純電動(dòng)汽車能量回收利用策略設(shè)計(jì)

王玉麟　曾雨晨　曾勝德

摘 要：通過對(duì)純電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)部分能量回收再利用，能實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車在行駛制動(dòng)過程中把制動(dòng)熱能轉(zhuǎn)化為電能，該設(shè)計(jì)是在汽車減速制動(dòng)時(shí)，依靠車輪與地面作用力反向拖動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)角色，產(chǎn)生電能和車輪制動(dòng)力矩，降低車速的同時(shí)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能回收并保存到儲(chǔ)能裝置中，用于電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)車輛，該過程實(shí)現(xiàn)了能量的回收和重復(fù)利用，減少損失，增強(qiáng)純電動(dòng)汽車的利用效率和提高續(xù)航能力。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；制動(dòng)能量回收利用策略；利用效率

1 引言

針對(duì)國內(nèi)外純電動(dòng)力汽車制動(dòng)時(shí)能量損失，設(shè)計(jì)出一款純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收利用的裝置，這不僅適于社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，還利用了汽車新能源技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，改善經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，降低環(huán)境污染和改善環(huán)境。本次設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收和利用裝置是一種能夠在車輛減速制動(dòng)時(shí)，依靠車輛向前行駛的慣性力帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，輪胎與地面產(chǎn)生互相作用力，再把動(dòng)力傳給電機(jī)，此時(shí)電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)角色，電機(jī)轉(zhuǎn)子切割磁感線產(chǎn)生電能和一定的反力矩，從而降低車速和把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能回饋給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)能量回收的目的，并且增強(qiáng)電動(dòng)汽車能量的循環(huán)利用效率和續(xù)航能力。

2 能量回收利用裝置的工作原理

電動(dòng)機(jī)是純電動(dòng)汽車的核心，即做為驅(qū)動(dòng)裝置的牽引電機(jī)，也作為發(fā)電機(jī)發(fā)電。電動(dòng)汽車在制動(dòng)過程中，將一部分動(dòng)能通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反向傳給電機(jī)，此時(shí)電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)角色處于發(fā)電狀態(tài)并向蓄電池充電；電機(jī)在發(fā)電的同時(shí)產(chǎn)生的磁場阻力反作用于車輪，從而達(dá)到使汽車降速的目的。如圖1所示，為制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換流程基本原理圖。

當(dāng)需要電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)，電控單元控制電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)的角色，并且處于發(fā)電狀態(tài)，回收動(dòng)能并且給蓄電池補(bǔ)充充電，反之，當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，電機(jī)充當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的狀態(tài)，蓄電池給其供電驅(qū)動(dòng)車輛。由于存在有液壓制動(dòng)系統(tǒng)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)過程中各種模式下會(huì)出現(xiàn)壓力波動(dòng)，特別是在緊急制動(dòng)過程中產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)車輪發(fā)生抱死，引發(fā)安全事故，所以需要通過ABS調(diào)節(jié)來消除波動(dòng)。

3 制動(dòng)能量回收的策略

汽車的制動(dòng)力分配是否得當(dāng)，會(huì)對(duì)整車安全性和穩(wěn)定性、制動(dòng)能量回收效率和駕駛舒適性等影響，所以要綜合各方面的因素進(jìn)行分配。因此，我們要把制動(dòng)力分配調(diào)節(jié)至最好狀態(tài)下，才能更好的獲得最佳控制策略。

汽車速度和制動(dòng)減速度影響著純電動(dòng)汽車的制動(dòng)力分配，如圖2所示，電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收控制策略的核心是在確保制動(dòng)性能和安全性能要求的條件下，要保證最大限度回收能量，那么就要調(diào)配和控制好回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力之間的平衡。

3.1 在串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)車速和制動(dòng)踏板信號(hào)，電機(jī)和電池的狀態(tài)首先判斷電機(jī)的制動(dòng)力大小，并對(duì)電機(jī)制動(dòng)力和機(jī)械制動(dòng)力進(jìn)行按照駕駛員的需求分配。串聯(lián)式制動(dòng)力控制策略的設(shè)計(jì)是根據(jù)理想狀態(tài)時(shí)的制動(dòng)力分配曲線的前提下進(jìn)行的，它又分為最佳制動(dòng)性能控制策略和最佳制動(dòng)能量回收率的控制策略兩種情況。

3.1.1 最佳制動(dòng)性能控制策略

該策略也叫做理想制動(dòng)力控制策略，它是指按照理想狀態(tài)分配制動(dòng)力曲線，對(duì)前輪和后輪的制動(dòng)力進(jìn)行合理分配的策略。這樣可以在保證車輛的剎車穩(wěn)定性和效能達(dá)到最佳狀態(tài)下利用地面附著系數(shù)，但是這樣又限定了使驅(qū)動(dòng)輪上的制動(dòng)力最大值，從而限制了制動(dòng)能量的回收。

3.1.2 最佳制動(dòng)能量回收率控制策略

該策略是指在電動(dòng)汽車剎車減速度和保證前、后輪在不抱死的情況下，實(shí)現(xiàn)能量回收率的最大限度（如圖3所示）。本設(shè)計(jì)的控制策略不會(huì)改變?cè)瓉碇苿?dòng)系統(tǒng)的自由行程，而且能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在這種制動(dòng)策略中，制動(dòng)踏板開度越大，對(duì)應(yīng)制動(dòng)減速度就越大，其制動(dòng)力變化過程分為四個(gè)階段，如：

