電動汽車制動能量回收系統研究

田楓，劉海洋，湯盼盼

（1．長安大學 汽車學院, 陜西 西安 710064；2. 安徽大學文學院，安徽 合肥 230039）

電動汽車制動能量回收系統研究

田楓1，劉海洋1，湯盼盼2

（1．長安大學 汽車學院, 陜西 西安 710064；2. 安徽大學文學院，安徽 合肥 230039）

為進一步提高電動汽車的能量利用率以提高其續駛里程，本文對電動汽車制動能量回收系統作了進一步研究。本文論述了電動汽車能量回收系統的原理并與傳統制動系統進行比較，同時分析了機械制動與電機制動的分配關系并總結了復合制動與傳統摩擦制動系統的區別，最后論述了電動汽車制動能量回收的約束因素。

電動汽車；制動；能量回收；原理

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

前言

隨著環境污染與能源危機問題的日益嚴峻，新能源汽車成為了世界各國研究的熱點。電動汽車使人們看到了解決環境污染和能源短缺問題最有效的途徑和方法。研究表明，在城市行駛工況，大約有50%甚至更多的驅動能量在制動過程中損失掉[1]，郊區工況也有至少20%的驅動能量在制動過程損失掉。因此制動能量回收是提高電動車能量利用率的有效措施之一。

制動能量回收，又稱回饋制動或再生制動，其可將車輛的部分動能轉化為電能儲存于電池中，同時施加電機回饋轉矩減少傳統制動器的磨損，且改善了整車動力學的控制性能[2]。因此，研究制動能量回收技術具有重要意義。

1、再生制動系統結構及其原理

1.1 傳統汽車制動系統結構及原理

使行駛中的汽車減速直至停車，使下坡行駛的汽車速度保持穩定，以及使已停駛的汽車保持不動，這些作用統稱為汽車制動。傳統汽車的制動系統主要為摩擦制動，可分為鼓式制動和盤式制動兩大類[3]。

傳統制動系統由圖1可見：

傳統制動系統主要由四部分組成：供能裝置，控制裝置，傳動裝置和制動器。制動過程中駕駛員踩下制動踏板通過真空助力器作用到制動總泵上，再通過制動管路將制動油壓傳到四個車輪的制動器上，從而使得鼓式或盤式制動器進行各車輪的制動。

1.2 再生制動系統結構及其原理

1.2.1 再生制動系統基本結構

再生制動是電動車在保證制動效能的前提下，通過與驅動軸相連的能量轉換裝置把一部分能量轉化為電能儲存起來，達到回收制動能量目標的一種技術[4]。再生制動系統基本工作流程如圖2所示：實線流程為再生制動能量回收過程；虛線流程為車輛驅動過程，本文主要研究實現部分的再生制動能量回收過程。

電動汽車的能量轉換裝置為電機，儲能裝置為蓄電池。再生制動即是電動汽車制動控制系統通過對相關功率器件開關狀態的控制，實現電機轉速、轉矩大小與方向的改變，從而實現車輛從驅動狀態切換到制動狀態，進而將部分行進動能轉換為電能回收到蓄電池中。

1.2.2 制動能量回收系統的基本原理

電動汽車制動能量回收是指汽車在減速制動時，將一部分機械能轉化為其它形式的能量，存儲在儲能裝置中，并加以利用。

電動汽車制動能量回收時，電機工作于再生制動運行狀態，其電路原理圖如圖3 所示：制動過程中，在保證制動穩定性的前提下，控制電機兩端電源斷開，切斷驅動電機轉動電流，電機電樞兩端接入一個高頻開關電路，使該電路能夠高頻通斷[5]。由于電機屬于點感性設備，在高頻通斷過程中便會產生感應電動勢Ea和感生電流i兩者關系為：

式中，L為電機電感量；t為時間變量。

開關K閉合時，電機處于回路中，感應電流為制動電流Iz，即：

式中，Rd為電樞電阻，Rw為限流電阻。

開關K斷開時，由于電感作用，|didt|會迅速上升，感應電動勢Ea大小也隨即升高，當其不斷升高直至高于蓄電池電壓U(即|Ea|〉U)時，電機電樞與蓄電池即形成回饋電路，感應電動勢引起的感應電流Ie將流向蓄電池，Ie大小為：

