收的约束条件

一般情况下其约束因素有储能装置、制动力分配比例、电机性能、驱动类型、行驶工况、符合驾驶习惯等[7]。

（1）储能装置。电动汽车上常用的储能装置有蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮等，其中最主要的还是蓄电池，因此，在制动能量回收时要充分考虑蓄电池的状态，如果电池SOC值超过上限值，为保护电池则不应充电[8]。

（2）制动力分配比例。制动过程中，对车辆制动安全性的要求是第一位的。需要找到机械制动与电制动的最佳结合点，在确保制动安全性的前提下，最大限度的回收制动能量[9]。

（3）电机性能。作为再生制动系统的关键部件，电机的制动能力越好，就可在分配再生制动力与机械制动力时提高再生制动力比例，提高制动能量回收效果。此外电机的发电效率对制动能量回收有很大影响。

（4）驱动类型。从车型角度考虑，制动过程中能够回收能量均只是驱动轮上的行驶动能，而从动轮上的动能只能依靠机械摩擦制动产生的热量消耗掉。因此，在保证制动安全的前提下，尽可能多的向驱动轮分配制动力有利于提高制动能量回收效率。

（5）行驶工况。若电动汽车行驶在城市交通较拥挤道路上，需要频繁起步、加速、减速，则制动工况较多，能够增加能量回收效果；若电动汽车行驶在高速公路，很少出现制动减速工况，则制动能量回收较少。

（6）符合驾驶习惯。应充分考虑电动汽车驾驶人和乘客的舒适性，对于传统的摩擦制动系统，制动踏板开度角的大小与制动力矩成正比[10]。则在具有能量回收系统的电动汽车制动过程中，驾驶人对制动踏板的感觉应尽可能与传统的制动过程相近[9]。

5、总结

本文在对传统制动系统与电动汽车回馈制动系统的基础上论述了其制动能量回收的原理以及机械摩擦制动力与电机回馈制动力的分配关系得出了在最大比例回收能量条件下的分配关系图，并将复合制动系统与传统机械摩擦制动系统在能量利用率、制动可靠性、续驶里程、维修保养方面作比较得出复合制动的优缺点，最后通过分析论证得出制动能量回收系统的约束条件储能装置、制动力分配比例、电机性能、驱动类型、行驶工况、符合驾驶习惯等，为今后继续发展制动能量回收系统指明了方向。

[1] Gao Y M, Chen L P, Ehsani M. Investigation of the effectiveness ofregenerative braking for EV and HEV [C].SAE Paper1999-01 -2910,1999.

[2] 张俊智,吕晨,李禹橦等.电驱动乘用车制动能量回收技术发展现状与展望[J]汽车工程,2014.36 (8) :911-918.

[3] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册(设计篇).人民交通出版社.2001.

[4] 刘宠誉.纯电动汽车再生制动控制策略与仿真研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[5] 赵轩.电动汽车制动能量回收系统仿真及控制器设计[D].西安:长安大学,2010.

[6] 吴颖杰,王君艳,贡俊.能量回馈制动在电动汽车中的应用[J]上海:上海电机学院学报.1671-2730(2006)03-0052-04.

[7] 张欣.电动汽车制动能量回收系统研究[D].重庆:西南交通大学,2011.

[8] 张培斌.电动汽车再生制动控制的研究和仿真[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[9] 彭栋,殷承良,张建武.混合动力汽车能量回收制动控制策略研究[J].上海:高技术通讯,2007(8)-17-8.

[10] 刘博.基于纯电动汽车的制动能量回收系统的研究与实现[D].北京二清华大学,2004.

3.2 EGR对柴油机工作性能的影响

由于柴油机燃烧时过量空气系数总是大于1，排气中的氧含量比汽油机高得多，CO2浓度要小得多，因而必须使用比汽油机更大的EGR率才能有效降低NOX。一般汽油机的EGR率不超过20%，而直喷式和非直喷式柴油机的EGR率可分别超过40%和25%。[4]由于废气的温度比新鲜空气的温度高，随着EGR率的增加，进气温度会提高;而柴油机负荷和排气温度的增加又会进一步提高引入废气的温度，随着EGR率的增加，进气温度会进一步增加。由于废气的引入使进气的温度升高，在低负荷时因喷入柴油机的燃油量较少，使着火延长期减少; 而在大负荷时，因喷入的燃油量增大，由于废气的引入使燃气中的氧浓度变小而对着火不利，使着火延长期增大。

采用EGR可使NOX明显降低的原因除由于大量隋性气体阻碍了燃烧的快速进行及混合气的比热容增大使燃烧温度降低(EGR率为20%和25%时，燃烧最高温度比无EGR时分别低50e和100e左右)外，EGR对进气加热和稀释造成实际的过量空气系数下降也是重要原因。因此，在NOX降低的同时，尤其在较大负荷时，碳烟和油耗会随之恶化，可采用冷却EGR的方法使发动机性能恶化的趋势受到抑制。由于燃烧速度的减慢，可使压力升高比下降，既可改善柴油机工作的粗暴性，且随EGR率的增大而更明显，还可使最高爆发压力降低，且最高爆发压力的出现角度前移。

4、EGR应用的难点及发展展望

目前怎样把EGR运用于所有的速度和负荷，仍是一个有待解决的问题。尤其是内燃机在高负荷区运行时，如何在保证足够的动力性的同时，使用EGR降低NOx的排放是一个重要的课题，采用各种EGR的处理措施，如EGR冷却、EGR氧化和EGR燃油重整等为解决此问题提供了努力的方向，其中EGR冷却目前已进入实用化阶段。[5]对EGR的作用机理的深入研究是必要的，其中包括EGR中各种化学成分以及各种物性参数对工作的影响。由于大量使用EGR可能引起内燃机性能的不稳定，这样，处于最优控制状态下实际使用的最大EGR率就要变小，EGR的作用就得不到最充分的发挥。充分的EGR控制需要对实际的EGR率和燃烧质量监测，要建立足够的反馈控制机制，在这方面还有待我们进一步研究。

参考文献

[1] 龚金科.汽车排放及控制技术.北京鑫正大印务有限公司，2009.

[2] 张兴安，孙大许.JakeBrake 发动机制动原理及使用维修[J].汽车维修，2010，(06).

[3] 周松，肖友洪，朱元清.内燃机排放与污染控制.北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 周庆辉.现代汽车排放控制技术.北京大学出版社，2010.

[5] 苏万华，赵华，王建昕等．均质压燃低温燃烧发动机理论与技术[M]．科学出版社，北京：2010，6．

Braking Energy Recovery System for Electric Vehicle

Tian Feng1, Liu Haiyang1, Tang Panpan2
(1.Automobile Institute,Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064; 2.Anhui University, Liberal College, Anhui Hefei 230039）

To further enhance the energy efficiency of electric vehicles in order to improve their driving range，In this paper, the electric vehicle braking energy recovery system has been further studied. This paper discusses the principle of energy recovery system for electric vehicles and compares with conventional braking systems. Also analyzed the distribution relationship between the mechanical brake system and motor brake system, and this paper summarizes the differences between conventional composite brake and friction braking system. Finally, it discusses the constraints of electric vehicles braking energy recovery.

Electric vehicle; braking; energy recovery; principle;

U463.5

A

1671-7988(2015)02-47-04

田枫，就读于长安大学汽车学院车辆工程专业。