電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究

田楓，劉海洋，湯盼盼

（1．長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院, 陜西 西安 710064；2. 安徽大學(xué)文學(xué)院，安徽 合肥 230039）

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究

田楓1，劉海洋1，湯盼盼2

（1．長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院, 陜西 西安 710064；2. 安徽大學(xué)文學(xué)院，安徽 合肥 230039）

為進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的能量利用率以提高其續(xù)駛里程，本文對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)作了進(jìn)一步研究。本文論述了電動(dòng)汽車能量回收系統(tǒng)的原理并與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行比較，同時(shí)分析了機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)的分配關(guān)系并總結(jié)了復(fù)合制動(dòng)與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的區(qū)別，最后論述了電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的約束因素。

電動(dòng)汽車；制動(dòng)；能量回收；原理

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-47-04

前言

隨著環(huán)境污染與能源危機(jī)問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，新能源汽車成為了世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車使人們看到了解決環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題最有效的途徑和方法。研究表明，在城市行駛工況，大約有50%甚至更多的驅(qū)動(dòng)能量在制動(dòng)過(guò)程中損失掉[1]，郊區(qū)工況也有至少20%的驅(qū)動(dòng)能量在制動(dòng)過(guò)程損失掉。因此制動(dòng)能量回收是提高電動(dòng)車能量利用率的有效措施之一。

制動(dòng)能量回收，又稱回饋制動(dòng)或再生制動(dòng)，其可將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于電池中，同時(shí)施加電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩減少傳統(tǒng)制動(dòng)器的磨損，且改善了整車動(dòng)力學(xué)的控制性能[2]。因此，研究制動(dòng)能量回收技術(shù)具有重要意義。

1、再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理

1.1 傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

使行駛中的汽車減速直至停車，使下坡行駛的汽車速度保持穩(wěn)定，以及使已停駛的汽車保持不動(dòng)，這些作用統(tǒng)稱為汽車制動(dòng)。傳統(tǒng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)主要為摩擦制動(dòng)，可分為鼓式制動(dòng)和盤(pán)式制動(dòng)兩大類[3]。

傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)由圖1可見(jiàn)：

傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)主要由四部分組成：供能裝置，控制裝置，傳動(dòng)裝置和制動(dòng)器。制動(dòng)過(guò)程中駕駛員踩下制動(dòng)踏板通過(guò)真空助力器作用到制動(dòng)總泵上，再通過(guò)制動(dòng)管路將制動(dòng)油壓傳到四個(gè)車輪的制動(dòng)器上，從而使得鼓式或盤(pán)式制動(dòng)器進(jìn)行各車輪的制動(dòng)。

1.2 再生制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理

1.2.1 再生制動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

再生制動(dòng)是電動(dòng)車在保證制動(dòng)效能的前提下，通過(guò)與驅(qū)動(dòng)軸相連的能量轉(zhuǎn)換裝置把一部分能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，達(dá)到回收制動(dòng)能量目標(biāo)的一種技術(shù)[4]。再生制動(dòng)系統(tǒng)基本工作流程如圖2所示：實(shí)線流程為再生制動(dòng)能量回收過(guò)程；虛線流程為車輛驅(qū)動(dòng)過(guò)程，本文主要研究實(shí)現(xiàn)部分的再生制動(dòng)能量回收過(guò)程。

電動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)換裝置為電機(jī)，儲(chǔ)能裝置為蓄電池。再生制動(dòng)即是電動(dòng)汽車制動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)相關(guān)功率器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩大小與方向的改變，從而實(shí)現(xiàn)車輛從驅(qū)動(dòng)狀態(tài)切換到制動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而將部分行進(jìn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能回收到蓄電池中。

1.2.2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的基本原理

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收是指汽車在減速制動(dòng)時(shí)，將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，并加以利用。

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收時(shí)，電機(jī)工作于再生制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，其電路原理圖如圖3 所示：制動(dòng)過(guò)程中，在保證制動(dòng)穩(wěn)定性的前提下，控制電機(jī)兩端電源斷開(kāi)，切斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電流，電機(jī)電樞兩端接入一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)電路，使該電路能夠高頻通斷[5]。由于電機(jī)屬于點(diǎn)感性設(shè)備，在高頻通斷過(guò)程中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea和感生電流i兩者關(guān)系為：

