淺談純電動汽車再生回收技術(shù)

吳敏

摘要：再生制動是用來回收電動汽車制動能量的一種技術(shù)，可有效增加電動汽車的行駛里程，本文以電動汽車作為研究對象，從再生技術(shù)方面著手，對再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理、再生制動力矩分配、再生制動過程中電池儲能的需求分析、EV再生制動控制策略等問題進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;再生;回收

一、再生制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

純電動汽車再生制動的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括機(jī)械制動系統(tǒng)和電制動系統(tǒng)。機(jī)械制動系統(tǒng)由電泵、液壓調(diào)壓器、閥及制動踏板組成，電制動系統(tǒng)由電機(jī)、齒輪、電機(jī)控制系統(tǒng)、再生制動控制系統(tǒng)及蓄電池組成。

在再生制動過程中，電機(jī)由變頻器一側(cè)的勵磁電流來建立內(nèi)部磁場，即電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流里的勵磁分量不發(fā)生改變，因此，制動功能的完成只能通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)子電流里的轉(zhuǎn)矩分量來實現(xiàn)。由電機(jī)原理可知，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量隨著轉(zhuǎn)子電流而改變，特征是電機(jī)定子電流與轉(zhuǎn)矩反向，能量從系統(tǒng)交流側(cè)回饋至直流側(cè)，其機(jī)械特性曲線由坐標(biāo)軸的第一象限的電動狀態(tài)到達(dá)第二象限的能量回饋狀態(tài)。

在電動汽車的再生制動過程中，感應(yīng)電機(jī)再生發(fā)電時的特性曲線如圖1 所示。在車輛正常行駛過程中，電機(jī)處于電動運行狀態(tài)，此時，電機(jī)的機(jī)械特性曲線處于坐標(biāo)軸第一象限，即曲線的A點，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為，負(fù)載力矩為。當(dāng)車輛制動時，目標(biāo)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，控制變頻器的輸出電壓與頻率下降，此時，電機(jī)的運行特性曲線由fl曲線變?yōu)榍€，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能發(fā)生突變，電機(jī)的工作點由第一象限的A點變到第二象限的B點。由分析可以得到，此時的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于其同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于再生制動模式。如果不繼續(xù)減速，電機(jī)將仍按曲線運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速將沿曲線由（B點）減為（C點），最終電機(jī)變?yōu)殡妱訝顟B(tài)，穩(wěn)定運行于D點。如果繼續(xù)減速，則電機(jī)會繼續(xù)保持發(fā)電機(jī)模式，特性曲線保持于第二象限內(nèi)，由B點運行到E點。在頻率由給定的值減小為零時，電機(jī)會沿曲線，從E點運行到O點停車。

再生制動系統(tǒng)中的電機(jī)的定子端通過變頻器和蓄電池相連，當(dāng)車輛制動時，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生了制動力矩，定子端同時感生電壓，感生電壓超前于變頻器的目標(biāo)輸出電壓，變頻器工作在整流狀態(tài)，電池處于充電狀態(tài)。同時，轉(zhuǎn)差率絕對值減小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的減少讓電機(jī)轉(zhuǎn)子在切割其同步磁場時的速度也減小。而充電電流同樣會出現(xiàn)降低的趨勢，根據(jù)公式可得同步磁場轉(zhuǎn)速也降低，此時，轉(zhuǎn)差率下降，充電電流下降。

二、再生制動力矩分配

電動汽車制動運行時，需優(yōu)先保證制動的有效性和響應(yīng)的準(zhǔn)確性，一方面是汽車行駛的安全性要求，另一方面是駕駛員的操控體驗。由前面的分析可知，電動汽車的制動系統(tǒng)由機(jī)械制動系統(tǒng)和電制動系統(tǒng)組成，因而存在兩種制動系統(tǒng)的制動力矩分配問題。在已知電制動力矩的前提下，分析再生制動的電流控制問題，因而僅對制動力矩的分配進(jìn)行簡要分析。

當(dāng)車速較低時再生制動力所占比例隨車速的增加而迅速增加，其原因在于前輪所分配的制動力矩在不斷增加，相應(yīng)的前、后輪機(jī)械制動力在不斷地減小。當(dāng)車速增加到一定程度時，后輪機(jī)械制動力保持不變，前輪的總制動力也保持不變，但此時前輪并沒有抱死，可以進(jìn)一步增加再生制動力以降低前輪的機(jī)械制動力。隨著車速的繼續(xù)增加，前輪在制動時抱死，此時再生制動力達(dá)到最大值，并保持不變。

