電動(dòng)汽車制動(dòng)能回收與利用系統(tǒng)*

肖佐無王海波

（1.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系；2.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院汽車電子工程系）

當(dāng)前電動(dòng)汽車的制動(dòng)方法主要是機(jī)械摩擦制動(dòng)，其制動(dòng)能被白白浪費(fèi)。研究表明：城市循環(huán)工況下，汽車制動(dòng)消耗的能量占整車驅(qū)動(dòng)能量的31%～57%，如果對制動(dòng)能加以再利用，則汽車的平均續(xù)行里程將提高20%～30%[1]。故研究汽車制動(dòng)能的回收和再利用對于節(jié)約能源具有重要的意義。當(dāng)前純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)首選為直流無刷電機(jī)[2]，其能四象限運(yùn)行的特點(diǎn)，支持汽車制動(dòng)能的回收和再利用；超級電容具有高的功率密度和低的能量密度，適合作為制動(dòng)能回收裝置。因此文章基于超級電容及無刷直流電機(jī)，對汽車制動(dòng)能的回收和再利用進(jìn)行了研究。

1 電動(dòng)汽車制動(dòng)能回收與利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車制動(dòng)能回收與利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。因?yàn)槿嗳貥蚴侥孀冸娐穾Юm(xù)流二極管，無刷直流電機(jī)的交流電動(dòng)勢經(jīng)過續(xù)流二極管的整流，在逆變器的輸入端轉(zhuǎn)換為直流電壓。

電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況分為：

1）電池電動(dòng)工況：開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2和S3斷開，電池給逆變器供電，驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，帶動(dòng)車輪負(fù)載。

2）制動(dòng)能回收工況：開關(guān)S1斷開，開關(guān)S2接通，開關(guān)S3斷開，無刷直流電機(jī)的三相梯形交流電動(dòng)勢，經(jīng)過帶續(xù)流二極管的逆變器整流，在逆變器的輸入端轉(zhuǎn)換為直流電，該直流電經(jīng)過BUCK斬波器進(jìn)行可控恒流充電，在充電的同時(shí)獲得穩(wěn)定的制動(dòng)力矩。

3）制動(dòng)能利用工況：在超級電容存儲了足夠的電能前提下，開關(guān)S1和S2斷開，開關(guān)S3接通，超級電容經(jīng)過BOOST斬波器進(jìn)行穩(wěn)壓放電，穩(wěn)定的電壓供給逆變器驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)帶動(dòng)車輪負(fù)載，從而利用了制動(dòng)能，達(dá)到了節(jié)能的目的，提高了電動(dòng)汽車的續(xù)行里程。為了保證充分利用剎車的制動(dòng)能，在超級電容充電達(dá)到可以穩(wěn)壓供電的前提下，優(yōu)先使超級電容放電，為下次回饋制動(dòng)提供充電的空間。超級電容放電完畢，由電池給逆變器正常供電。

1.1 超級電容簡介

雙電層超級電容器模型有傳輸線數(shù)學(xué)模型[3]、拜得極化電池模型[4]及集總參數(shù)電路模型[5]等。其中集總參數(shù)電路模型十分簡練，并且相對準(zhǔn)確地體現(xiàn)了超級電容特點(diǎn)，故在儲能系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域中大都采用超級電容集總參數(shù)電路模型。超級電容的集總參數(shù)模型等效電路圖，如圖2所示。

圖2中，超級電容集總模型等效為一個(gè)理想的電容器（CF）與一個(gè)阻值較大的等效并聯(lián)電阻（Rep）并聯(lián)，再與一個(gè)阻值較小的等效串聯(lián)電阻（Res）串聯(lián)。一般Rep可達(dá)幾萬歐姆，故漏電流很小。但是由于Rep的存在，使得超級電容在不工作的狀態(tài)時(shí)也能產(chǎn)生一定的漏電流，影響電容的長期儲能能力，故設(shè)計(jì)要求Rep要盡可能大。在充放電過程中，Res要消耗電能發(fā)熱，使超級電容的能量效率不再為1，故對超級電容器的充放電過程有比較大的影響。充電過程中，電流流經(jīng)Res會產(chǎn)生一定能耗，并且可能會引起超級電容發(fā)熱的問題；在放電過程中，Res會對電壓產(chǎn)生分壓作用，從而減小超級電容放電范圍，如果放電電流較大，則Res會消耗較大的電壓和電能，嚴(yán)重降低超級電容儲能裝置的儲能效率；Res相對于普通電解電容來說比較大，可達(dá)幾毫歐，這嚴(yán)重限制了超級電容在高頻率和脈沖功率等場合中的應(yīng)用。故目前超級電容器主要用于直流儲能系統(tǒng)中，但隨著超級電容技術(shù)的不斷進(jìn)步，性能會更好。

