车辆制动能量回收利用及控制策略探讨

李晋泽，冯 文

（中国人民解放军63820部队五七五工厂，四川 绵阳 621000）

车辆制动能量回收利用及控制策略探讨

李晋泽，冯 文

（中国人民解放军63820部队五七五工厂，四川 绵阳 621000）

制动能量回收利用技术是当今解决车辆造成的能源短缺和环境污染等问题的重要方法之一。本文基于国内外常见的能量回收技术的发展现状，综合评述能量回收系统的优缺点，并对比这些优缺点归纳各个系统的应用范围，最后总结国内外常用的控制策略，从结构复杂程度、制动稳定性及制动能量回收效率3个方面进行对比分析，指出当前我国在这一领域研究的困难和不足，展望制动能量回收技术的应用发展前景。

制动能量；回收利用；储能系统；控制

在目前现实生活中，汽车已逐渐成为人们消费范围内必不可少的交通工具。随着汽车保有量的不断增加，其带来的负面影响也日趋严重。例如：消耗大量的燃油资源、排放大量废气及产生噪声等环境污染。

为解决能源紧缺及环境污染问题，世界各国汽车厂商都将新能源汽车作为解决的热点。其中包括：燃料电池汽车、纯电动汽车、氢能汽车以及太阳能汽车等。目前，我国在新能源汽车研究中以纯电动汽车的发展最为迅猛。但制约纯电动汽车发展的瓶颈是电池技术、高功率电机技术和驱动技术。故纯电动汽车还要基于上述技术水平的进一步提高才能获得更大发展。

另一个解决途径的研究热点是制动能量回收利用技术。车辆处于制动或减速状态时，原本具有的动能通过制动器转换为热能消散掉。有研究表明，如果把这部分动能充分回收利用，最大可节约50%左右的能源，这将大大改善燃油的经济性，并延长制动器零部件的使用寿命。因此，研究高效的制动能量回收技术，在节约能源及保护环境方面都具有重大理论研究意义和现实实用价值。

1　常见的制动能量回收技术及其优缺点

制动能量回收技术就是把车辆在制动过程中的一部分动能转换成其他形式且容易储存的能量储存起来。现在国内外常见的车辆制动能量回收技术主要有：液压储能系统、飞轮储能系统及电储能系统。

1.1液压储能系统

液压储能系统的工作原理：把汽车在处于制动或减速状态下的部分动能转换成液压能的形式，并将这部分液压能储存在液压蓄能器中；当车辆再次进入起动或加速状态时，液压储能系统又将储存在蓄能器中的液压能转换成机械能驱动车辆行驶。从能量转换的角度看，车辆制动的过程就是液压储能系统将车辆部分动能转换成液压能并储存起来的过程；车辆起动或加速的过程就是液压储能系统将储存的液压能转换成机械能，从而辅助驱动车辆行驶的过程，如图1所示。优点：液压储能系统具有零件少，成本较低，可靠性高等。同时还具有体积小、安装布置方便的特点，适用于各种类型的大小汽车。缺点：由于这部分能量必须通过液压泵和泵/马达来进行转化，其中部分能量必须储存到液压蓄能器或由液压蓄能器释放，这必然伴随摩擦和热的损失。同时还有液压储能系统的密封性能要求高，成本昂贵等缺点。

图1　液压储能系统

1.2飞轮储能系统

飞轮储能系统是利用处于高速旋转状态的飞轮来储存及释放能量，其基本工作原理是：通过车辆在制动或减速过程中的部分动能带动飞轮高速旋转并保持这个状态（即转换为飞轮的动能）；当车辆再次起动或加速时，处于高速旋转状态下的飞轮又将通过传动装置驱动车辆行驶（即释放飞轮储存的动能），从而增加车辆的行驶动能。如图2所示。优点：从制造角度看，飞轮储能系统的结构相对简单易行，造价较低。缺点：其重量和体积较大，车辆在运行过程中将消耗更多的燃料，且由于空气阻力及轴承间摩擦引起的能量损耗，也会导致飞轮储能系统的能量损耗。同时该系统还存在安全性差、能量保存时效低等缺点。

