新能源汽车再生制动系统能量回收特性研究

朱 腾，魏洪元，徐京京

（枣庄科技职业学院，山东枣庄 277599）

0 引言

目前，国内汽车保有量逐渐上涨，带来的环境、资源等问题日趋严峻，消耗了大量的不可再生资源，为此，国家每年进口大量的石油资源，给社会带来巨大的压力。同时，国家环保部门对空气环境要求日益严格，使得传统的尾气排放标准无法满足环保要求[1-3]，尾气排放已经实行国六标准[4]。针对以上问题，国家大力发展新能源汽车技术[5]，在技术攻克上投入了大量的资金和人力，不但能够有效地减小尾气排放，缓解紧张的资源问题，而且汽车本身的能源利用率提升，满足国家可持续发展战略的需求。

制动作为汽车最主要的功能之一，需要消耗大量的机械能。在新能源汽车中，可通过能量回收技术，将制动返回能量并存储在蓄电池内。在新能源汽车液压制动系统能量回收过程中，电池、电机以及能量回收装置的工作状态对能量回收效果有着关键的影响。在实际驾驶时，电机本身的扭矩无法满足复杂的驾驶工况，因此需要通过液压制动系统转换能量，约有50%的电机牵引能量最终以热量的形式散发，能量如何高效存储至关重要。通过对再生制动过程的研究，可有效地减小能量耗散，提升制动能量回收效率，改进新能源汽车的最大续航性能，具有良好的经济效益和社会效益。

1 能量存储系统设计

1.1 能量回收过程

能量存储系统对于各个部件的参数有着严格的要求，能量回收方案应满足全车运行策略[6]。锂电池作为新能源汽车的主要供电装置，在进行功率调配时，需要基于功率比不变原则来实现能量分配。若电源的能量分配不合理，容易导致过载引起充电和放电故障，电池存储电能效率低，电能容易耗尽，严重时导致意外停车，造成事故隐患。为解决该问题，一方面可通过提升电池本身容量实现足够的驱动功率，一方面可通过改进能量交互方案优化最大放电电流的稳定性。

在制动能量回收过程中，与蓄电池协同工作的还有超级电容，其根据电池的工作状态判定功率需求[7]，当出现电能过低时，将触发蓄电池的主动充电响应，如图1所示。在能量存储系统中，主要以电池的SOC为标准进行处理[8]，当阈值超出限定范围时，混合动力系统将电池作为保护状态，牵引电机将以低功耗形式运行。在制动过程中，电机产生的机械功率将与电池的放电功率进行实时地反馈比较。当电机功率偏小时，蓄电池将补充电能，此时的能量转换具有多向性，既有电池与超级电容之间的能量传递，又有电池向电机的功率传递。

图1 不同工况下的能量转换方向

1.2 再生制动结构组成

在能量存储系统中，再生制动的结构决定着能量回收的总量。相比新能源汽车，燃油汽车在执行制动工作时，制动钳盘之间的摩擦力将直接使得动能转换为热能，不具备再生制动能量回收功能。对于新能源汽车，其增设的再生制动系统具有反馈机制，能够有效地调配制动力和驱动力的大小，从而达到节能降耗效果。在汽车减速时，驱动电机执行反馈制动，此时能量转换具有补给特性，即反馈中多于电能将充分储存在能量回收系统，从而减少刹车盘与摩擦片之间的机械功能，降低热量散失，同时确保制动摩擦副的温度峰值不会过高，发生制动失效的概率大大降低，提升了制动的安全性与可靠性。再生制动系统持续工作后，能够显著提升新能源汽车的续航里程。在工程实践中，不同的企业对再生制动系统的设计具有一定的通用性。目前，主流的新能源汽车制造商多数采用以下再生制动结构：稳定供电和存储电能的蓄电池组、具有反馈机制且有效回收电能的电动机、用于分配驱动力与制动力的控制器、电流转换器、动力传动系统等。

1.3 电机牵引力计算方法

合理的牵引力有利于改善能量回收效率，其计算主要依据运行路线、运动状态、承载特性以及制动工况等。在计算电机牵引力时，一般需要假定运载具有不变性，通过驱动功率、运动学规律等特点进行推算，以获得最佳的供电电流。根据新能源汽车的再生制动系统组成，对于牵引力的计算可采用最小时分法和节能运算法，即分别采用最小运行时间和最小功耗为优化目标，调节工作参数变量，以满足不同类型车辆的工作需求和设计目标。

不同方法对于边界条件的设定是不同的，在再生制动过程中，结合能量存储效率以及低功耗需求是主要寻求的优化对象。在实际分析过程中，牵引力作为多个优化目标的其中之一，与整个系统的质量、成本、性能协同运算。由于牵引力对电源的影响较大，因此对超级电容的性能要求较高。一般情况下，虽然超级电容的工作寿命相对较长，有的甚至可以超过10年，但运行的稳定性一定程度上决定了蓄电池组的放电倍率以及放电深度以及表面温度。为减小牵引力对电源的负面影响，可增设强制冷却装置，比如风冷设备，有利于改善电池组的工作环境。