1.2 回饋制動(dòng)的可控恒流充電

可控恒流充電過程，如圖3所示。因?yàn)闊o刷直流電機(jī)的制動(dòng)力矩與制動(dòng)電流成正比，即制動(dòng)電流大，則制動(dòng)力矩大；反之制動(dòng)電流小，則制動(dòng)力矩小。無刷直流電機(jī)在發(fā)電制動(dòng)中，制動(dòng)電流一般也是呈指數(shù)規(guī)律減少。超級電容在充電過程中隨著電壓升高，充電電流一般呈指數(shù)減小，故如果直接對超級電容充電，則充電電流是非線性，制動(dòng)力矩也是非線性，不利于制動(dòng)能的控制。

因此本系統(tǒng)對超級電容采用恒流充電的方式，在回收制動(dòng)能基礎(chǔ)上，利于控制制動(dòng)力矩。無刷直流電機(jī)的制動(dòng)能經(jīng)過降壓斬波器BUCK對超級電容充電，經(jīng)過電流采樣器，獲得充電電流大小，將設(shè)定電流與充電電流相減，得到誤差電流，將誤差信號送入PID控制器，控制移相器的占空比，使充電電流恒流充電，超級電容在恒流充電的前提下，得到穩(wěn)定的、可控制的制動(dòng)力矩。

在行車制動(dòng)過程中，減速過程是不定的，有時(shí)要求制動(dòng)力大，對應(yīng)的充電電流大，有時(shí)要求制動(dòng)力小，對應(yīng)的充電電流小，即制動(dòng)力是可以設(shè)定的。通過改變電流的給定值，可以方便控制恒流充電電流的大小，從而設(shè)定要求的制動(dòng)力。

1.3 制動(dòng)器機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車制動(dòng)力矩由摩擦力制動(dòng)和回饋制動(dòng)力矩2個(gè)部分構(gòu)成。為了充分回收制動(dòng)能，優(yōu)先使用回饋制動(dòng)，在回饋制動(dòng)不足的情況下，再使用機(jī)械摩擦制動(dòng)。為此設(shè)計(jì)制動(dòng)器制動(dòng)力行程分配圖，如圖4所示。

圖4中，在0～S1行程，制動(dòng)器采用回饋制動(dòng)，且隨著行程的增加，電流給定值逐漸增加，回饋制動(dòng)力逐漸加強(qiáng)；在S1～S行程，采用最大回饋制動(dòng)力加摩擦制動(dòng)，且隨著行程的增加，摩擦制動(dòng)力逐漸加強(qiáng)。這樣既保證足夠的制動(dòng)力，也盡量回收制動(dòng)能。

1.4 可控恒壓放電控制

可控恒壓放電系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5所示，超級電容存儲的電能通過斬波器給負(fù)載供電，由于超級電容隨著放電的進(jìn)行，端電壓呈指數(shù)逐漸降低，故直接用超級電容給負(fù)載供電；端電壓是逐漸下降且不穩(wěn)定的，故采用PID控制，穩(wěn)定電壓。

圖5中采用BOOST升壓斬波器對負(fù)載供電，BOOST斬波器的輸入與輸出函數(shù)關(guān)系為：

式中：Uo——斬波器輸出電壓，V；

Us——電源電壓，V；

α——觸發(fā)脈沖的占空比。

由公式可知，如果Us減少，適當(dāng)增加α，可以補(bǔ)償U(kuò)o的減少。

可控恒壓系統(tǒng)的工作原理為：負(fù)載的反饋電壓與給定電壓進(jìn)行比較，誤差電壓經(jīng)過PID控制器控制移相器的占空比。誤差越大，占空比輸出越大，斬波器輸出電壓越高，抵消超級電容電壓的下降，達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。該系統(tǒng)只要固定電壓的給定值，超級電容便可以在一定的電壓下穩(wěn)壓供電。

2 結(jié)論

文章針對電動(dòng)汽車制動(dòng)能回收與利用問題，提出了采用超級電容回收和利用制動(dòng)能，并且設(shè)計(jì)了3個(gè)循環(huán)工況的切換邏輯。針對制動(dòng)能的回收提出了基于PID的可控恒流充電的方法，既能回收制動(dòng)能又使制動(dòng)力矩隨著剎車行程呈現(xiàn)線性變化，有利于剎車控制，并且設(shè)計(jì)的制動(dòng)器的制動(dòng)力行程分配原則，保證了先利用回饋制動(dòng)后采用摩擦制動(dòng)，有利于回饋制動(dòng)能的回收；針對超級電容放電電壓不穩(wěn)的問題，提出了基于PID的可控穩(wěn)壓放電的方法，使超級電容能穩(wěn)定地給負(fù)載放電。該設(shè)計(jì)使用超級電容回收和利用電動(dòng)汽車的制動(dòng)能，同時(shí)也保證汽車的剎車操控性能，對于提高電動(dòng)汽車的續(xù)行里程具有重要的意義。研究中發(fā)現(xiàn)斬波器的非線性降低了控制性能，后續(xù)工作建議研究性能更好的斬波器，同時(shí)采用先進(jìn)算法提高控制性能。