淺談純電動汽車再生回收技術

吳敏

摘要：再生制動是用來回收電動汽車制動能量的一種技術，可有效增加電動汽車的行駛里程，本文以電動汽車作為研究對象，從再生技術方面著手，對再生制動系統的結構及原理、再生制動力矩分配、再生制動過程中電池儲能的需求分析、EV再生制動控制策略等問題進行了分析闡述。

關鍵詞：純電動汽車;再生;回收

一、再生制動系統的結構及原理

純電動汽車再生制動的系統結構，包括機械制動系統和電制動系統。機械制動系統由電泵、液壓調壓器、閥及制動踏板組成，電制動系統由電機、齒輪、電機控制系統、再生制動控制系統及蓄電池組成。

在再生制動過程中，電機由變頻器一側的勵磁電流來建立內部磁場，即電機的轉子電流里的勵磁分量不發生改變，因此，制動功能的完成只能通過改變電機轉子電流里的轉矩分量來實現。由電機原理可知，定子電流的轉矩分量隨著轉子電流而改變，特征是電機定子電流與轉矩反向，能量從系統交流側回饋至直流側，其機械特性曲線由坐標軸的第一象限的電動狀態到達第二象限的能量回饋狀態。

在電動汽車的再生制動過程中，感應電機再生發電時的特性曲線如圖1 所示。在車輛正常行駛過程中，電機處于電動運行狀態，此時，電機的機械特性曲線處于坐標軸第一象限，即曲線的A點，對應的轉速為，負載力矩為。當車輛制動時，目標轉速發生變化，控制變頻器的輸出電壓與頻率下降，此時，電機的運行特性曲線由fl曲線變為曲線，由于電機的轉速不能發生突變，電機的工作點由第一象限的A點變到第二象限的B點。由分析可以得到，此時的電磁轉矩為負，電機轉子的轉速大于其同步轉速，電機處于再生制動模式。如果不繼續減速，電機將仍按曲線運轉，轉速將沿曲線由（B點）減為（C點），最終電機變為電動狀態，穩定運行于D點。如果繼續減速，則電機會繼續保持發電機模式，特性曲線保持于第二象限內，由B點運行到E點。在頻率由給定的值減小為零時，電機會沿曲線，從E點運行到O點停車。

再生制動系統中的電機的定子端通過變頻器和蓄電池相連，當車輛制動時，電機轉子軸上產生了制動力矩，定子端同時感生電壓，感生電壓超前于變頻器的目標輸出電壓，變頻器工作在整流狀態，電池處于充電狀態。同時，轉差率絕對值減小，轉子轉速的減少讓電機轉子在切割其同步磁場時的速度也減小。而充電電流同樣會出現降低的趨勢，根據公式可得同步磁場轉速也降低，此時，轉差率下降，充電電流下降。

二、再生制動力矩分配

電動汽車制動運行時，需優先保證制動的有效性和響應的準確性，一方面是汽車行駛的安全性要求，另一方面是駕駛員的操控體驗。由前面的分析可知，電動汽車的制動系統由機械制動系統和電制動系統組成，因而存在兩種制動系統的制動力矩分配問題。在已知電制動力矩的前提下，分析再生制動的電流控制問題，因而僅對制動力矩的分配進行簡要分析。

當車速較低時再生制動力所占比例隨車速的增加而迅速增加，其原因在于前輪所分配的制動力矩在不斷增加，相應的前、后輪機械制動力在不斷地減小。當車速增加到一定程度時，后輪機械制動力保持不變，前輪的總制動力也保持不變，但此時前輪并沒有抱死，可以進一步增加再生制動力以降低前輪的機械制動力。隨著車速的繼續增加，前輪在制動時抱死，此時再生制動力達到最大值，并保持不變。

