純電動汽車能量回收利用策略設計

王玉麟　曾雨晨　曾勝德

摘 要：通過對純電動汽車制動時部分能量回收再利用，能實現純電動汽車在行駛制動過程中把制動熱能轉化為電能，該設計是在汽車減速制動時，依靠車輪與地面作用力反向拖動，使驅動牽引電機轉變成發電機角色，產生電能和車輪制動力矩，降低車速的同時把動能轉換為電能回收并保存到儲能裝置中，用于電機供電驅動車輛，該過程實現了能量的回收和重復利用，減少損失，增強純電動汽車的利用效率和提高續航能力。

關鍵詞：純電動汽車；制動能量回收利用策略；利用效率

1 引言

針對國內外純電動力汽車制動時能量損失，設計出一款純電動汽車制動能量回收利用的裝置，這不僅適于社會的發展趨勢，還利用了汽車新能源技術，對于推動汽車產業的發展，改善經濟的發展，降低環境污染和改善環境。本次設計的純電動汽車制動能量回收和利用裝置是一種能夠在車輛減速制動時，依靠車輛向前行駛的慣性力帶動電動機，輪胎與地面產生互相作用力，再把動力傳給電機，此時電機充當發電機角色，電機轉子切割磁感線產生電能和一定的反力矩，從而降低車速和把動能轉化成電能回饋給蓄電池充電，實現能量回收的目的，并且增強電動汽車能量的循環利用效率和續航能力。

2 能量回收利用裝置的工作原理

電動機是純電動汽車的核心，即做為驅動裝置的牽引電機，也作為發電機發電。電動汽車在制動過程中，將一部分動能通過傳動機構反向傳給電機，此時電機充當發電機角色處于發電狀態并向蓄電池充電；電機在發電的同時產生的磁場阻力反作用于車輪，從而達到使汽車降速的目的。如圖1所示，為制動能量轉換流程基本原理圖。

當需要電機再生制動時，電控單元控制電機充當發電機的角色，并且處于發電狀態，回收動能并且給蓄電池補充充電，反之，當驅動車輛時，電機充當驅動電機的狀態，蓄電池給其供電驅動車輛。由于存在有液壓制動系統，液壓制動系統制動過程中各種模式下會出現壓力波動，特別是在緊急制動過程中產生的波動會導致制動車輪發生抱死，引發安全事故，所以需要通過ABS調節來消除波動。

3 制動能量回收的策略

汽車的制動力分配是否得當，會對整車安全性和穩定性、制動能量回收效率和駕駛舒適性等影響，所以要綜合各方面的因素進行分配。因此，我們要把制動力分配調節至最好狀態下，才能更好的獲得最佳控制策略。

汽車速度和制動減速度影響著純電動汽車的制動力分配，如圖2所示，電動汽車制動能量回收控制策略的核心是在確保制動性能和安全性能要求的條件下，要保證最大限度回收能量，那么就要調配和控制好回饋制動力與摩擦制動力之間的平衡。

3.1 在串聯式制動系統

根據車速和制動踏板信號，電機和電池的狀態首先判斷電機的制動力大小，并對電機制動力和機械制動力進行按照駕駛員的需求分配。串聯式制動力控制策略的設計是根據理想狀態時的制動力分配曲線的前提下進行的，它又分為最佳制動性能控制策略和最佳制動能量回收率的控制策略兩種情況。

3.1.1 最佳制動性能控制策略

該策略也叫做理想制動力控制策略，它是指按照理想狀態分配制動力曲線，對前輪和后輪的制動力進行合理分配的策略。這樣可以在保證車輛的剎車穩定性和效能達到最佳狀態下利用地面附著系數，但是這樣又限定了使驅動輪上的制動力最大值，從而限制了制動能量的回收。

3.1.2 最佳制動能量回收率控制策略

該策略是指在電動汽車剎車減速度和保證前、后輪在不抱死的情況下，實現能量回收率的最大限度（如圖3所示）。本設計的控制策略不會改變原來制動系統的自由行程，而且能夠滿足國家標準的要求。