式中，L為電機(jī)電感量；t為時(shí)間變量。

開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，電機(jī)處于回路中，感應(yīng)電流為制動(dòng)電流Iz，即：

式中，Rd為電樞電阻，Rw為限流電阻。

開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，由于電感作用，|didt|會(huì)迅速上升，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea大小也隨即升高，當(dāng)其不斷升高直至高于蓄電池電壓U(即|Ea|〉U)時(shí)，電機(jī)電樞與蓄電池即形成回饋電路，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)引起的感應(yīng)電流Ie將流向蓄電池，Ie大小為：

電機(jī)再生制動(dòng)過(guò)程實(shí)際就是電機(jī)在正轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行中電機(jī)電池通過(guò)回饋電路連接而形成的回饋制動(dòng)過(guò)程，出一部分電量消耗于電樞負(fù)載外，其余都回流到蓄電池組，實(shí)現(xiàn)能量回收目標(biāo)。

2、機(jī)械制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)的分配關(guān)系

在電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)力分配如圖4所示，制動(dòng)力是由兩部分力組成，一部分由傳統(tǒng)的氣/液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供的摩擦制動(dòng)力，另一部分是由電機(jī)提供的能量回收制動(dòng)力。電動(dòng)汽車的制動(dòng)控制策略核心是在最大限度的實(shí)現(xiàn)能量回收的前提下，協(xié)調(diào)電機(jī)制動(dòng)與機(jī)械摩擦制動(dòng)力的分配關(guān)系。

汽車總的制動(dòng)力由摩擦制動(dòng)力與電機(jī)制動(dòng)力共同作用。則有，

式中，F(xiàn)b總的制動(dòng)力；Fhyd機(jī)械摩擦系統(tǒng)提供的制動(dòng)力；Fmot電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)提供的制動(dòng)力，m為汽車質(zhì)量。

通常汽車制動(dòng)過(guò)程可以分為緊急制動(dòng)、正常制動(dòng)、長(zhǎng)下坡緩行制動(dòng)三類[6]。

（1）緊急制動(dòng)

（2）正常制動(dòng)

該制動(dòng)過(guò)程可分為減速過(guò)程和停止過(guò)程，其中減速過(guò)程對(duì)應(yīng)的制動(dòng)減速度小于。整車制動(dòng)力主要由Fmot提供，在Fmot所提供的制動(dòng)力不能滿足制動(dòng)要求時(shí)，摩擦制動(dòng)力Fhyd才起作用。減速過(guò)程能夠最大限度的利用再生制動(dòng)力，使汽車減速的同時(shí)把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能加以存儲(chǔ)利用，停止過(guò)程主要由摩擦制動(dòng)完成。因此正常制動(dòng)情況下能夠回收的制動(dòng)能量較多。

（3）長(zhǎng)下坡緩行制動(dòng)

汽車長(zhǎng)下坡，當(dāng)制動(dòng)力要求不大時(shí)，可完全由電機(jī)再生制動(dòng)力Fmot提供，因此這部分能量也可以回收。當(dāng)Fmot不能滿足下坡制動(dòng)要求時(shí)，摩擦制動(dòng)力Fhyd才起作用。但由于下長(zhǎng)坡的幾率比較小，故回收能量情況較少。

3、復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)比[5]

（1）能量利用率

傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，主要通過(guò)摩擦方式制動(dòng)，在制動(dòng)過(guò)程中把機(jī)械能通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)換成熱能。而復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，可以把制動(dòng)過(guò)程中的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)到儲(chǔ)能元件加以再利用，從而增加了能量利用率。

（2）制動(dòng)可靠性

在電動(dòng)汽車長(zhǎng)下坡時(shí)，因頻繁制動(dòng)摩擦，使制動(dòng)副表面溫度升高而失效，不穩(wěn)定因素增加。而復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，可以減小摩擦制動(dòng)器的使用頻率，有效的降低制動(dòng)副表面溫度，提高了制動(dòng)效能和制動(dòng)安全性。

