電動汽車制動能回收與利用系統*

肖佐無王海波

（1.湖南汽車工程職業學院機電工程系；2.湖南汽車工程職業學院汽車電子工程系）

當前電動汽車的制動方法主要是機械摩擦制動，其制動能被白白浪費。研究表明：城市循環工況下，汽車制動消耗的能量占整車驅動能量的31%～57%，如果對制動能加以再利用，則汽車的平均續行里程將提高20%～30%[1]。故研究汽車制動能的回收和再利用對于節約能源具有重要的意義。當前純電動汽車的驅動電機首選為直流無刷電機[2]，其能四象限運行的特點，支持汽車制動能的回收和再利用；超級電容具有高的功率密度和低的能量密度，適合作為制動能回收裝置。因此文章基于超級電容及無刷直流電機，對汽車制動能的回收和再利用進行了研究。

1 電動汽車制動能回收與利用系統結構

電動汽車制動能回收與利用系統結構，如圖1所示。因為三相全控橋式逆變電路帶續流二極管，無刷直流電機的交流電動勢經過續流二極管的整流，在逆變器的輸入端轉換為直流電壓。

電動汽車的運行工況分為：

1）電池電動工況：開關S1閉合，開關S2和S3斷開，電池給逆變器供電，驅動無刷直流電機，帶動車輪負載。

2）制動能回收工況：開關S1斷開，開關S2接通，開關S3斷開，無刷直流電機的三相梯形交流電動勢，經過帶續流二極管的逆變器整流，在逆變器的輸入端轉換為直流電，該直流電經過BUCK斬波器進行可控恒流充電，在充電的同時獲得穩定的制動力矩。

3）制動能利用工況：在超級電容存儲了足夠的電能前提下，開關S1和S2斷開，開關S3接通，超級電容經過BOOST斬波器進行穩壓放電，穩定的電壓供給逆變器驅動無刷直流電機帶動車輪負載，從而利用了制動能，達到了節能的目的，提高了電動汽車的續行里程。為了保證充分利用剎車的制動能，在超級電容充電達到可以穩壓供電的前提下，優先使超級電容放電，為下次回饋制動提供充電的空間。超級電容放電完畢，由電池給逆變器正常供電。

1.1 超級電容簡介

雙電層超級電容器模型有傳輸線數學模型[3]、拜得極化電池模型[4]及集總參數電路模型[5]等。其中集總參數電路模型十分簡練，并且相對準確地體現了超級電容特點，故在儲能系統的應用領域中大都采用超級電容集總參數電路模型。超級電容的集總參數模型等效電路圖，如圖2所示。

圖2中，超級電容集總模型等效為一個理想的電容器（CF）與一個阻值較大的等效并聯電阻（Rep）并聯，再與一個阻值較小的等效串聯電阻（Res）串聯。一般Rep可達幾萬歐姆，故漏電流很小。但是由于Rep的存在，使得超級電容在不工作的狀態時也能產生一定的漏電流，影響電容的長期儲能能力，故設計要求Rep要盡可能大。在充放電過程中，Res要消耗電能發熱，使超級電容的能量效率不再為1，故對超級電容器的充放電過程有比較大的影響。充電過程中，電流流經Res會產生一定能耗，并且可能會引起超級電容發熱的問題；在放電過程中，Res會對電壓產生分壓作用，從而減小超級電容放電范圍，如果放電電流較大，則Res會消耗較大的電壓和電能，嚴重降低超級電容儲能裝置的儲能效率；Res相對于普通電解電容來說比較大，可達幾毫歐，這嚴重限制了超級電容在高頻率和脈沖功率等場合中的應用。故目前超級電容器主要用于直流儲能系統中，但隨著超級電容技術的不斷進步，性能會更好。

1.2 回饋制動的可控恒流充電

可控恒流充電過程，如圖3所示。因為無刷直流電機的制動力矩與制動電流成正比，即制動電流大，則制動力矩大；反之制動電流小，則制動力矩小。無刷直流電機在發電制動中，制動電流一般也是呈指數規律減少。超級電容在充電過程中隨著電壓升高，充電電流一般呈指數減小，故如果直接對超級電容充電，則充電電流是非線性，制動力矩也是非線性，不利于制動能的控制。

因此本系統對超級電容采用恒流充電的方式，在回收制動能基礎上，利于控制制動力矩。無刷直流電機的制動能經過降壓斬波器BUCK對超級電容充電，經過電流采樣器，獲得充電電流大小，將設定電流與充電電流相減，得到誤差電流，將誤差信號送入PID控制器，控制移相器的占空比，使充電電流恒流充電，超級電容在恒流充電的前提下，得到穩定的、可控制的制動力矩。

在行車制動過程中，減速過程是不定的，有時要求制動力大，對應的充電電流大，有時要求制動力小，對應的充電電流小，即制動力是可以設定的。通過改變電流的給定值，可以方便控制恒流充電電流的大小，從而設定要求的制動力。

1.3 制動器機構的整體設計

電動汽車制動力矩由摩擦力制動和回饋制動力矩2個部分構成。為了充分回收制動能，優先使用回饋制動，在回饋制動不足的情況下，再使用機械摩擦制動。為此設計制動器制動力行程分配圖，如圖4所示。

圖4中，在0～S1行程，制動器采用回饋制動，且隨著行程的增加，電流給定值逐漸增加，回饋制動力逐漸加強；在S1～S行程，采用最大回饋制動力加摩擦制動，且隨著行程的增加，摩擦制動力逐漸加強。這樣既保證足夠的制動力，也盡量回收制動能。

1.4 可控恒壓放電控制

可控恒壓放電系統構成，如圖5所示，超級電容存儲的電能通過斬波器給負載供電，由于超級電容隨著放電的進行，端電壓呈指數逐漸降低，故直接用超級電容給負載供電；端電壓是逐漸下降且不穩定的，故采用PID控制，穩定電壓。

圖5中采用BOOST升壓斬波器對負載供電，BOOST斬波器的輸入與輸出函數關系為：

式中：Uo——斬波器輸出電壓，V；

Us——電源電壓，V；

α——觸發脈沖的占空比。

由公式可知，如果Us減少，適當增加α，可以補償Uo的減少。

可控恒壓系統的工作原理為：負載的反饋電壓與給定電壓進行比較，誤差電壓經過PID控制器控制移相器的占空比。誤差越大，占空比輸出越大，斬波器輸出電壓越高，抵消超級電容電壓的下降，達到穩壓輸出的目的。該系統只要固定電壓的給定值，超級電容便可以在一定的電壓下穩壓供電。

2 結論

文章針對電動汽車制動能回收與利用問題，提出了采用超級電容回收和利用制動能，并且設計了3個循環工況的切換邏輯。針對制動能的回收提出了基于PID的可控恒流充電的方法，既能回收制動能又使制動力矩隨著剎車行程呈現線性變化，有利于剎車控制，并且設計的制動器的制動力行程分配原則，保證了先利用回饋制動后采用摩擦制動，有利于回饋制動能的回收；針對超級電容放電電壓不穩的問題，提出了基于PID的可控穩壓放電的方法，使超級電容能穩定地給負載放電。該設計使用超級電容回收和利用電動汽車的制動能，同時也保證汽車的剎車操控性能，對于提高電動汽車的續行里程具有重要的意義。研究中發現斬波器的非線性降低了控制性能，后續工作建議研究性能更好的斬波器，同時采用先進算法提高控制性能。