图2　飞轮储能系统

1.3电储能系统

电储能系统的工作原理是：把车辆处于制动或减速状态下的部分动能，通过发电装置转化为电能储存在储能器中；当车辆需要再次起动或加速时，再将储能器中的电能通过电动机转化为机械能，从而驱动车辆行驶。系统中的储能器可单独选用蓄电池或超级电容器，但由于两者的局限性，通常采用两者混合使用的方法来弥补各自的缺点。该系统中由发电机/电动机执行机械能与电能间的转化。此外，系统还包括一个电子控制单元（ECU），用来控制储能器的充放电状态，保证蓄电池的SOC值在规定范围内，从而对蓄电池起到保护作用。如图3所示。优点：结构简单、操作方便、可靠性好、制动能量回收利用效率高等。缺点：性能好及低成本的超级电容或蓄电池是个技术难题，目前还有待开发研制。

图3　电储能系统

2　常用的能量控制策略及其优缺点

在国内外有关制动能量回收控制策略研究工作中，大多都是选用发动机前置前驱的车辆，故制动能量回收控制策略的核心问题是前、后轴的制动力及电机提供的再生制动力三部分间的关系。由此得到的基于电机再生制动的能量回收控制策略主要有以下3种：前后轴制动力理想分配时的控制策略、前后轴制动力比例分配时的控制策略和最优能量回收控制策略。

前后轴制动力理想分配时的控制策略：当驾驶员制动力需求较小时，仅由电机提供再生制动力。随着制动需求逐渐增大，前后轴的机械制动力将被控制在理想制动力分配曲线上。其中，前轴制动力包括再生制动力和机械制动力。当控制系统接收到由制动踏板传来的驾驶员的制动力需求时，将通过计算分析电机的转矩特性以及电储能器中蓄电池的SOC值来判断决定制动力是单独由电机提供，还是由机械制动系统以及再生制动系统共同提供。

前后轴制动力比例分配时的控制策略：当驾驶员制动力需求较小时，仅由电机提供再生制动力；当需要的制动力增大时，电机提供的再生制动力所占总制动力的比例逐渐减小，开始启用机械制动力；当需求的总制动力高于一定值时，意味着这是一个紧急制动，电机不再提供再生制动力，而由机械制动器提供所有的制动力；当所需的制动力在两者间时，再生制动与机械制动共同作用。

最优能量回收控制策略：当需求的总制动力低于电机能提供的最大再生制动力时，仅调用再生制动系统；当需求的总制动力高于电机能提供的最大再生制动力时，则总制动力减去最大再生制动力等于机械制动器应该提供的制动力，并合理分配给前、后轮机械制动器。前、后轮机械制动力的分配尽量与其理想制动力分配曲线重合。

根据相关论文对3种控制策略的仿真结果，对3种制动策略进行比较，结果如表1所示。

表1　三种常见制动控制策略对比

3　结 语

无论是内燃机式车辆，还是电动、混合动力以及燃料电池电动车辆，车辆制动能量回收再利用技术的机理以及方法的研究都是提高车辆能量综合利用效率，减少车辆废气排放以及延长制动零部件使用寿命的重要课题。通过阅读大量文献以及分析文献中提出的观点，可以得出以下结论。第一，对比目前常见的3种能量回收技术的优缺点，可以得出：液压储能系统使用范围相对较广，可适用于各种类型的大小车辆，其技术关键是比例储能器和复合可逆液压元件（泵一马达）及高密封性能元件；飞轮储能系统的使用范围相对较小，目前的飞轮制造技术更适用于起动、制动频繁的大型车辆，其技术难点是高速飞轮的研制。从理论角度来看，电储能系统的应用范围是最广的，基本可适用于各种车辆，目前在电动汽车和混合动力电动汽车上应用最为广泛，其技术瓶颈是缺乏性能好、成本低的蓄电池或超级电容器。第二，对比目前常见的3种回收策略，其各有优缺点。其中，前后轴制动力比例分配时的控制策略不但能确保一定的制动能量回收效率，制动稳定性相对较理想，而且结构也相对简单，是目前技术条件下比较好的选择之一。第三，目前的能量回收装置及控制策略多应用在中小型车辆上，在重型车辆上的实际应用几乎没有，大部分高校及研究所都还处于理论仿真阶段。第四，制动能量回收问题是一个复杂的物理行为。有许多因素都会对其回收效率产生一定影响，其中包括充电策略、电池属性、电控单元内部结构以及传感器灵敏度等。如果想要充分回收利用制动能量，提高控制精度，还必须从这几个方面进行深入研究。

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10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.16.067

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