車輛制動能量回收利用及控制策略探討

李晉澤，馮 文

（中國人民解放軍63820部隊五七五工廠，四川 綿陽 621000）

車輛制動能量回收利用及控制策略探討

李晉澤，馮 文

（中國人民解放軍63820部隊五七五工廠，四川 綿陽 621000）

制動能量回收利用技術是當今解決車輛造成的能源短缺和環境污染等問題的重要方法之一。本文基于國內外常見的能量回收技術的發展現狀，綜合評述能量回收系統的優缺點，并對比這些優缺點歸納各個系統的應用范圍，最后總結國內外常用的控制策略，從結構復雜程度、制動穩定性及制動能量回收效率3個方面進行對比分析，指出當前我國在這一領域研究的困難和不足，展望制動能量回收技術的應用發展前景。

制動能量；回收利用；儲能系統；控制

在目前現實生活中，汽車已逐漸成為人們消費范圍內必不可少的交通工具。隨著汽車保有量的不斷增加，其帶來的負面影響也日趨嚴重。例如：消耗大量的燃油資源、排放大量廢氣及產生噪聲等環境污染。

為解決能源緊缺及環境污染問題，世界各國汽車廠商都將新能源汽車作為解決的熱點。其中包括：燃料電池汽車、純電動汽車、氫能汽車以及太陽能汽車等。目前，我國在新能源汽車研究中以純電動汽車的發展最為迅猛。但制約純電動汽車發展的瓶頸是電池技術、高功率電機技術和驅動技術。故純電動汽車還要基于上述技術水平的進一步提高才能獲得更大發展。

另一個解決途徑的研究熱點是制動能量回收利用技術。車輛處于制動或減速狀態時，原本具有的動能通過制動器轉換為熱能消散掉。有研究表明，如果把這部分動能充分回收利用，最大可節約50%左右的能源，這將大大改善燃油的經濟性，并延長制動器零部件的使用壽命。因此，研究高效的制動能量回收技術，在節約能源及保護環境方面都具有重大理論研究意義和現實實用價值。

1　常見的制動能量回收技術及其優缺點

制動能量回收技術就是把車輛在制動過程中的一部分動能轉換成其他形式且容易儲存的能量儲存起來?，F在國內外常見的車輛制動能量回收技術主要有：液壓儲能系統、飛輪儲能系統及電儲能系統。

1.1液壓儲能系統

液壓儲能系統的工作原理：把汽車在處于制動或減速狀態下的部分動能轉換成液壓能的形式，并將這部分液壓能儲存在液壓蓄能器中；當車輛再次進入起動或加速狀態時，液壓儲能系統又將儲存在蓄能器中的液壓能轉換成機械能驅動車輛行駛。從能量轉換的角度看，車輛制動的過程就是液壓儲能系統將車輛部分動能轉換成液壓能并儲存起來的過程；車輛起動或加速的過程就是液壓儲能系統將儲存的液壓能轉換成機械能，從而輔助驅動車輛行駛的過程，如圖1所示。優點：液壓儲能系統具有零件少，成本較低，可靠性高等。同時還具有體積小、安裝布置方便的特點，適用于各種類型的大小汽車。缺點：由于這部分能量必須通過液壓泵和泵/馬達來進行轉化，其中部分能量必須儲存到液壓蓄能器或由液壓蓄能器釋放，這必然伴隨摩擦和熱的損失。同時還有液壓儲能系統的密封性能要求高，成本昂貴等缺點。

圖1　液壓儲能系統

1.2飛輪儲能系統

飛輪儲能系統是利用處于高速旋轉狀態的飛輪來儲存及釋放能量，其基本工作原理是：通過車輛在制動或減速過程中的部分動能帶動飛輪高速旋轉并保持這個狀態（即轉換為飛輪的動能）；當車輛再次起動或加速時，處于高速旋轉狀態下的飛輪又將通過傳動裝置驅動車輛行駛（即釋放飛輪儲存的動能），從而增加車輛的行駛動能。如圖2所示。優點：從制造角度看，飛輪儲能系統的結構相對簡單易行，造價較低。缺點：其重量和體積較大，車輛在運行過程中將消耗更多的燃料，且由于空氣阻力及軸承間摩擦引起的能量損耗，也會導致飛輪儲能系統的能量損耗。同時該系統還存在安全性差、能量保存時效低等缺點。