（1）OA段，沒有踩制動(dòng)踏板，沒有制動(dòng)力產(chǎn)生；

（2）AB段，僅有電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力，前后輪機(jī)械制動(dòng)不工作；

（3）BC段，隨著制動(dòng)力增大，電機(jī)制動(dòng)力達(dá)到最大值，前輪機(jī)械制動(dòng)力逐漸增大，后輪機(jī)械制動(dòng)力則按正常提供；

（4）CD段，屬于緊急制動(dòng)情況，需要迅速且很大的制動(dòng)力，此時(shí)完全由機(jī)械制動(dòng)來控制制動(dòng)。

當(dāng)減速度不超過0.2g，這個(gè)過程需要的全部制動(dòng)力都是電機(jī)供給的，即上圖中的B點(diǎn)處。當(dāng)減速度在0.2g至 0.7g范圍內(nèi)，是按照設(shè)定好的曲線參數(shù)進(jìn)行分配制動(dòng)力給車輛的前輪和后輪的，而由機(jī)電共同產(chǎn)生的力即車輛總制動(dòng)力。當(dāng)減速度超過0.7g，該情況屬于緊急剎車情況，此時(shí)需要迅速而且很大的力矩，全部制動(dòng)力僅由機(jī)械制動(dòng)來提供并完成制動(dòng)任務(wù)，即在圖中的CD段。

3.2 并聯(lián)制動(dòng)

并聯(lián)式再生制動(dòng)系統(tǒng)是指在一般情況下，當(dāng)純電動(dòng)汽車處于電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)制動(dòng)力不足或者要達(dá)到駕駛員的意圖信號(hào)時(shí)，控制介入傳統(tǒng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)，從而機(jī)電并聯(lián)完成制動(dòng)任務(wù)。如下圖4所示。其控制原理：驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不超出前輪的制動(dòng)力度限定值的條件下，按照踏板的相關(guān)信號(hào)情況對(duì)車輪調(diào)整輸出制動(dòng)力；若是行車過程電機(jī)制動(dòng)失效，汽車依舊可以用機(jī)械制動(dòng)來完成制動(dòng)任務(wù)，保證安全。這種制動(dòng)策略的制動(dòng)能量回收率雖然比較低，但是制動(dòng)力分配的關(guān)聯(lián)以及結(jié)構(gòu)比較簡單，成本相對(duì)較低，工程上易于實(shí)現(xiàn)。

為了回收更多的制動(dòng)能量和優(yōu)化駕駛員感受，在保證電動(dòng)汽車制動(dòng)安全和制動(dòng)操作穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，該控制策略通過電子單元分析和判斷出最合理的制動(dòng)力，分配調(diào)節(jié)再生制動(dòng)力和前、后輪機(jī)械摩擦力和控制車輪制動(dòng)力與電機(jī)的制動(dòng)能量回收制動(dòng)扭矩的關(guān)系來完成目標(biāo)。因此，該策略需要更多的控制專業(yè)理論知識(shí)為基礎(chǔ)，還要結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)論證，如臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和實(shí)車實(shí)驗(yàn)等。

4 制動(dòng)能量回收率

4.1 可回收率

在制動(dòng)過程中，除了要克服各種復(fù)雜的阻力和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞部分能量損失以外，回收到蓄電池的能量所占整個(gè)制動(dòng)過程中的總能量的比值成為可回收率。那么，整車動(dòng)能變化Ed中半軸回收能量Ef所占的百分比就是可回收率ηQ。

式中：T為電機(jī)的扭矩，m為整車的質(zhì)量，N為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，V2為制動(dòng)過程的初速度，V1為制動(dòng)過程的末速度。

4.2 轉(zhuǎn)化率

在車輛制動(dòng)的過程中，通過從車輪傳遞給半軸的機(jī)械動(dòng)能，經(jīng)傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)與發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的效率稱為轉(zhuǎn)化率。而蓄電池的充電能量高低則可反應(yīng)出能量轉(zhuǎn)化的效果，則有半軸所回收能量Et中蓄電池充電電能Er所占的百分比就是轉(zhuǎn)化率ηt。

式中：U為充電電壓，I為充電電流。

4.3 回收率

一般的，我們通常使用儲(chǔ)能裝置的相關(guān)參數(shù)來反映出能量的多少，而制動(dòng)能量回收利用裝置通過電機(jī)把的能量轉(zhuǎn)化后給蓄電池充電的效率稱為轉(zhuǎn)化率。該裝置的回收率存在以下關(guān)系：

在電動(dòng)車整車動(dòng)能變化量Ez中蓄電池充電能量Er所占的百分比就是其回收率ηv。

5 結(jié)語

制動(dòng)能量回收問題對(duì)于提高電動(dòng)汽車的能量利用率和增加續(xù)航里程具有重要意義。從相關(guān)研究可知，在都市路況運(yùn)行時(shí)，繁瑣的剎車與起步，有效地回收的制動(dòng)能量可增加10%～30%，隨著技術(shù)的完善和成熟，回收率會(huì)越來越高。

（本文來源于2017年廣西科技大學(xué)自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“純電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收利用裝置設(shè)計(jì)”項(xiàng)目編號(hào)：201710594224）成果

參考文獻(xiàn)：

[1]萬里翔，汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究.西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文.2008.9.

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