三、再生制動過程中電池儲能的需求分析

電池充電電流的大小通常采用充電倍率來表示，充電倍率用來表示電池的充電方式。

再生制動時，一方面考慮的是電池充電時的電流大小，充電電流不合適會降低電池性能，充電電流過大會使電池產生析氣、發熱現象，使電池內活性物質發生脫落，會降低電池的容量，從而使電池壽命減少。另一方面希望在再生制動過程中盡量高效吸收電動機回饋的電能，即電池充電電流盡可能大。而以上兩者是一對矛盾，因此，再生制動時充電電流的大小選擇問題成為急需解決的問題。由目前研究可知，電機發電功率與其自身性能、車載儲能電池的最大允許充電電流和充電功率有關。電動汽車制動過程復雜，不同情況時，儲能電池理想的充電方式不同。同時，充電的倍率不可高于儲能電池所允許的最大充電倍率，因為有可能會損壞儲能電池，也會因為傳輸線路溫度過高而燒壞線路，而系統過熱也會引發其他問題。通過對電池當前電量的估計，根據電量估計結果來計算電池的理想充電電流曲線，在該曲線限制下以最大電流充電。通過該方法解決電池的充電耐受力有限和期望再生能量回饋盡量大的矛盾。

四、EV再生制動控制策略

電動汽車采用電制動時，驅動電機運行在發電狀態，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，對延長電動汽車的行駛距離是至關重要的。國外有關研究表明，在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下，有效地回收制動能量，可使電動汽車的行駛距離延長10%-30%。

在EV性能提高并逐步邁向產業化的過程中，提高能量的儲備與利用率是迫切需要解決的兩個問題。盡管蓄電池技術有了長足進步，但由于受安全性、經濟性等因素的制約，近期不會有大的突破。因此如何提高EV能量利用率是一個非常關鍵的問題。

制動能量回收問題對于提高EV的能量利用率具有重要意義。電動汽車采用電制動時，驅動電機運行在發電狀態，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，對延長電動汽車的行駛距離是至關重要的。

①在操縱方法和操縱裝置上繼承或沿用內燃機汽車主要的操縱裝置和操縱方法，適應駕駛員的操縱習慣，使操作簡單化和規范化。

②在EV控制系統中，采用全自動或半自動的機電一體化控制系統，達到安全、可靠、節能、環保和靈活的目的。

③提高電池的比能量和比功率，實現電池的高能化。

④采用高效率的電流轉換系統和高效率的驅動電動機，提高電動機和驅動系統的效率。

⑤采用流線型車身，降低EV的迎風面積和空氣阻力系數，采用輕金屬材料、高強度復合材料和新型EV專用的車身和底盤結構，實現車身和底盤的輕量化，減輕EV的整備質量，采用低滾動阻力的輪胎，降低EV的行駛阻力。

⑥回收再制動能量，延長EV的行駛里程，提高EV的節能，降低空調系統的消耗。

（1）?? 制動模式。電動汽車制動可分為以下三種模式：

①急剎車。急剎車對應于制動加速度大于2rr-i/s2的過程。出于安全性方面的考慮，急剎車應以機械為主，電剎車同時作用。在急剎車時，可根據初始速度的不同，由車上ABS控制提供相應的機械制動力。

②中輕度剎車。中輕度剎車對應于汽車在正常工況下的制動過程，可分為減速過程與停止過程。電剎車負責減速過程，停止過程由機械剎車完成。兩種剎車的切換點由電機發電特性確定。

③汽車長下坡時的剎車。汽車長下坡一般發生在盤山公路下緩坡時。在制動力要求不大時，可完全由電剎車提供。其充電特點表現為回饋電流較小但充電時間較長。限制因素主要為電池的最大可充電時間。

（2）?? 制動能量回收系統應滿足以下要求：

①滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習慣。在電動汽車剎車過程中，對安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機械剎車的最佳覆蓋區間，在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統的電動汽車的剎車過程應盡可能地與傳統的剎車過程近似，這將保證在實際應用中，系統有吸引力，可以為大眾所接受。

②考慮驅動電機的發電工作特性和輸出能力。電動汽車中常用的是永磁直流電機或感應異步電機，應針對不同電機的發電效率特性，采取相應的控制手段。

③確保電池組在充電過程中的安全，防止過充電。電動汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時，避免因充電電流過大或充電時間過長而損害電池。