圖2　飛輪儲能系統

1.3電儲能系統

電儲能系統的工作原理是：把車輛處于制動或減速狀態下的部分動能，通過發電裝置轉化為電能儲存在儲能器中；當車輛需要再次起動或加速時，再將儲能器中的電能通過電動機轉化為機械能，從而驅動車輛行駛。系統中的儲能器可單獨選用蓄電池或超級電容器，但由于兩者的局限性，通常采用兩者混合使用的方法來彌補各自的缺點。該系統中由發電機/電動機執行機械能與電能間的轉化。此外，系統還包括一個電子控制單元（ECU），用來控制儲能器的充放電狀態，保證蓄電池的SOC值在規定范圍內，從而對蓄電池起到保護作用。如圖3所示。優點：結構簡單、操作方便、可靠性好、制動能量回收利用效率高等。缺點：性能好及低成本的超級電容或蓄電池是個技術難題，目前還有待開發研制。

圖3　電儲能系統

2　常用的能量控制策略及其優缺點

在國內外有關制動能量回收控制策略研究工作中，大多都是選用發動機前置前驅的車輛，故制動能量回收控制策略的核心問題是前、后軸的制動力及電機提供的再生制動力三部分間的關系。由此得到的基于電機再生制動的能量回收控制策略主要有以下3種：前后軸制動力理想分配時的控制策略、前后軸制動力比例分配時的控制策略和最優能量回收控制策略。

前后軸制動力理想分配時的控制策略：當駕駛員制動力需求較小時，僅由電機提供再生制動力。隨著制動需求逐漸增大，前后軸的機械制動力將被控制在理想制動力分配曲線上。其中，前軸制動力包括再生制動力和機械制動力。當控制系統接收到由制動踏板傳來的駕駛員的制動力需求時，將通過計算分析電機的轉矩特性以及電儲能器中蓄電池的SOC值來判斷決定制動力是單獨由電機提供，還是由機械制動系統以及再生制動系統共同提供。

前后軸制動力比例分配時的控制策略：當駕駛員制動力需求較小時，僅由電機提供再生制動力；當需要的制動力增大時，電機提供的再生制動力所占總制動力的比例逐漸減小，開始啟用機械制動力；當需求的總制動力高于一定值時，意味著這是一個緊急制動，電機不再提供再生制動力，而由機械制動器提供所有的制動力；當所需的制動力在兩者間時，再生制動與機械制動共同作用。

最優能量回收控制策略：當需求的總制動力低于電機能提供的最大再生制動力時，僅調用再生制動系統；當需求的總制動力高于電機能提供的最大再生制動力時，則總制動力減去最大再生制動力等于機械制動器應該提供的制動力，并合理分配給前、后輪機械制動器。前、后輪機械制動力的分配盡量與其理想制動力分配曲線重合。

根據相關論文對3種控制策略的仿真結果，對3種制動策略進行比較，結果如表1所示。

表1　三種常見制動控制策略對比

3　結 語

無論是內燃機式車輛，還是電動、混合動力以及燃料電池電動車輛，車輛制動能量回收再利用技術的機理以及方法的研究都是提高車輛能量綜合利用效率，減少車輛廢氣排放以及延長制動零部件使用壽命的重要課題。通過閱讀大量文獻以及分析文獻中提出的觀點，可以得出以下結論。第一，對比目前常見的3種能量回收技術的優缺點，可以得出：液壓儲能系統使用范圍相對較廣，可適用于各種類型的大小車輛，其技術關鍵是比例儲能器和復合可逆液壓元件（泵一馬達）及高密封性能元件；飛輪儲能系統的使用范圍相對較小，目前的飛輪制造技術更適用于起動、制動頻繁的大型車輛，其技術難點是高速飛輪的研制。從理論角度來看，電儲能系統的應用范圍是最廣的，基本可適用于各種車輛，目前在電動汽車和混合動力電動汽車上應用最為廣泛，其技術瓶頸是缺乏性能好、成本低的蓄電池或超級電容器。第二，對比目前常見的3種回收策略，其各有優缺點。其中，前后軸制動力比例分配時的控制策略不但能確保一定的制動能量回收效率，制動穩定性相對較理想，而且結構也相對簡單，是目前技術條件下比較好的選擇之一。第三，目前的能量回收裝置及控制策略多應用在中小型車輛上，在重型車輛上的實際應用幾乎沒有，大部分高校及研究所都還處于理論仿真階段。第四，制動能量回收問題是一個復雜的物理行為。有許多因素都會對其回收效率產生一定影響，其中包括充電策略、電池屬性、電控單元內部結構以及傳感器靈敏度等。如果想要充分回收利用制動能量，提高控制精度，還必須從這幾個方面進行深入研究。

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2015-06-22