電機再生制動過程實際就是電機在正轉制動運行中電機電池通過回饋電路連接而形成的回饋制動過程，出一部分電量消耗于電樞負載外，其余都回流到蓄電池組，實現能量回收目標。

2、機械制動與電機制動的分配關系

在電動汽車的制動系統中，制動力分配如圖4所示，制動力是由兩部分力組成，一部分由傳統的氣/液壓制動系統提供的摩擦制動力，另一部分是由電機提供的能量回收制動力。電動汽車的制動控制策略核心是在最大限度的實現能量回收的前提下，協調電機制動與機械摩擦制動力的分配關系。

汽車總的制動力由摩擦制動力與電機制動力共同作用。則有，

式中，Fb總的制動力；Fhyd機械摩擦系統提供的制動力；Fmot電機制動系統提供的制動力，m為汽車質量。

通常汽車制動過程可以分為緊急制動、正常制動、長下坡緩行制動三類[6]。

（1）緊急制動

（2）正常制動

該制動過程可分為減速過程和停止過程，其中減速過程對應的制動減速度小于。整車制動力主要由Fmot提供，在Fmot所提供的制動力不能滿足制動要求時，摩擦制動力Fhyd才起作用。減速過程能夠最大限度的利用再生制動力，使汽車減速的同時把動能轉化成電能加以存儲利用，停止過程主要由摩擦制動完成。因此正常制動情況下能夠回收的制動能量較多。

（3）長下坡緩行制動

汽車長下坡，當制動力要求不大時，可完全由電機再生制動力Fmot提供，因此這部分能量也可以回收。當Fmot不能滿足下坡制動要求時，摩擦制動力Fhyd才起作用。但由于下長坡的幾率比較小，故回收能量情況較少。

3、復合制動系統與傳統摩擦制動系統的對比[5]

（1）能量利用率

傳統的制動系統，主要通過摩擦方式制動，在制動過程中把機械能通過摩擦轉換成熱能。而復合制動系統，可以把制動過程中的部分機械能轉化成電能存儲到儲能元件加以再利用，從而增加了能量利用率。

（2）制動可靠性

在電動汽車長下坡時，因頻繁制動摩擦，使制動副表面溫度升高而失效，不穩定因素增加。而復合制動系統，可以減小摩擦制動器的使用頻率，有效的降低制動副表面溫度，提高了制動效能和制動安全性。

（3）續駛里程

傳統的制動系統，把制動過程中的動能通過摩擦轉換成熱能的形式損失掉。而復合制動系統，可以吸收再利用這部分制動能量，很大程度的提高了電動汽車的續駛里程。

（4）維修保養

傳統的制動系統，由于制動器以摩擦制動方式工作，需要經常更換剎車片，因此增加了車輛的維修保養費用。而帶有制動能量回收裝置的復合制動系統，可以有效的減小摩擦制動器的使用頻率，降低車輛的維修保養費用。

4、電動汽車制動能量回收的約束條件

一般情況下其約束因素有儲能裝置、制動力分配比例、電機性能、驅動類型、行駛工況、符合駕駛習慣等[7]。

（1）儲能裝置。電動汽車上常用的儲能裝置有蓄電池、燃料電池、超級電容、飛輪等，其中最主要的還是蓄電池，因此，在制動能量回收時要充分考慮蓄電池的狀態，如果電池SOC值超過上限值，為保護電池則不應充電[8]。

（2）制動力分配比例。制動過程中，對車輛制動安全性的要求是第一位的。需要找到機械制動與電制動的最佳結合點，在確保制動安全性的前提下，最大限度的回收制動能量[9]。

（3）電機性能。作為再生制動系統的關鍵部件，電機的制動能力越好，就可在分配再生制動力與機械制動力時提高再生制動力比例，提高制動能量回收效果。此外電機的發電效率對制動能量回收有很大影響。

