电动汽车制动能量回收系统的设计

山东省德州学院汽车工程系 袁钰超 于士军

电动汽车制动能量回收系统的设计

山东省德州学院汽车工程系 袁钰超 于士军

汽车的续航能力与蓄电池的储电量是息息相关的，由于电池容量有限，因此通过对再生制动技术的应用可以使部分能源进行二次利用，间接达到增加汽车续航能力的目的。本文通过研究汽车电机、机械制动、半轴等部件协调工作，使能量回收系统在电动汽车上得以体现。

电动汽车；制动能量回收；提高续航力

引言

随着城市化生活的日益繁荣，城市污染也变得日益严重。截至2015年全中国私家车数量已达12435万辆之多。汽车尾气对大气造成的破坏如雾霾等，世人已有目共睹，因此发展新能源汽车对改善环境有巨大的意义。电动汽车便是新能源汽车中的佼佼者，目前电动汽车搭载的为蓄电池，为保持汽车充足的续航能力为其配备超大容量的蓄电池是关键，但是就目前技术而言除了增加蓄电池的容量外，要想掌握增大电池能量的存储技术还需要时间，因此回收电动汽车的制动能量，提高能量的利用率，可以间接地增大汽车的续航能力。本文对将汽车机械制动能量转化为电能，再储存至电池，进行制动能量回收的系统进行了设计。

1 制动原理

1.1 传统汽车制动原理

在行驶过程中的汽车停车或者减速，使在下坡行驶中的汽车保持稳定速度行驶，以及使已经停止行驶的汽车保持静止，这些作用称为汽车制动。为实现汽车制动，必须在汽车上安装一系列专门设备，一方面驾驶员能根据交通和道路等情况，使路面对汽车车轮施加一定与汽车行驶方向相反的力，对汽车进行一定强度的强制制动。这种可以控制的，对汽车进行制动的外力称为制动力。这样一系列的专门装置便称为制动系统。

再生制动也叫反馈制动，是一种应用在电动车辆上的制动技术。在制动时把车辆的动能转化为电能储存起来。简单来说再生制动就是把电动机变成发电机，汽车的动能被转换为电能，与此同时再生制动会把电力储存起来或者通过电路输送出去，再次循环利用。使用再生制动的汽车依然会产生机械制动。就目前技术而言一般的再生制动利用率约为31.24%，其余的动能还是会变成热能，不过效率根据不同使用的环境也会相应发生变化。

2 电动汽车制动能量回收系统设计

2.1 回收系统结构设计

通过运用速度控制方法，当车辆在正常情况下行驶时，蓄电池通过再生控制系统至电机，驱动电机运转，同时电机的电控单元与逆变器一起控制电机的输出扭矩。当汽车处于再生制动情况时，再生制动控制器会接受电机控制器中的制动信号，通过控制算法控制再生控制器中的双向DC/DC变换器，使再生制动产生的能量以最大效率储存至电容。当车辆起步或者爬坡时，再生控制器接收电机的加速信号，控制双向DC/DC变换器将电容中的能量升压，先驱动电机，在达到预定值的时候再变回，由蓄电池供电。

图1 电动汽车制动能量回收系统图

2.2 系统的控制策略

为保持车辆的制动稳定性和安全性，使具有能量收回的功用在电动汽车上得以最大限度的表现，开发了新的制动控制系统。在不改变汽车原有的机械制动的前提下，由驱动电机提供扭矩作用于驱动轮。

在防抱死系统中，直接接收来自四个车轮传动速度、加速度的监测信息，进行制动控制，制动能量回收单元通过低通滤波器输入各车轮的加速的信息可求得各车轮的旋转加速的DVW，与此同时直接进行检测每个车轮的瞬间加速度判断路况优劣并进行制动力的分配；另一方面在汽车制动中可以通过制动踏板的行程来衡量电动机的制动扭矩。制动控制通过对司机踩下制动踏板的行程量、速度、加速度做出预测，再结合实际车速、道路情况所需的制动力大小，分配前后轮制动力的比例；最后根据电机的扭矩特性，决定再生制动力的大小，确定摩擦力制动力与再生制动力之间的比例以及具体数值。在满足汽车驾驶人员制动需求以及防止轮胎抱死的前提下，尽可能多的为驱动轮提供由电机产生的再生制动力。

图2 系统控制策略

当车辆行驶于路况良好的路面时，计算得出满足上述动力蓄电池的能量回收能力的比例分配阀P（当制动液压达到某规定数值时，前轮的制动液压增量不变，而后轮液压的上升值则按一定比例减少）并将液压阀的开阀值设定为P。求得制动泵压力关联的能量回收扭矩，按照得出的回收扭矩值控制逆变器。当判断出车辆处于路况恶劣的道路时，电机和制动能量回收系统应当逐级递减制动能量的回收，最终关闭制动能量的回收，只进行传统的机械制动。

2.3 电动汽车制动能量回收控制电路的设计

黄鼠狼窜到了男知青这边,大家的注意力转移到了黄鼠狼身上,没有人再搭理赵天亮,他这才从麻袋底下钻出来,大大地喘了几口气。还没等他定下神来,哨声从仓库外传了进来。

当电机工作处于再生制动状态时，驱动电机通过逆变器接收来自蓄电池的电力供应，逆变器则按照来自蓄电池的控制信号使蓄电池的直流电直接转化为交流电，为驱动电机供电。电动汽车实现制动能量再回收，电路图如图3所示。

图3 制动能量回收电路

具体工作原理如下：

（1）将电机电枢的电流断开；

（2）电机电枢两侧接入一个开关，使之处于高频通断状态；

2.4 制动能量回收率

2.4.1 可回收率

制动过程中，制动能量除去克服地面摩擦力与空气阻力外，剩余的能量转化为机械能，部分机械能可回收再利用。可回收率ηQ定义为：制动时半轴回收能量Ef占整车动能变化Ed的百分比。

T为扭矩，m为质量，N为转速，V2是制动初速度，V1是制动末速度。

2.4.2 转化率

半轴上，机械能经发电系统与传动系统转化为电能的效率。转化率ηt定义为：蓄电池充电能量Er占半轴回收能量Et百分比。

U是电池充电电压，I是充电电流。

2.4.3 回收率

制动所回收的能量用储存在电池的回收能量体现。回收率ηv为蓄电池充电能量Er占整车动能变化量Ez的百分比。

3 总结

本文在传统制动与电动汽车制动能量回收系统的基础上，有效分配机械制动与电制动比，使得在确保汽车安全性的前提下，最大限度回收电动汽车能量。整体系统对原系统改动小，成本低，可靠性强。通过对制动过程中的电机控制与传统机械制动控制相分配达到能量回收再利用的目的。最后说明电动汽车的复合制动的性能大大优于传统制动系统。

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