電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 張旭 于士軍

電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 張旭 于士軍

為進(jìn)一步提高對(duì)電動(dòng)汽車(chē)能量的利用效率以增加汽車(chē)的續(xù)航里程，本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的研究，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量的回收系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，借此來(lái)提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力。

制動(dòng)能量；電動(dòng)汽車(chē)；制動(dòng)力分配

1 引言

隨著石油資源的日益匱乏，為節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，人們開(kāi)始著手研究新能源。電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)運(yùn)而生，且已經(jīng)成為一種新型的代步工具。但是其電池電量的補(bǔ)充和利用是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的最大問(wèn)題。為解決當(dāng)前存在的問(wèn)題，增加電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，研究電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的能量損耗產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步提高對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)能量的回收效率增強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性。

2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)基本原理

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，能量?jī)?chǔ)存和利用問(wèn)題限制了其發(fā)展。提高對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量的回收效率，可以有效提高電動(dòng)汽車(chē)的能量利用，從而可以有效增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。在制動(dòng)過(guò)程中，采用電制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)轉(zhuǎn)化一部分汽車(chē)動(dòng)能給蓄電池以對(duì)其充電，實(shí)現(xiàn)能量回收。國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)研究表明，在制動(dòng)和起動(dòng)工況比較頻繁的情況下有效地回收制動(dòng)能量可以提高10%～30%的續(xù)航里程。

3 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的構(gòu)成

區(qū)別于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)，本制動(dòng)系統(tǒng)加入了一個(gè)能量轉(zhuǎn)化裝置，以此實(shí)現(xiàn)部分制動(dòng)能量的回收。本制動(dòng)系統(tǒng)的亮點(diǎn)是：在可以完成理想制動(dòng)的前提下，通過(guò)與驅(qū)動(dòng)輪連接的能量轉(zhuǎn)化裝置，將制動(dòng)產(chǎn)生的一部分能量進(jìn)行儲(chǔ)存，以達(dá)到回收制動(dòng)能量的目的。具體流程如圖1所示：粗框（線(xiàn)）流程為再生制動(dòng)能量回收過(guò)程；細(xì)框（線(xiàn)）是車(chē)輛驅(qū)動(dòng)過(guò)程。

圖1 制動(dòng)能量回收流程圖

電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換裝置，蓄電池是電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能裝置。制動(dòng)能量回收時(shí)，由電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)控制系統(tǒng)，利用功率器件控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而控制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速大小和方向變化，最終實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)由驅(qū)動(dòng)狀態(tài)變換到制動(dòng)狀態(tài)，蓄電池獲得了其中的一部分動(dòng)能，能量增加。

3.2 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)汽車(chē)減速制動(dòng)或者停車(chē)時(shí)，通過(guò)將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中以備后續(xù)使用。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)能量進(jìn)行回收時(shí)，電機(jī)的工作狀態(tài)為再生制動(dòng)運(yùn)行。在制動(dòng)時(shí)，首先要保證制動(dòng)的穩(wěn)定，然后斷開(kāi)控制電機(jī)兩端電源，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電流被切斷，在電機(jī)電樞兩端，把高頻開(kāi)關(guān)電路接入，控制該電路高頻通斷，具體電路如圖2所示。因?yàn)殡姍C(jī)具有電感，在高頻通斷過(guò)程中一定會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea及感應(yīng)電流i，兩者的關(guān)系為：

式中：L——電感量，t——時(shí)間。

圖2 電機(jī)再生制動(dòng)電路

3.3 儲(chǔ)能裝置選取

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，常用的儲(chǔ)能裝置包括蓄電池、燃料電池和超級(jí)電容等，可以單獨(dú)使用，也可以把這幾種儲(chǔ)能器件組合使用，也可以通過(guò)一些常用的性能指標(biāo)衡量?jī)?chǔ)能件特性，如比能量、比功率、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、快速充電性能、充放電時(shí)間及價(jià)格等。

選擇合適的儲(chǔ)能裝置是實(shí)現(xiàn)提高續(xù)航里程的一個(gè)重要部分。由于超級(jí)電容具有非常高的比功率（是蓄電池的20～100倍，可達(dá)到10kW/kg左右）；儲(chǔ)存電荷面積非常大（有的超級(jí)電容單元其電容量可達(dá)1F甚至幾萬(wàn)法）；采用特殊工藝生產(chǎn)的超級(jí)電容其等效電阻非常低；同時(shí)其具有優(yōu)異的充放電性能，當(dāng)其兩端電壓為額定電壓時(shí)，充電速度非?？觳⑶铱梢赃_(dá)到任意電壓值，當(dāng)放電時(shí)，可以將所儲(chǔ)存的全部電能全部釋放出，所以本系統(tǒng)選擇超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置。

3.4 制動(dòng)力分配

電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)力分為傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦制動(dòng)力和電機(jī)提供的能量回收的制動(dòng)力。電動(dòng)汽車(chē)在最大限度實(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(chē)總制動(dòng)力是通過(guò)摩擦制動(dòng)力和電機(jī)制動(dòng)力共同作用產(chǎn)生的，則有：

汽車(chē)減速度：

Fb為總制動(dòng)力，F(xiàn)hyd為機(jī)械摩擦制動(dòng)力，F(xiàn)mot為電機(jī)制動(dòng)力，m為汽車(chē)質(zhì)量。