新能源汽車再生制動系統(tǒng)能量回收特性研究

朱 騰，魏洪元，徐京京

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277599）

0 引言

目前，國內(nèi)汽車保有量逐漸上漲，帶來的環(huán)境、資源等問題日趨嚴(yán)峻，消耗了大量的不可再生資源，為此，國家每年進(jìn)口大量的石油資源，給社會帶來巨大的壓力。同時，國家環(huán)保部門對空氣環(huán)境要求日益嚴(yán)格，使得傳統(tǒng)的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)無法滿足環(huán)保要求[1-3]，尾氣排放已經(jīng)實行國六標(biāo)準(zhǔn)[4]。針對以上問題，國家大力發(fā)展新能源汽車技術(shù)[5]，在技術(shù)攻克上投入了大量的資金和人力，不但能夠有效地減小尾氣排放，緩解緊張的資源問題，而且汽車本身的能源利用率提升，滿足國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求。

制動作為汽車最主要的功能之一，需要消耗大量的機(jī)械能。在新能源汽車中，可通過能量回收技術(shù)，將制動返回能量并存儲在蓄電池內(nèi)。在新能源汽車液壓制動系統(tǒng)能量回收過程中，電池、電機(jī)以及能量回收裝置的工作狀態(tài)對能量回收效果有著關(guān)鍵的影響。在實際駕駛時，電機(jī)本身的扭矩?zé)o法滿足復(fù)雜的駕駛工況，因此需要通過液壓制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能量，約有50%的電機(jī)牽引能量最終以熱量的形式散發(fā)，能量如何高效存儲至關(guān)重要。通過對再生制動過程的研究，可有效地減小能量耗散，提升制動能量回收效率，改進(jìn)新能源汽車的最大續(xù)航性能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 能量存儲系統(tǒng)設(shè)計

1.1 能量回收過程

能量存儲系統(tǒng)對于各個部件的參數(shù)有著嚴(yán)格的要求，能量回收方案應(yīng)滿足全車運行策略[6]。鋰電池作為新能源汽車的主要供電裝置，在進(jìn)行功率調(diào)配時，需要基于功率比不變原則來實現(xiàn)能量分配。若電源的能量分配不合理，容易導(dǎo)致過載引起充電和放電故障，電池存儲電能效率低，電能容易耗盡，嚴(yán)重時導(dǎo)致意外停車，造成事故隱患。為解決該問題，一方面可通過提升電池本身容量實現(xiàn)足夠的驅(qū)動功率，一方面可通過改進(jìn)能量交互方案優(yōu)化最大放電電流的穩(wěn)定性。

在制動能量回收過程中，與蓄電池協(xié)同工作的還有超級電容，其根據(jù)電池的工作狀態(tài)判定功率需求[7]，當(dāng)出現(xiàn)電能過低時，將觸發(fā)蓄電池的主動充電響應(yīng)，如圖1所示。在能量存儲系統(tǒng)中，主要以電池的SOC為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理[8]，當(dāng)閾值超出限定范圍時，混合動力系統(tǒng)將電池作為保護(hù)狀態(tài)，牽引電機(jī)將以低功耗形式運行。在制動過程中，電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率將與電池的放電功率進(jìn)行實時地反饋比較。當(dāng)電機(jī)功率偏小時，蓄電池將補充電能，此時的能量轉(zhuǎn)換具有多向性，既有電池與超級電容之間的能量傳遞，又有電池向電機(jī)的功率傳遞。