三、再生制動過程中電池儲能的需求分析

電池充電電流的大小通常采用充電倍率來表示，充電倍率用來表示電池的充電方式。

再生制動時，一方面考慮的是電池充電時的電流大小，充電電流不合適會降低電池性能，充電電流過大會使電池產(chǎn)生析氣、發(fā)熱現(xiàn)象，使電池內(nèi)活性物質(zhì)發(fā)生脫落，會降低電池的容量，從而使電池壽命減少。另一方面希望在再生制動過程中盡量高效吸收電動機(jī)回饋的電能，即電池充電電流盡可能大。而以上兩者是一對矛盾，因此，再生制動時充電電流的大小選擇問題成為急需解決的問題。由目前研究可知，電機(jī)發(fā)電功率與其自身性能、車載儲能電池的最大允許充電電流和充電功率有關(guān)。電動汽車制動過程復(fù)雜，不同情況時，儲能電池理想的充電方式不同。同時，充電的倍率不可高于儲能電池所允許的最大充電倍率，因為有可能會損壞儲能電池，也會因為傳輸線路溫度過高而燒壞線路，而系統(tǒng)過熱也會引發(fā)其他問題。通過對電池當(dāng)前電量的估計，根據(jù)電量估計結(jié)果來計算電池的理想充電電流曲線，在該曲線限制下以最大電流充電。通過該方法解決電池的充電耐受力有限和期望再生能量回饋盡量大的矛盾。

四、EV再生制動控制策略

電動汽車采用電制動時，驅(qū)動電機(jī)運行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，對延長電動汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。國外有關(guān)研究表明，在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下，有效地回收制動能量，可使電動汽車的行駛距離延長10%-30%。

在EV性能提高并逐步邁向產(chǎn)業(yè)化的過程中，提高能量的儲備與利用率是迫切需要解決的兩個問題。盡管蓄電池技術(shù)有了長足進(jìn)步，但由于受安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素的制約，近期不會有大的突破。因此如何提高EV能量利用率是一個非常關(guān)鍵的問題。

制動能量回收問題對于提高EV的能量利用率具有重要意義。電動汽車采用電制動時，驅(qū)動電機(jī)運行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動能回饋給蓄電池以對其充電，對延長電動汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。

①在操縱方法和操縱裝置上繼承或沿用內(nèi)燃機(jī)汽車主要的操縱裝置和操縱方法，適應(yīng)駕駛員的操縱習(xí)慣，使操作簡單化和規(guī)范化。

②在EV控制系統(tǒng)中，采用全自動或半自動的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，達(dá)到安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保和靈活的目的。

③提高電池的比能量和比功率，實現(xiàn)電池的高能化。

④采用高效率的電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和高效率的驅(qū)動電動機(jī)，提高電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)的效率。

⑤采用流線型車身，降低EV的迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)，采用輕金屬材料、高強(qiáng)度復(fù)合材料和新型EV專用的車身和底盤結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)車身和底盤的輕量化，減輕EV的整備質(zhì)量，采用低滾動阻力的輪胎，降低EV的行駛阻力。

⑥回收再制動能量，延長EV的行駛里程，提高EV的節(jié)能，降低空調(diào)系統(tǒng)的消耗。

（1）?? 制動模式。電動汽車制動可分為以下三種模式：

①急剎車。急剎車對應(yīng)于制動加速度大于2rr-i/s2的過程。出于安全性方面的考慮，急剎車應(yīng)以機(jī)械為主，電剎車同時作用。在急剎車時，可根據(jù)初始速度的不同，由車上ABS控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動力。

②中輕度剎車。中輕度剎車對應(yīng)于汽車在正常工況下的制動過程，可分為減速過程與停止過程。電剎車負(fù)責(zé)減速過程，停止過程由機(jī)械剎車完成。兩種剎車的切換點由電機(jī)發(fā)電特性確定。

③汽車長下坡時的剎車。汽車長下坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時。在制動力要求不大時，可完全由電剎車提供。其充電特點表現(xiàn)為回饋電流較小但充電時間較長。限制因素主要為電池的最大可充電時間。

（2）?? 制動能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

①滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習(xí)慣。在電動汽車剎車過程中，對安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機(jī)械剎車的最佳覆蓋區(qū)間，在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統(tǒng)的電動汽車的剎車過程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似，這將保證在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)有吸引力，可以為大眾所接受。

②考慮驅(qū)動電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力。電動汽車中常用的是永磁直流電機(jī)或感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)針對不同電機(jī)的發(fā)電效率特性，采取相應(yīng)的控制手段。

③確保電池組在充電過程中的安全，防止過充電。電動汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時，避免因充電電流過大或充電時間過長而損害電池。