（3）續(xù)駛里程

傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，把制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)換成熱能的形式損失掉。而復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，可以吸收再利用這部分制動(dòng)能量，很大程度的提高了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

（4）維修保養(yǎng)

傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，由于制動(dòng)器以摩擦制動(dòng)方式工作，需要經(jīng)常更換剎車片，因此增加了車輛的維修保養(yǎng)費(fèi)用。而帶有制動(dòng)能量回收裝置的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，可以有效的減小摩擦制動(dòng)器的使用頻率，降低車輛的維修保養(yǎng)費(fèi)用。

4、電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收的約束條件

一般情況下其約束因素有儲(chǔ)能裝置、制動(dòng)力分配比例、電機(jī)性能、驅(qū)動(dòng)類型、行駛工況、符合駕駛習(xí)慣等[7]。

（1）儲(chǔ)能裝置。電動(dòng)汽車上常用的儲(chǔ)能裝置有蓄電池、燃料電池、超級(jí)電容、飛輪等，其中最主要的還是蓄電池，因此，在制動(dòng)能量回收時(shí)要充分考慮蓄電池的狀態(tài)，如果電池SOC值超過(guò)上限值，為保護(hù)電池則不應(yīng)充電[8]。

（2）制動(dòng)力分配比例。制動(dòng)過(guò)程中，對(duì)車輛制動(dòng)安全性的要求是第一位的。需要找到機(jī)械制動(dòng)與電制動(dòng)的最佳結(jié)合點(diǎn)，在確保制動(dòng)安全性的前提下，最大限度的回收制動(dòng)能量[9]。

（3）電機(jī)性能。作為再生制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，電機(jī)的制動(dòng)能力越好，就可在分配再生制動(dòng)力與機(jī)械制動(dòng)力時(shí)提高再生制動(dòng)力比例，提高制動(dòng)能量回收效果。此外電機(jī)的發(fā)電效率對(duì)制動(dòng)能量回收有很大影響。

（4）驅(qū)動(dòng)類型。從車型角度考慮，制動(dòng)過(guò)程中能夠回收能量均只是驅(qū)動(dòng)輪上的行駛動(dòng)能，而從動(dòng)輪上的動(dòng)能只能依靠機(jī)械摩擦制動(dòng)產(chǎn)生的熱量消耗掉。因此，在保證制動(dòng)安全的前提下，盡可能多的向驅(qū)動(dòng)輪分配制動(dòng)力有利于提高制動(dòng)能量回收效率。

（5）行駛工況。若電動(dòng)汽車行駛在城市交通較擁擠道路上，需要頻繁起步、加速、減速，則制動(dòng)工況較多，能夠增加能量回收效果；若電動(dòng)汽車行駛在高速公路，很少出現(xiàn)制動(dòng)減速工況，則制動(dòng)能量回收較少。

（6）符合駕駛習(xí)慣。應(yīng)充分考慮電動(dòng)汽車駕駛?cè)撕统丝偷氖孢m性，對(duì)于傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)踏板開(kāi)度角的大小與制動(dòng)力矩成正比[10]。則在具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車制動(dòng)過(guò)程中，駕駛?cè)藢?duì)制動(dòng)踏板的感覺(jué)應(yīng)盡可能與傳統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程相近[9]。

5、總結(jié)

本文在對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)與電動(dòng)汽車回饋制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上論述了其制動(dòng)能量回收的原理以及機(jī)械摩擦制動(dòng)力與電機(jī)回饋制動(dòng)力的分配關(guān)系得出了在最大比例回收能量條件下的分配關(guān)系圖，并將復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械摩擦制動(dòng)系統(tǒng)在能量利用率、制動(dòng)可靠性、續(xù)駛里程、維修保養(yǎng)方面作比較得出復(fù)合制動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后通過(guò)分析論證得出制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的約束條件儲(chǔ)能裝置、制動(dòng)力分配比例、電機(jī)性能、驅(qū)動(dòng)類型、行駛工況、符合駕駛習(xí)慣等，為今后繼續(xù)發(fā)展制動(dòng)能量回收系統(tǒng)指明了方向。