圖1 不同工況下的能量轉(zhuǎn)換方向

1.2 再生制動結(jié)構(gòu)組成

在能量存儲系統(tǒng)中，再生制動的結(jié)構(gòu)決定著能量回收的總量。相比新能源汽車，燃油汽車在執(zhí)行制動工作時，制動鉗盤之間的摩擦力將直接使得動能轉(zhuǎn)換為熱能，不具備再生制動能量回收功能。對于新能源汽車，其增設(shè)的再生制動系統(tǒng)具有反饋機(jī)制，能夠有效地調(diào)配制動力和驅(qū)動力的大小，從而達(dá)到節(jié)能降耗效果。在汽車減速時，驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行反饋制動，此時能量轉(zhuǎn)換具有補給特性，即反饋中多于電能將充分儲存在能量回收系統(tǒng)，從而減少剎車盤與摩擦片之間的機(jī)械功能，降低熱量散失，同時確保制動摩擦副的溫度峰值不會過高，發(fā)生制動失效的概率大大降低，提升了制動的安全性與可靠性。再生制動系統(tǒng)持續(xù)工作后，能夠顯著提升新能源汽車的續(xù)航里程。在工程實踐中，不同的企業(yè)對再生制動系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的通用性。目前，主流的新能源汽車制造商多數(shù)采用以下再生制動結(jié)構(gòu)：穩(wěn)定供電和存儲電能的蓄電池組、具有反饋機(jī)制且有效回收電能的電動機(jī)、用于分配驅(qū)動力與制動力的控制器、電流轉(zhuǎn)換器、動力傳動系統(tǒng)等。

1.3 電機(jī)牽引力計算方法

合理的牽引力有利于改善能量回收效率，其計算主要依據(jù)運行路線、運動狀態(tài)、承載特性以及制動工況等。在計算電機(jī)牽引力時，一般需要假定運載具有不變性，通過驅(qū)動功率、運動學(xué)規(guī)律等特點進(jìn)行推算，以獲得最佳的供電電流。根據(jù)新能源汽車的再生制動系統(tǒng)組成，對于牽引力的計算可采用最小時分法和節(jié)能運算法，即分別采用最小運行時間和最小功耗為優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)節(jié)工作參數(shù)變量，以滿足不同類型車輛的工作需求和設(shè)計目標(biāo)。

不同方法對于邊界條件的設(shè)定是不同的，在再生制動過程中，結(jié)合能量存儲效率以及低功耗需求是主要尋求的優(yōu)化對象。在實際分析過程中，牽引力作為多個優(yōu)化目標(biāo)的其中之一，與整個系統(tǒng)的質(zhì)量、成本、性能協(xié)同運算。由于牽引力對電源的影響較大，因此對超級電容的性能要求較高。一般情況下，雖然超級電容的工作壽命相對較長，有的甚至可以超過10年，但運行的穩(wěn)定性一定程度上決定了蓄電池組的放電倍率以及放電深度以及表面溫度。為減小牽引力對電源的負(fù)面影響，可增設(shè)強(qiáng)制冷卻裝置，比如風(fēng)冷設(shè)備，有利于改善電池組的工作環(huán)境。

2 再生制動系統(tǒng)特性分析

2.1 電源系統(tǒng)特性

由于再生制動系統(tǒng)工作時將產(chǎn)生較大的反饋電流，要求電源在反饋區(qū)間具有較高的穩(wěn)定性。若電源在DC轉(zhuǎn)換時[9-10]，電壓將發(fā)生較大變化，高低電壓之間的轉(zhuǎn)變將帶動再生制動系統(tǒng)的能量回收。在能量回收過程中，預(yù)期目標(biāo)是以峰值電流運行，最大限度的增大充電效率，從而減少能量損失。然而，鋰電池組本身在充放電過程中有本身特有的屬性，強(qiáng)制進(jìn)行過大電流運行，容易出現(xiàn)電池?fù)p傷，壽命減少。由此可見，當(dāng)蓄電池的SOC參數(shù)過大時，再生制動系統(tǒng)的工作效率將急劇下降，甚至無法進(jìn)行能量回收。文中所研究新能源汽車所采用的蓄電池SOC特性如圖2所示，可以看出：隨著蓄電池SOC值的增大，所能承受的最大充電電流先增大后減?。划?dāng)SOC值長期處于較低的數(shù)值時，雖然電池可承擔(dān)的最大電流較大，但電池本身的熱量也隨之增大，對電池元件造成損傷；若電池的SOC值大于0.75，則需要緩慢降低充電電流，因為此時電源已經(jīng)接近飽和，防止過充。