2 再生制动系统特性分析

2.1 电源系统特性

由于再生制动系统工作时将产生较大的反馈电流，要求电源在反馈区间具有较高的稳定性。若电源在DC转换时[9-10]，电压将发生较大变化，高低电压之间的转变将带动再生制动系统的能量回收。在能量回收过程中，预期目标是以峰值电流运行，最大限度的增大充电效率，从而减少能量损失。然而，锂电池组本身在充放电过程中有本身特有的属性，强制进行过大电流运行，容易出现电池损伤，寿命减少。由此可见，当蓄电池的SOC参数过大时，再生制动系统的工作效率将急剧下降，甚至无法进行能量回收。文中所研究新能源汽车所采用的蓄电池SOC特性如图2所示，可以看出：随着蓄电池SOC值的增大，所能承受的最大充电电流先增大后减小；当SOC值长期处于较低的数值时，虽然电池可承担的最大电流较大，但电池本身的热量也随之增大，对电池元件造成损伤；若电池的SOC值大于0.75，则需要缓慢降低充电电流，因为此时电源已经接近饱和，防止过充。

2.2 电机特性

再生制动系统中的电动机是决定反馈电流大小和能量回收能力的关键部件，良好的电机选型可有助于提升充电功率，得到稳定的输出力矩。根据所选电机的机械特性可知：当该电机启动时，转速将快速提升至基本速度，此时电机的转矩保持不变，电机的可控范围较大；当电机转速超过基本速度时，电机的工作模式将发生变化，进入恒功率状态，随着电机转速的增大，驱动力矩减小。相比两种状态，恒功率状态下的能量回收效率更高，但在较低的行车速度下，电机发电能力明显不足，不利于能量回收。在高速制动条件下，由于汽车的初速度较大，较大的电机转速可带来较小的制动力矩，而过小的力矩无法进行再生制动的能量生成。由此可见，当汽车行驶的速度过大或者过小时，均不利于再生制动系统的工作效率。

2.3 制动强度分析

根据制动系统的工作原理可知，较大的踩踏力将带动连杆机构和液压系统实现较大的制动力，从而影响整个制动的时间和刹车距离。根据能量守恒定律可知，制动周期越短，再生制动的能量回收效率越高。但基于安全因素和制动力分配因素，制动力必须在某个范围内。一般情况下，汽车前轮的制动力分配系数更大，因为在惯性作用下，前轮承受的惯性力更大，对制动系统的要求也更高。因此，在制动系统设计时，前轮往往采用通风盘式制动器，增大散热效率，而后轮采用常规的实心盘式制动器。

3 不同制动状态下的功率模拟

3.1 高速制动

在惯性实验台中，分别对再生制动和常规制动系统进行模拟，并测试电机的最大驱动功率。在高速制动条件下（恒定速度120 km/h），可得出电机功率随时间变化规律如图3所示，可以看出：初始条件下，常规制动的电机功率明显比再生制动条件下的更高；在25 s时刻以后，两种不同的制动状态带来的电机功率表现出显著的匹配性，两者在数值和变化趋势上均差异不大。由此可见，高速制动不一定利于能量回收。

图3 高速制动条件下的电机功率

3.2 低速制动

在低速制动条件下（恒定速度20 km/h），可得出电机功率随时间变化规律如图4所示，可以看出：再生制动与常规制动条件下的电机功率基本保持一致；从数值上看，再生制动略微大于常规制动。出现这种特性，与电机的固有特性密不可分，在较低的转速下，电机尚未进入良好的发电状态，因此能量回收效率较低。

图4 低速制动条件下的电机功率

3.3 中速制动

在中速制动条件下（恒定速度60 km/h），可得出电机功率随时间变化规律如图5所示，可以看出：在中速条件下，再生制动与常规制动条件下的电机功率具有较大的差异性，此时再生制动系统的能量回收效率较高；从数值上看，再生制动明显大于常规制动。

图5 中速制动条件下的电机功率

4 结束语

新能源汽车再生制动系统对于整体车辆的节能有着关键的影响，电机能量的回收效率是重要的研究内容。再生制动系统能量回收功能影响着制动力的分配，这也是当前工程技术方面需要解决的重点与难点。绿色环保、节能降耗是新能源汽车的特点，因此，需要基于关键技术提升制动过程中的稳定性和安全性。根据研究结论可知，解决高速和低速行驶条件下的能量回收问题是再生制动策略优化的主要需求。通过多方面的控制方案，实现更佳的驾驶体验。