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3.2 EGR對(duì)柴油機(jī)工作性能的影響

由于柴油機(jī)燃燒時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)總是大于1，排氣中的氧含量比汽油機(jī)高得多，CO2濃度要小得多，因而必須使用比汽油機(jī)更大的EGR率才能有效降低NOX。一般汽油機(jī)的EGR率不超過(guò)20%，而直噴式和非直噴式柴油機(jī)的EGR率可分別超過(guò)40%和25%。[4]由于廢氣的溫度比新鮮空氣的溫度高，隨著EGR率的增加，進(jìn)氣溫度會(huì)提高;而柴油機(jī)負(fù)荷和排氣溫度的增加又會(huì)進(jìn)一步提高引入廢氣的溫度，隨著EGR率的增加，進(jìn)氣溫度會(huì)進(jìn)一步增加。由于廢氣的引入使進(jìn)氣的溫度升高，在低負(fù)荷時(shí)因噴入柴油機(jī)的燃油量較少，使著火延長(zhǎng)期減少; 而在大負(fù)荷時(shí)，因噴入的燃油量增大，由于廢氣的引入使燃?xì)庵械难鯘舛茸冃《鴮?duì)著火不利，使著火延長(zhǎng)期增大。

采用EGR可使NOX明顯降低的原因除由于大量隋性氣體阻礙了燃燒的快速進(jìn)行及混合氣的比熱容增大使燃燒溫度降低(EGR率為20%和25%時(shí)，燃燒最高溫度比無(wú)EGR時(shí)分別低50e和100e左右)外，EGR對(duì)進(jìn)氣加熱和稀釋造成實(shí)際的過(guò)量空氣系數(shù)下降也是重要原因。因此，在NOX降低的同時(shí)，尤其在較大負(fù)荷時(shí)，碳煙和油耗會(huì)隨之惡化，可采用冷卻EGR的方法使發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化的趨勢(shì)受到抑制。由于燃燒速度的減慢，可使壓力升高比下降，既可改善柴油機(jī)工作的粗暴性，且隨EGR率的增大而更明顯，還可使最高爆發(fā)壓力降低，且最高爆發(fā)壓力的出現(xiàn)角度前移。

4、EGR應(yīng)用的難點(diǎn)及發(fā)展展望

目前怎樣把EGR運(yùn)用于所有的速度和負(fù)荷，仍是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。尤其是內(nèi)燃機(jī)在高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，如何在保證足夠的動(dòng)力性的同時(shí)，使用EGR降低NOx的排放是一個(gè)重要的課題，采用各種EGR的處理措施，如EGR冷卻、EGR氧化和EGR燃油重整等為解決此問(wèn)題提供了努力的方向，其中EGR冷卻目前已進(jìn)入實(shí)用化階段。[5]對(duì)EGR的作用機(jī)理的深入研究是必要的，其中包括EGR中各種化學(xué)成分以及各種物性參數(shù)對(duì)工作的影響。由于大量使用EGR可能引起內(nèi)燃機(jī)性能的不穩(wěn)定，這樣，處于最優(yōu)控制狀態(tài)下實(shí)際使用的最大EGR率就要變小，EGR的作用就得不到最充分的發(fā)揮。充分的EGR控制需要對(duì)實(shí)際的EGR率和燃燒質(zhì)量監(jiān)測(cè)，要建立足夠的反饋控制機(jī)制，在這方面還有待我們進(jìn)一步研究。

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Braking Energy Recovery System for Electric Vehicle

Tian Feng1, Liu Haiyang1, Tang Panpan2
(1.Automobile Institute,Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064; 2.Anhui University, Liberal College, Anhui Hefei 230039）

To further enhance the energy efficiency of electric vehicles in order to improve their driving range，In this paper, the electric vehicle braking energy recovery system has been further studied. This paper discusses the principle of energy recovery system for electric vehicles and compares with conventional braking systems. Also analyzed the distribution relationship between the mechanical brake system and motor brake system, and this paper summarizes the differences between conventional composite brake and friction braking system. Finally, it discusses the constraints of electric vehicles braking energy recovery.

Electric vehicle; braking; energy recovery; principle;

U463.5

A

1671-7988(2015)02-47-04

田楓，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院車輛工程專業(yè)。