电动汽车能量回收系统设计研究

I 电动汽车能量回收系统设计研究 摘要 ： 随着 全 世界范围内“低碳生活”呼声的增强以及 世界 各国对环保节能的重视 程度越来越大 , 低污染 、 零排放的 新能源 电动汽车 应运而生，蓬勃发展。 但 当前 限制电动 汽 车发展的最 主要的 问题是 如何提升行驶里程 。在电动汽车 行驶中，如果能够回收汽车所浪费的能量再回收利用在汽车的工作中，那么将会最大程度地 提升电动汽车 单次行驶路程 。 关键词 ：电动汽车；能量再生；制动能量再生 of As on of at of is to In if it be by in so a of 录 摘要 . . 目 录 . 绪 论 . 1 文研究的背景 . 1 内外制动能量回收研究现状 . 3 文主要内容 . 5 2 电动汽车制动能量回收再生系统 . 6 生原理 . 6 动能量再生的基本原理 . 6 . 7 动能量再生系统的组成 . 8 动能量再生系统的分类 . 8 动能量再生系统结构设计方案 . 10 章小结 . 14 3 电动汽车制动能量回收的约束 . 15 4 电动汽车制动能量再生控制策略 . 18 动能量再生过程的动力学分析 . 18 动能量回收系统的控制策略 . 22 想刹车控制策略 . 22 动能量回收控制策略 . 23 . 24 联再生制动控制策略 . 24 . 25 5 总结与展望 . 26 参 考 文 献 . 27 谢 . 29 1 1 绪 论 文研究的背景 自 从 1886 年世界上 第一辆汽车诞生至今一百多年的时间里，汽车已经遍人类社会的各个角落 而且已经 成为人们不可缺少的 出行 工具。 在当今世界 全球汽车工业迅猛发展 的同时 不仅给人类社 会生存发展 带来 了巨大的 便利，同时也消耗了大量的 不可再生 能源 。 传统 汽车发动机燃烧燃料 进行运动 的同时 也 排放出了 大量 的 尾气 ， 给全球环境造成了巨大的危害。即便 随着 汽车 科技 技术 的飞速发展 已经 在尾气上着重发展， 使汽车尾气排放 量 降到很低，但由于 全球气温快速上升、城市雾霾越来越严重、 汽车保有量持续高速 增长 ，还是对 我们赖以生存的 环境造成 了不可估量 的影响 ， 严重 污染了环境 威胁了我们的生存 。 根据一些调查报告可以看出 ， 2011 年全球汽车 保守估计约有 辆 ， 每年大概需要消耗 石油产量 的 60%，全球 气温上升约有超过 25%量 来自汽车尾气 排放 1。随着全球汽车保有量的不断 升高 ， 传统的 普通燃油汽车 快速发展 所带来的能源危机和 环境 污染日趋严重。 当局和各大汽车企业未来的技术发展方倾向定是着重于减少能源消耗和尾气排放，电动汽车一定会在未来大放异彩。 自从第一辆 汽车 诞生以来为它提供能量的一直是石油 ， 而地球上的 石油 当前是 不可再生 资源 ， 按现在已经 探明的石油总 储量约 为 12000 亿桶 算 ， 当今世界 的开采速度 也仅仅 只够开采 40年左右，即使 在今后的探测开采中 不断 地 发现新的油田，但总会有消耗 完 的一天。可见石油资源的 紧缺 将会直接影响 到 我国的能源安全， 社会的稳定，人民的生活和 国家 的 安全， 是 我国 坚持 长期可持续发展 策略的一个重大隐患。 因此 寻求 石油以外的 新 能源是 当今全球 迫切需要解决的 难题 2。 最近这些年以来 ，我国 的 汽车 企业在新能源方面完成了初步的 发展， 个别骨干企业技术已经达到国际先进水平，产销量规模位居世界前列，但与发达国家 比拟 ，在核心尖端技术 要求 和应用水平上还有一定差距 。 我国“十三五”控制温室气体排放工作方案中提出，国务院 提出 到 2020年纯电动汽车和插电式混合动力汽车的生产能力要 有 200万辆 3。我国在“十三五”生态环保、节能减排、应对气候变化、战略性新兴产业发展相关规划和工作方案当中，都制定了一系 2 列推动电动汽车发展的政策， 囊括推进 交通领域节能减排、 加强 机动车环境标准和污染 节制 ，提升电动汽车整车 核心 部件、电池技术， 推动市区社会 公共服务区、居民区和 公司 的充电设施 建造 ，完善标准规范和市场监管体系，继续对推广应用和充电设施建设的营运给予财政奖励和补贴。 