电动汽车再生制动系统研究

  本站   2018-03-21 次浏览

传统燃油汽车采用不可再生的化石燃料作为能量来源，与此同时也会造成一定的环境污染问题。在日益的环境污染和未来资源匮乏的压力下，电动汽车成为汽车未来发展的一个重要方向。但目前的电池技术水平限制了电动汽车运行的续航能力，平均驾驶里程在200-300km左右，另外整体系统效率不高以及驱动方式不够理想也是影响续航里程的原因。

在汽车上的能量回收主要是指把将要耗散的能量（比如热能）转变为电能或者其他形式的能量进行存储再利用，为车上电器设备提供电能以及驱动汽车等。传统汽车在能量上的浪费比较明显，例如在一些运行工况下频繁刹车及下坡刹车进行制动时动能的浪费，汽车振动时悬架耗散掉的能量以及发动机随废气带走的热量等。有研究表明制动过程中制动器消耗能量占90%以上，而在一般的城市工况中，制动能量可以占到总驱动能量的30%-50%。

电动汽车与传统汽车的区别之一就是可以通过自身配备的驱动电机，可以实现再生制动功能，回收一些传统汽车浪费的能量。再生制动系统是电动汽车的重要组成部分，采用再生制动系统，可以提高能量利用率，提升电动汽车的续航能力。本文主要针对电动汽车再生制动系统，简要介绍其原理和基本结构以及再生制动的影响因素和控制策略。

电动汽车再生制动基本结构和原理

再生制动系统，又称再生回馈制动系统，主要由能量转换装置、能量储存装置以及控制部分组成。其中能量转换装置采用集成电机或者轮毂电机，电机既是电动机起驱动作用，又是发电机起再生制动作用。再生制动系统的结构按驱动电机的布置形式大致可分为中央电机式再生制动系统、轮边电机式再生制动系统和轮毂电机式再生制动系统这三类。

电机的可逆性使得电动机在一定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以在制动时采用回馈制动的办法，使电机运行在发电状态，通过回馈发电装置将制动产生的回馈电流充入动力电池中，这样就可以回收一部分惯性能量，提高电动汽车的续航里程。再生制动系统的原理也就是将电动汽车在各种运行工况下制动时的能量通过传动系统传递给电机，电机通过回馈发电控制系统以发电方式工作进行能量回收为动力电池充电，实现制动能量的再生利用。另外，电机发电过程中的制动力矩也可通过传动装置对驱动轮施加制动，产生制动力矩和制动力。

制动能量的存储

目前比较常见的电动汽车能量回收储能装置有蓄电池储能装置、超级电容储能装置、飞轮储能装置以及液压储能装置等。

（1）蓄电池储能装置

常用的蓄电池储能装置有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等。蓄电池一般具有较高比能量等特点，但使用寿命长的同时会由于其充放电工作电流较低而影响比功率大小。

（2）超级电容储能装置

超级电容器具有比功率高、循环寿命长、瞬时放电电流大和充电时间短等特点，但比能量低。超级电容过充和过放均不影响其寿命，使用时间长。但是超级电容会存在电解质泄露可能性，且不能用于交流电路。

（3）飞轮储能装置

飞轮储能是指利用高速旋转的飞轮来存储和释放能量。飞轮在旋转时只做机械运动，所以该储能装置具有非常高的存储能量效率，但存在制造成本高等缺点，可靠性也有待提高，所以暂时应用并不普遍。

（4）液压储能装置

液压储能装置主要由液压泵、液压马达、液压储能器、油路分配控制模块和电子控制器四部分组成。液压储能装置具有较高的功率密度，但比能量非常低。由于安全可靠性较高，逐步成为一个发展方向，但是密封性存在一定问题。

可以看到以上的储能方式优缺点使得单独使用并不合适，如果将不同的储能系统根据使用情况进行组合，不仅可以优化车辆的驱动性能，也可以发挥储能装置的最佳性能。比如将蓄电池与超级电容配合使用，可以同时满足比能量和比功率的要求，使整车的动力性能和制动能量回收能力以及续航能力得到很大地提升。

再生制动系统控制策略

能量回收效率、制动安全性等受再生制动系统控制策略的直接影响，再生系统控制策略一般要满足以下三点要求:（1）对再生制动力和机械摩擦制动力进行合理分配，在不对制动性能构成影响的前提下最大化地回收制动能量，以提高电动汽车的续驶里程；（2）合理分配前后轮轴上的制动力，以达到稳定的制动效果，保证车辆行驶的稳定性；（3）控制策略应与ABS、ASR、ESP等系统相融合，使其制动性能不受影响。

（1）理想制动力控制策略

本制动系统控制策略的目标是在保证车辆前后轴具有最佳制动力分配的前提下尽量回收制动能量。这样控制策略下的电动汽车的制动稳定性和效能最好，但是不能使驱动轮上的制动力最大化，在某种程度上限制了制动能量的最大回收。

（2）最佳制动能量回收控制策略

最佳制动能量回收控制策略是指以最大程度回收制动能量为目标，在保证要求的制动减速度和前后轮均不抱死的前提下以尽最大可能回收制动能量。这种再生制动策略控制系统复杂，分配策略始终在变化，虽然目前制动稳定性不高，但是从理论上来说这种控制策略是一种提高电动汽车能量回收率的发展方向。

（3）并行制动体系控制策略

并行制动系统结构简单，在传统汽车制动系统基础上加入驱动电机作为制动电机，由于并行制动系统主要由机械制动系统提供制动力，再生制动系统仅仅是起辅助作用，因此回收的制动能量有限。但并行制动控制系统只需要对制动电机力进行控制，控制参数少和要求精度低使得控制策略容易实现，并且可靠性较高。

再生制动影响因素分析

影响再生制动能量回收的因素主要包括电机性质、储能装置状态、驱动形式以及制动系统控制策略等。

（1）电机性质

电机的再生制动转矩和发电功率越大，相应的充电功率和再生制动力大，这样能够提高再生制动效率，回收的制动能量也就多。但电机的发电功率和转速会限制再生制动转矩，而且当制动强度过大时，电机不能满足制动要求。此外，电机的工作效率对整个再生制动过程中的能量回收同样会产生相应的影响。

（2）储能装置

以储能装置里常用的蓄电池为例，SOC值、温度、充电电流以及充电功率都会影响蓄电池的制动能量回收效率。比如当SOC 值很高或者温度过高时，为了保护蓄电池，延长使用寿命，均不能进行制动能量回收。

（3）驱动形式

驱动电机产生的再生制动力只作用于驱动轮，因而再生制动系统只能回收驱动轮上的制动能量。驱动形式一般分为前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动。比如在相同的外界环境下，前轮驱动回收的能量相对多。四轮驱动形式下电动汽车的再生制动能力要比前、后二轮驱动形式更强，相对应制动能量回收地更多。

（4）控制策略

为了保证在制动安全的条件下实现能量充分回收，需要合理地设计再生制动与机械制动的分配关系。制动能量的回收效率在一定程度上取决于控制策略的选择，因此控制策略对于制动能量回收具有非常大的影响。

再生制动的发展与改善

再生制动系统的优缺点都十分明显，优点包括能量回收可以提高电动汽车的续航能力等，缺点包括对电机的性能要求较高，控制策略复杂等。再生制动系统发展至今，系统结构和控制策略都得到了很大地提升，但是在现实使用中还是不断暴露出一些缺陷，需要不断进行改善。改善的方面其中主要包括:再生制动系统结构的改进，降低制造成本；优化再生制动系统的控制策略，提高制动效率和能量回收率。