（4）驅動類型。從車型角度考慮，制動過程中能夠回收能量均只是驅動輪上的行駛動能，而從動輪上的動能只能依靠機械摩擦制動產生的熱量消耗掉。因此，在保證制動安全的前提下，盡可能多的向驅動輪分配制動力有利于提高制動能量回收效率。

（5）行駛工況。若電動汽車行駛在城市交通較擁擠道路上，需要頻繁起步、加速、減速，則制動工況較多，能夠增加能量回收效果；若電動汽車行駛在高速公路，很少出現制動減速工況，則制動能量回收較少。

（6）符合駕駛習慣。應充分考慮電動汽車駕駛人和乘客的舒適性，對于傳統的摩擦制動系統，制動踏板開度角的大小與制動力矩成正比[10]。則在具有能量回收系統的電動汽車制動過程中，駕駛人對制動踏板的感覺應盡可能與傳統的制動過程相近[9]。

5、總結

本文在對傳統制動系統與電動汽車回饋制動系統的基礎上論述了其制動能量回收的原理以及機械摩擦制動力與電機回饋制動力的分配關系得出了在最大比例回收能量條件下的分配關系圖，并將復合制動系統與傳統機械摩擦制動系統在能量利用率、制動可靠性、續駛里程、維修保養方面作比較得出復合制動的優缺點，最后通過分析論證得出制動能量回收系統的約束條件儲能裝置、制動力分配比例、電機性能、驅動類型、行駛工況、符合駕駛習慣等，為今后繼續發展制動能量回收系統指明了方向。

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3.2 EGR對柴油機工作性能的影響

由于柴油機燃燒時過量空氣系數總是大于1，排氣中的氧含量比汽油機高得多，CO2濃度要小得多，因而必須使用比汽油機更大的EGR率才能有效降低NOX。一般汽油機的EGR率不超過20%，而直噴式和非直噴式柴油機的EGR率可分別超過40%和25%。[4]由于廢氣的溫度比新鮮空氣的溫度高，隨著EGR率的增加，進氣溫度會提高;而柴油機負荷和排氣溫度的增加又會進一步提高引入廢氣的溫度，隨著EGR率的增加，進氣溫度會進一步增加。由于廢氣的引入使進氣的溫度升高，在低負荷時因噴入柴油機的燃油量較少，使著火延長期減少; 而在大負荷時，因噴入的燃油量增大，由于廢氣的引入使燃氣中的氧濃度變小而對著火不利，使著火延長期增大。

采用EGR可使NOX明顯降低的原因除由于大量隋性氣體阻礙了燃燒的快速進行及混合氣的比熱容增大使燃燒溫度降低(EGR率為20%和25%時，燃燒最高溫度比無EGR時分別低50e和100e左右)外，EGR對進氣加熱和稀釋造成實際的過量空氣系數下降也是重要原因。因此，在NOX降低的同時，尤其在較大負荷時，碳煙和油耗會隨之惡化，可采用冷卻EGR的方法使發動機性能惡化的趨勢受到抑制。由于燃燒速度的減慢，可使壓力升高比下降，既可改善柴油機工作的粗暴性，且隨EGR率的增大而更明顯，還可使最高爆發壓力降低，且最高爆發壓力的出現角度前移。

4、EGR應用的難點及發展展望

目前怎樣把EGR運用于所有的速度和負荷，仍是一個有待解決的問題。尤其是內燃機在高負荷區運行時，如何在保證足夠的動力性的同時，使用EGR降低NOx的排放是一個重要的課題，采用各種EGR的處理措施，如EGR冷卻、EGR氧化和EGR燃油重整等為解決此問題提供了努力的方向，其中EGR冷卻目前已進入實用化階段。[5]對EGR的作用機理的深入研究是必要的，其中包括EGR中各種化學成分以及各種物性參數對工作的影響。由于大量使用EGR可能引起內燃機性能的不穩定，這樣，處于最優控制狀態下實際使用的最大EGR率就要變小，EGR的作用就得不到最充分的發揮。充分的EGR控制需要對實際的EGR率和燃燒質量監測，要建立足夠的反饋控制機制，在這方面還有待我們進一步研究。

參考文獻

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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

田楓，就讀于長安大學汽車學院車輛工程專業。