推动 绿色金融， 推行 电动汽车企业的融资渠道，推广低碳出行 意识 ，积极 地指导 消费者购买使用 新能源 汽车 。 东风电动汽车研发团队 研发 出产 的 合 型 动力城市公交车被评为国家重点新 能源 产品 。 比亚迪以 超前 的新能源技术、过硬的产品 质量 ，助推新能源汽车应用 推行。 电动汽车与传统汽车 比较具备 零排放、 构造简单容易 、 容 易 启动 、 噪声 低、易操纵等 长处 ， 有 关的技术研究 已经 成熟，是公认 将来 汽车 发展 的 必然趋势。自 1997年 日本丰田公司 出产 的混合动力电动汽车 全 世界 销售额 已经逾越 50 万辆。 在混合动力汽车领域，日本的丰田 公司 和本田 公司在技术层面和销售量以及 宣传等方面已经走在 其他公司的前面 ，推出了诸如 能源 动力 汽车 ， 深受大众喜欢 。 其他国外汽车制造 企业 也相继推出相应的 各种 车型，例如宝马 3 系 、 5 系 、 7 系 、 8 系都推出了相应的混合动力车型，大众 推出的 途锐混合动力版 车型 ，特斯拉 主 推的 纯电动车 ， 中国的 汽车 公司 比亚迪在电动汽车 范围内 也 已经走在前 面 ，相继推出包含 了唐、宋、秦 等 在内的多种混合动力车型 和纯电动车型。 尽管电动汽车 具有诸多优势却 迟迟 未 能 成为 当今社会 主流交通工具，因为其弱点和局限性 同样明显：续航里程短、充电时间长、电池造价昂贵、整车造价高 等问题。 在电动汽车 科研范围 中， 怎么 研制 出 高性 性价比 的储能设备 和 如何提升 能量的 利用率 ，是 全部 汽车厂商 非常注重 的两个方面。尽管 电动汽车 蓄电池技术发展迅速，但受 到 经济性、安全性等因素制约 很难 在短时间内实现 技术上的 突破。因此如何提高电动汽车的能量利用率是 解决现阶段 问题 的一个突破口。 钻研 制动能量再生 技术 对 提 高 电动汽车的能量利用率 有着 非比寻常的 意义。汽车在制动 的 过程 当 中， 发动机产生 的动能 会 通过摩擦 转变 为热能 而 消散掉， 巨大 的能量被 白白 浪费掉。 依照有关 数据 发现 ，在几种 有关 城市工况下，汽车 在 制动 情况下由 摩擦制动 而消散 的能量占汽车总 的 动量的 50%左右。 3 制动能量回收系统是 现今世界上 电动汽车 研究开发的核心 技术，也是 电动汽车未来的发展趋势 。其工作原理如图 示 ， 在 普通 的 传统 燃油 汽车 中 ，当车辆减速、制动时，车辆的 动能会 通过制动 体系 而 转化 为热能 向 空气 中 消散 。而在电动汽车这种被 挥霍 掉的部分 动能 能够经过 制动能量回收技术， 通过 拥有可逆 功能 的电动机 或 发电机来实现电动汽车动能和电能 间的 互相转变 。 能够明显 的改 进 车辆的经济性及车辆的制动性，提 升 能量的利用率， 提高 电动汽车的续航 里程。 根据 国际相关 研究 表示 ，在存在较 经常 制动与起动的 市区 工况条件下， 可以高 效地回收制动能量，电动汽车可 以 降低 15% 的能量消耗， 可以使 电动汽车的行驶 里程 延长 10% 30%。 图 1 动能量回收原理 内外制动能量回收研究现状 因为 回收电动汽车的制动能量不 光 能提 高 汽车的能量利用率，增加 续航 里程，还能保护制动 系统，保持 整车的 行驶 安全 稳定 性。因此， 如何提高汽车的能量利用率是各大汽车厂商所要研究的主要问题。 国外再生制动技术的研究比较深入，除了实验室大量的理论研究成果，整车实用也比较成熟。丰田公司的普锐斯和本田公司的音赛特 就是成功将再生制动技术使用在汽车上的。 出 了 基于制动能量回收系统的纯电动汽车和混合动力汽车 统的控制策略，通过精确设计电机制动力门限值，使得再生制动系统与 统可兼容工作 4。 当前 ， 中国的 制动能量回收技术处于 才开始 起步 。 