电动汽车制动能量回收系统的设计与重要技术

德州学院　陈琪　高兴超

电动汽车制动能量回收系统的设计与重要技术

德州学院陈琪高兴超

由于电动汽车的动力性和续航里程远不及传统汽车，如何提高电动汽车的动力性和续航里程成了电动汽车发展道路上亟待解决的问题。汽车减速制动时产生的惯性能量通过传动系统使电动机在发电状态下工作，并将产生的电能储存到动力电池中，通过这种制动能量回收的方法来实现提升电动汽车的动力性和延长电动汽车续航里程的目的。

电动汽车；再生制动；能量回收

1　电动汽车的概念

纯电动汽车是以车载动力电池为能源系统，由电动机驱动的汽车，它和传统汽车的主要区别在于驱动电机、调速控制器、动力电池、车载充电器四大部件。一般有混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车驱动电机的功率和性能决定了电动汽车时速和启动速度的快慢，而动力电池的容量则决定了电动汽车能够跑多远，也就是其续航里程的长短。所以为了延长续航里程，我们将减少能量损失，将部分能量回收达到能量循环使用的目的。

2　电动汽车的工作原理

和传统汽车相比，电动汽车去除了内燃机，取而代之的是电池组，电池组供电给电动机，电动机带动传动系统，从而驱使车辆行驶。

蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶

3　能量回收系统

3.1概念

制动能量回收系统是一种能够将汽车制动时所产生的制动热能转换成电能，并可以将转化后的电能储存到车载电池组中，在使用的时候能迅速将其释放的系统。有了这套系统，电动汽车里程将得到明显改善，研究表明，在城市道路条件下，有约50%以上的驱动能量在制动过程中损失，即使是在郊区道路条件下驱动能量也有至少20%在制动过程中消耗掉。

3.2工作原理

一般情况下，汽车在行驶过程中将受到空气、坡度、加速以及地面滚动等几种阻力的共同作用，其中坡度阻力用于爬坡行驶情况，加速阻力用于加速行驶情况，这几种力的计算公式分别为：

同时由牛顿定律可知，在行驶中汽车的驱动力Ft和总阻力是互相平衡的，即：

α为坡度角，μ为摩擦系数；CD为风阻系数；A为迎风面积；Ua为车速；δ为旋转质换算系数量；m为车辆质量。

考虑理想情况，汽车在平坦道路上制动时，没有坡度和加速这两方面阻力的作用，且可不计较小的滚动阻力矩和空气阻力。故此时汽车只存在摩擦制动力，如图1所示

图1　

当汽车前后轮同时抱死时，地面附着力得到充分利用，此时制动效率最高，制动距离最短，并有良好的稳定性，汽车前轮制动力Ft和后轮制动力Ft分别等于最大地面制动力。

纯电动汽车制动能量回收系统主要由整车控制器、储能系统(电池组)、DC/DC变换器、逆变器、直流电机、液压系统以及传动装置等几部分组成。整车控制器控制能量管理系统和电机控制单元，其中电池和DC/DC变换器属于能量管理系统，逆变器和电机属于电机控制单元控制，电池为整个系统提供能量并回收能量，整车控制器通过控制DC/DC变换器和逆变器来控制电机工作于电动与发电模式，实现汽车的正常行驶与制动。制动能量回收路径与动力传输的路径是反方向的。

摩擦制动和再生制动这两个系统共同组成了电动汽车的制动系统，该系统能够利用电动汽车减速制动时产生的热量并将其转化成电能为电池组充电，方法就是该系统通过驱动电动机的控制电路使电动机在发电状态下运行，从而得到制动力再生利用。当汽车减速制动时，通过控制系统，将驱动发电机变为发电机工作，在车辆减速的同时带动发电机发电，将产生的电能回收到蓄电池储存起来。通常有前轮驱动制动能量回收系统和全轮驱动制动能量回收系统两种制动回收系统。

3.3前轮驱动制动能量回收

制动能量回收只发生在前轮，前轮制动系统的制动力矩和再生制动系统的制动力矩与制动系统的摩擦制动力矩有关。发生再生制动的时候，再生制动产生的能量会通过再生制动控制模块回收并将其储存到电池组中，电动汽车上的防抱死系统及其控制阀会产生最大制动力，电动机通过传动系统接受汽车行驶时产生的惯性能量，电动机以发电方式运转。电机转子轴上的动能被转换为电能，电能通过逆变器上的反向二极管被转移到直流侧，实现能量的再生和利用。同时，驱动轮也会受到电机的制动力矩的作用，产生制动力。

3.4制动能量回收控制策略

制动过程中，驾驶员的制动意图与所希望达到的制动效果被制动控制ECU通过检测传感信号识别出来，车速、蓄电池荷电状态（SOC）等信息通过整车控制器VMS传递到制动控制ECU；再生制动控制策略根据目前的电动机、动力电池和车辆状态等信息计算出最优的再生制动力和摩擦制动力，并且依据分配得到的摩擦制动力控制液压控制单元，电动机控制器(MCU)会收到通过分配得到的再生制动力的传输信号，如图2所示。

图2　

3.5制动力分配

从制动能量回收角度来看，要想回收更多的制动能量就需要更多的再生制动力参与制动，但前、后制动力分配也就越来越偏离理想的制动力分配。所以制动力的分配就会受到很多限制，不仅要使制动效能得到保证，还要尽可能多的回收能量。

理论上说汽车的制动完全由再生制动力进行，就可以实现制动能量最大程度的回收。但是电动机的发电能力和动力电池的充电能力都是有限的。因此，可回收制动功率就会受到诸多限制，比如电动机的发电功率和动力电池的充电功率等，也就相当于再生制动力的最大值受到了限制。

由于再生制动力只能施加在前轴，所以当再生制动力较大时很容易导致前、后制动力的大小超过ECE法规。因此，必须使用ECE法规约束制动力分配，以保证在汽车制动时还具有良好的方向稳定性和足够的制动效能。

4　总结

通常情况下，当动力电池充电效率为100%时，电动机效率和制动回馈的效率是50%，以车辆总消耗能量的50%用于获得车辆动能为设定条件，基于能量守恒而解析计算得到：采用再生制动能量回收，可提高车辆续航里程33%。以电动汽车为研究对象，蓄电池为能量回收系统的装置，制动能量回收是提高能量利用率的有效措施，对汽车的节能环保有着重要作用。如果将制动产生的能量转化为电能储存起来或者再次用于制动，这相当于提高了蓄电池的容量，这样做电动汽车的续航里程便会得到很大的提升.

[1]陈赞.纯电动汽车制动能量回收控制[J].重庆：重庆科技大学,2015.

[2]余志生.汽车理论[M].机械工业出版社,2009.

[3]佚名.详解电动汽车制动能量回收系统[J].汽车维护与修理,2014.02.09.