在這種制動策略中，制動踏板開度越大，對應制動減速度就越大，其制動力變化過程分為四個階段，如：

（1）OA段，沒有踩制動踏板，沒有制動力產生；

（2）AB段，僅有電機產生制動力，前后輪機械制動不工作；

（3）BC段，隨著制動力增大，電機制動力達到最大值，前輪機械制動力逐漸增大，后輪機械制動力則按正常提供；

（4）CD段，屬于緊急制動情況，需要迅速且很大的制動力，此時完全由機械制動來控制制動。

當減速度不超過0.2g，這個過程需要的全部制動力都是電機供給的，即上圖中的B點處。當減速度在0.2g至 0.7g范圍內，是按照設定好的曲線參數進行分配制動力給車輛的前輪和后輪的，而由機電共同產生的力即車輛總制動力。當減速度超過0.7g，該情況屬于緊急剎車情況，此時需要迅速而且很大的力矩，全部制動力僅由機械制動來提供并完成制動任務，即在圖中的CD段。

3.2 并聯制動

并聯式再生制動系統是指在一般情況下，當純電動汽車處于電機制動時，電機制動力不足或者要達到駕駛員的意圖信號時，控制介入傳統汽車制動系統，從而機電并聯完成制動任務。如下圖4所示。其控制原理：驅動電機在不超出前輪的制動力度限定值的條件下，按照踏板的相關信號情況對車輪調整輸出制動力；若是行車過程電機制動失效，汽車依舊可以用機械制動來完成制動任務，保證安全。這種制動策略的制動能量回收率雖然比較低，但是制動力分配的關聯以及結構比較簡單，成本相對較低，工程上易于實現。

為了回收更多的制動能量和優化駕駛員感受，在保證電動汽車制動安全和制動操作穩定性的基礎上，該控制策略通過電子單元分析和判斷出最合理的制動力，分配調節再生制動力和前、后輪機械摩擦力和控制車輪制動力與電機的制動能量回收制動扭矩的關系來完成目標。因此，該策略需要更多的控制專業理論知識為基礎，還要結合實際試驗論證，如臺架實驗和實車實驗等。

4 制動能量回收率

4.1 可回收率

在制動過程中，除了要克服各種復雜的阻力和傳動機構傳遞部分能量損失以外，回收到蓄電池的能量所占整個制動過程中的總能量的比值成為可回收率。那么，整車動能變化Ed中半軸回收能量Ef所占的百分比就是可回收率ηQ。

式中：T為電機的扭矩，m為整車的質量，N為電機的轉速，V2為制動過程的初速度，V1為制動過程的末速度。

4.2 轉化率

在車輛制動的過程中，通過從車輪傳遞給半軸的機械動能，經傳動變速機構與發電機產生電能的效率稱為轉化率。而蓄電池的充電能量高低則可反應出能量轉化的效果，則有半軸所回收能量Et中蓄電池充電電能Er所占的百分比就是轉化率ηt。

式中：U為充電電壓，I為充電電流。

4.3 回收率

一般的，我們通常使用儲能裝置的相關參數來反映出能量的多少，而制動能量回收利用裝置通過電機把的能量轉化后給蓄電池充電的效率稱為轉化率。該裝置的回收率存在以下關系：

在電動車整車動能變化量Ez中蓄電池充電能量Er所占的百分比就是其回收率ηv。

5 結語

制動能量回收問題對于提高電動汽車的能量利用率和增加續航里程具有重要意義。從相關研究可知，在都市路況運行時，繁瑣的剎車與起步，有效地回收的制動能量可增加10%～30%，隨著技術的完善和成熟，回收率會越來越高。

（本文來源于2017年廣西科技大學自治區級大學生創新創業訓練計劃項目“純電動汽車制動能量回收利用裝置設計”項目編號：201710594224）成果

參考文獻：

[1]萬里翔，汽車制動能量回收系統的研究.西南交通大學博士學位論文.2008.9.

[2]苗軍，電動汽車再生制動控制策略研究[D].北京：北方工業大學，2011.