如表 个高校、汽车厂商、科研院所都在这方面进行了大量的研究，也取得了很大的研究成果 5从国内外研究现状可看出，汽车制动能量回收系统科研方向主要在如何回收制动能量、怎么提高回收制动能量效率、驱动电机技术、符合国情的再生制动控制策略等方面。 表 内制动能量回收技术研究分析 4 研究单位 研究者 控制策略 所得结果 清华大学 罗禹贡 李蓬等 研究对象混合动力车 设计目标驾驶员制动意图 &能量回收率 思想基于最优控制理论设计了制动力分配模型 显著提高汽车制动响应速度提高制动能量回收率 10% 北京理工 李玉芳 林逸等 研究的对象为独立式制动控制系统的制动力 设计目标最大限度地回收再生制动能量 得到再生制动力和液压制动的分配与控制规律 华南理工 罗玉涛 吴昊硅等 研究对象 给定的 在能量回收原理基础上，设计混合励磁无刷电动机 安装在 达 10%能量回收 武汉理工 过学讯 张靖等 针对 实现再生制动的必要性和可行性 具体工作并联式制动能量回收的仿真研究 建立 重庆大学 詹讯 秦大同等 针对轻度 典型城市驱动循环工况下特点 能满足整车制动力分配的要求能量回收效率达到 北京交大 张欣 耿聪等 根据城市公交车车速变化大，制动强度低，频繁等特点 设计目标保证低强度时制动能量再生针对 降低 5 文主要内容 本文 主要是对 电动汽车的制动能量再生系统进行 研究和刨析 ， 对比 制定能量回收控制策略， 指定 符合我国国情 发展 的控制策略。 具体的研究内容主要有： 1) 研究了各种制动能量回收方式和系统结构。 2) 分析制动能量再生系统结构设计方案。 对 三个典型的再生制动控制策略进行了比较和分析， 连系 再生制动力与摩擦制动力的分配关系、电机峰值转矩、锂离子电池充电特性、 动法规的分析，对并联再生制动控制策略进行优化，提出了符合本文研究电动汽车的 能量回收 控制策略。 和制动制动效能以及行车安全 能耗 10% 20% 上海交大 王保华 张建武等 建立并联式混合动力汽车动力模型 目标 对纯电动汽车制动模式和机电模式下动力汽车能量进行再生制动仿真分析 纯电机制动效能高能量回收率 29% 机电混合仅 2% 6 2 电动汽车制动能量回收再生系统 生原理 动能量再生的基本原理 在纯电动汽车上，作为一种 拥有 驱动装置的电动机同时具有发电的功 用 ，利用可逆的这个 特征 ，可以 完成 电动汽车制动能量的 回收利用 。 电动汽车在制动过程中，在汽车车轮的运动的过程中将动能传递给电动机。从而带动电动机旋转。此时，电动机处于发电状态，向能量存储设备 (电池或超级电容器 )充电。将制动 时所产生的 能量转化为电能 储存起来 ， 从而完成制动 能量的回收。与此同时，电机所 提供 的阻力力矩被作用到车轮上，从而 减缓了 汽车 的 速度起到了制动效果。 图 动能量再生原理图 7 动能量再生原理 电动汽车 在完成 制动能量 回收的过程中 ， 电路简图 如图 示。 图 动能量回收电路图 起初应 将电机的 启动 电流断开，电机电枢 两头各 接入一个开关， 然后让工况保持 在高频通断状态。由于电机属于电感性器件，感应 电动势 （ 2 式中， L 为电机电枢电感。 当 ，由电机感应电动势引起的感应电流经开关 S 形成回路，感应电流为： （ 2 式中， 电枢电阻， 限流电阻， 1I 为制动电流。 当断开 快速变大 而 使得 感应 电动势 速 变大 ， 当 成能量的回收，回收的电流为制动电流 2I 。 （ 2 式中， 电流回馈电路等效电阻。 8 动能量再生系统的组成 由于电机工作产生的再生制动力总是不能满足传统燃油汽车制动系统的制动要求，因此在电动汽车制动能量回收系统中又分为两个系统：液压制动和再生制动。同时也涉及到整车控制器、变速箱、主减速器和车轮及相关零部件 如图 动制动系统包括驱动电机、控制器、动力电池和电池管理系统 ，电池管理系统控制电能回收于电池 。 液压控制系统 包含 液压制动执行机构和制动控制器 部分 ,作用于 控制摩擦制动力 。 