2.2 電機(jī)特性

再生制動系統(tǒng)中的電動機(jī)是決定反饋電流大小和能量回收能力的關(guān)鍵部件，良好的電機(jī)選型可有助于提升充電功率，得到穩(wěn)定的輸出力矩。根據(jù)所選電機(jī)的機(jī)械特性可知：當(dāng)該電機(jī)啟動時，轉(zhuǎn)速將快速提升至基本速度，此時電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持不變，電機(jī)的可控范圍較大；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過基本速度時，電機(jī)的工作模式將發(fā)生變化，進(jìn)入恒功率狀態(tài)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，驅(qū)動力矩減小。相比兩種狀態(tài)，恒功率狀態(tài)下的能量回收效率更高，但在較低的行車速度下，電機(jī)發(fā)電能力明顯不足，不利于能量回收。在高速制動條件下，由于汽車的初速度較大，較大的電機(jī)轉(zhuǎn)速可帶來較小的制動力矩，而過小的力矩?zé)o法進(jìn)行再生制動的能量生成。由此可見，當(dāng)汽車行駛的速度過大或者過小時，均不利于再生制動系統(tǒng)的工作效率。

2.3 制動強(qiáng)度分析

根據(jù)制動系統(tǒng)的工作原理可知，較大的踩踏力將帶動連桿機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)實現(xiàn)較大的制動力，從而影響整個制動的時間和剎車距離。根據(jù)能量守恒定律可知，制動周期越短，再生制動的能量回收效率越高。但基于安全因素和制動力分配因素，制動力必須在某個范圍內(nèi)。一般情況下，汽車前輪的制動力分配系數(shù)更大，因為在慣性作用下，前輪承受的慣性力更大，對制動系統(tǒng)的要求也更高。因此，在制動系統(tǒng)設(shè)計時，前輪往往采用通風(fēng)盤式制動器，增大散熱效率，而后輪采用常規(guī)的實心盤式制動器。

3 不同制動狀態(tài)下的功率模擬

3.1 高速制動

在慣性實驗臺中，分別對再生制動和常規(guī)制動系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并測試電機(jī)的最大驅(qū)動功率。在高速制動條件下（恒定速度120 km/h），可得出電機(jī)功率隨時間變化規(guī)律如圖3所示，可以看出：初始條件下，常規(guī)制動的電機(jī)功率明顯比再生制動條件下的更高；在25 s時刻以后，兩種不同的制動狀態(tài)帶來的電機(jī)功率表現(xiàn)出顯著的匹配性，兩者在數(shù)值和變化趨勢上均差異不大。由此可見，高速制動不一定利于能量回收。

圖3 高速制動條件下的電機(jī)功率

3.2 低速制動

在低速制動條件下（恒定速度20 km/h），可得出電機(jī)功率隨時間變化規(guī)律如圖4所示，可以看出：再生制動與常規(guī)制動條件下的電機(jī)功率基本保持一致；從數(shù)值上看，再生制動略微大于常規(guī)制動。出現(xiàn)這種特性，與電機(jī)的固有特性密不可分，在較低的轉(zhuǎn)速下，電機(jī)尚未進(jìn)入良好的發(fā)電狀態(tài)，因此能量回收效率較低。

圖4 低速制動條件下的電機(jī)功率

3.3 中速制動

在中速制動條件下（恒定速度60 km/h），可得出電機(jī)功率隨時間變化規(guī)律如圖5所示，可以看出：在中速條件下，再生制動與常規(guī)制動條件下的電機(jī)功率具有較大的差異性，此時再生制動系統(tǒng)的能量回收效率較高；從數(shù)值上看，再生制動明顯大于常規(guī)制動。

圖5 中速制動條件下的電機(jī)功率

4 結(jié)束語

新能源汽車再生制動系統(tǒng)對于整體車輛的節(jié)能有著關(guān)鍵的影響，電機(jī)能量的回收效率是重要的研究內(nèi)容。再生制動系統(tǒng)能量回收功能影響著制動力的分配，這也是當(dāng)前工程技術(shù)方面需要解決的重點與難點。綠色環(huán)保、節(jié)能降耗是新能源汽車的特點，因此，需要基于關(guān)鍵技術(shù)提升制動過程中的穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)研究結(jié)論可知，解決高速和低速行駛條件下的能量回收問題是再生制動策略優(yōu)化的主要需求。通過多方面的控制方案，實現(xiàn)更佳的駕駛體驗。