图 动能量回收系统的组成 动能量再生系统的分类 电动汽车 的 制动能量再生系统主要包括两部分：电机再生制动部分和传统液压制动部分。再生制动能恢复制动能量，为车轮提供部分动力，但电机的再生性能、电机的性能、转速等限制了电机的再生制动效果，在紧急制动和高强度制动时不能完成制动要求，为了保证车辆制动的安全性，在使用再生制动时，还要采用传统的液压摩擦制动器作为辅助装置。电动汽车制动能量再生系统的构造 如图 9 图 动能量再生系统构造 按回馈制动力与摩擦制动力 之间的联系 ,制动能量回收系统可分为叠加式(或并联式 )和协调式 (或串联式 )两种 10。 如图 图 加式与协调式 叠加式制动能量回收是 直接将制动力供给车轮的制动装置 ,不 改变原有的制动系统 ， 虽然结构十分简单方便， 但 是工作效率缺比较低，安全性不高 。 而协调式制动能量回收则是 利用 回馈 来的 制动力 ,对液压制动力进行 有关的改变 ,使两种制动力与总制动 力保持 一致 ,回馈率高制动 稳定性更 好 ,但 必须要对 传统的液 压制动 装置 进行改造 ,完成比较困难 。 初 期的电动车辆大多 选用 叠加式回馈制动。随着技术的 进步 ,在回馈效率、制动 稳定性 和制动安全 性 等方面具有 强大优势的协调式回馈制动 逐步变 为了研发的 重点趋势 。 10 在 叠加式回馈制动 系统中 ,液压制动力 没必要改变 ,传统 的 液压制动 装置就可以完成 。而对于协调式回馈制动 ,应设计方案重新进行设计和改造 。 根据 其液压调节 装置 所依托的 理论数据 ,协调式制动能量回收系统 包含 以下 3 类 ： (1) 基于 术的制动能量回收系统 ， 这个类型都根据 统车辆电控液压制动系统 ， 将液压装置作为执行完成工作的装置 。 (2) 基于 术的制动能量回收系统 ， 这种类型根据 术平台 ,使用正规 零部件 ,对制动 的相关 管路布置 完成相关的建造 。 (3) 基于新型主缸 /助力技术的制动能量回收系统 ， 这种类型根据 协调式回馈制动的 重点 技术 ， 设计并完成 对制动主缸和助力系统 的改造 。 在 使用 电机回馈制动力时要 顾虑 电机的 各种制约因素和面临的各种问题 ，因此在 进行 制动 时 电机 所 回馈 的 制动力 总是不断 变化的， 而 这 就要求系统 准确快速 的 调整液压 制动力来 满足 汽车的需求 。除了液压制动系统的设计，可以灵活地调整液压制动力，还需要设计适当的控制策略，包括分配分布反馈制动力和液压制动力和制动力的前后车轮，主要包括反馈功率和水力分配，以及前后轮功率分配，控制策略必须注意制动稳定性、电池寿命、电机特性和驾驶经验。当前设计研究 制动能量回收 的重点分别体现在 两个 方 面： 系统的 设计和 良好 控制策略 。 动能量再生系统结构设计方案 在刹车控制系统上，目前基本上所有配备 抱死制动系统的车辆，在各种不良工作下的系统都能在很大程度上保证车辆的控制和刹车的稳定性。在电动汽车制动控制 ,由于电机再生制动的引入 ,防抱死制动系统的不确定影响。需要制动反馈系统和防抱死制动系统协调，共同协调类型 (串联 )制动反馈系统和防抱死制动系统的调整方法和致动器，防抱死制动和串行反馈制动制动下融合是相同的，这为实现两种制动系统的协调控制提供了一种方便的方法 11。 因此，在运用协调制动反馈系统时，为了充分保证汽车运行的安全性，优化汽车的结构，提高系统的集成程度 ，对制动能量 回收和 抱死制动进行一体化研究 与控制具有 重大 意义。目前，国内外许多知名汽车零部件厂商都提出了自己的解决方案，其中大部分都适用于客车液压制动能量回收系统 。根据其工作原理，可分为两种：一种是基于原有的 统，装置安装在制 11 动管上，调节摩擦制动力矩，同时保证制动踏板的感觉； 第二类是原制动系统的主缸改造，在进入车轮控制阀之前完成踏板的感觉与实际功率解耦 。 以上两种方案中，为了保证 刹车 感觉与 传统的汽车 保持相同 ， 大都 安装了踏板感觉模拟器。 图 动能量回收防抱死系统 第一类是日本丰田公司的 代表作 。他们推出制动能量回收功能制动防抱死系统 如 图 经 大量 应用于 合动力车上，在 一般 制动 时 ，主缸与制动管路分离， 隔绝 踏板和液压管路之间的连接 。 踏板位移传感器和主缸压力传感器 会自主适应司机 的制动 指令 ，在 得到 最大回馈制动力 之 后，总制动力被分配给摩擦制动和回馈制动，相应的控制信号分别传递给轮侧压力控制阀和电机控制器。其中，调压阀的边缘也用作防抱制动机构，在防抱制动循环中有压力、压力、压力等操作 。 当系统 无法控制时 ，主缸与制动管路 会连接一起 关闭冲程模拟器，主缸 产生的 压力直接 传送给车轮转化为 制动力。该方案的优点是每个气缸的压力可以任意调整，因此反馈策略的设计简单，能量回收效率高 。 东风日产 公司推出的能量回收系统则 是彻底根据车身电子稳定系统开发 ，没有原有基础 上增加任何 改动 ， 只是针对 制动管路 有些设计。 在制动能量回收 12 时，要调整摩擦制动力，而主缸和缸阀关闭，消除气缸压力对主缸压力波动的影响。其次， 处在 蓄能器和主缸之间的开关阀 要适当依据 制动踏板传感器的信号进行适度地调节 大小 ，从而 更好地 模拟主缸压力对踏板的 干扰 。同时电机控制泵 要 抽取 部分 制动液 送进 轮缸 ， 然后 各轮缸根据 需求 分别进行 工作 。 韩国 的 司 在 2009 年 完成开发 的制动能量回收系统， 也是根据 完成的 。在 原来 的 统 中 ， 添加了完整的 开关阀 装置 ，用来 调节 在摩擦制动 时阻止 主缸和轮缸之间的联系，从而 为 制动 提供良好的 感觉。 这套系统具有 同时 完成 节的 能力 ， 而为了快速进油 ， 添加了两个泵在系统中。 总结上述方案，在同一厂家的实践中，基本着眼于现有液压制动系统结构的改造。 好处 是 它们 普遍具有同时 完成 制动能量回收控制和底盘动力学控制的能力 ， 对于四个车轮的控制也比较自如 。 不过也存在以下一些不足： 基于 此对 本太高，可靠性有待验证 。目前，丰田公司本身也在改进过程中，以降低成本。 司的 设计 与 其他两种 相比 ， 较低 ， 安全性 也有 了保证。 总结起来比较 ， 要是使用 原有的 统 完成 制动能量回收系统的设计， 一定要以相对完善的 统为基础，这样本身可靠且代价较小。同时也要 注重减少 系统中的 关键性 部件， 节省 成本。 第二类方案 是广泛针对于 原有制动主缸 革新 ，主要目的是将踏板力和主缸压力 彻底分开 。 针对这个问题就要重新设计完成新的 制动主缸设计 。 因此在 开始时 需要付出的 巨大地 代价和精力。 同时 该系统的可靠性比以前更未知 。 本田公司 完成 了一种新型主缸 设计 取代传统的液压制动主缸设计 。 制动回馈调节阀 被安置在制动主缸里 ，负责防抱死控制 的是压力调节阀 。除了在制动主缸中回馈调节阀 的 制动回馈时调节制动管路的压力，还 会将 制动液直接送 道轮缸主动 进行 制动。同时 经过使用 行程模拟器和伺服制动阀， 会使 踏板制动力与制动管路压力解藕。该系统是一个纯机械系统，具有较高的可靠性。本田将该方案应用在 五洲公司于 2008 引进电子真空助力器液压制动系统，其结构如图 示。踏板力与液压制动力之间完全解藕 也在它身上体现 ， 制动 踏板 的回馈 力 全 13 部 由行程模拟器 供应 ， 为驾驶者提供了良好的体验 。 在这个体系中 ， 在 主缸和踏板之间 增添了液压腔 ， 其他的 电控真空泵 为其供给动力 。 在进行 制动时，液体 会进入液压 腔， 像一道门 在制动主缸和踏板之间。主缸的 变化完全 由液压腔内的液体直接控制，同时该部分液体能够 提供反向的作用力作用在 踏板相关部件 上 ，保证 在 压力调节 时不会对 踏板等位置 产生影响 。液压腔 会 有部分 余量，在 踏板相关部件和主缸部件在系统 无法工作 时 保证 机械接触 正常 ， 转变为 常规液压制动 作用 ， 应急保护较好 。 图 子真空助力器液压系统 在该系统中 ， 制动 踏板力 全部是 行程模拟器 供给的 ， 因此驾驶员能从制动踏板上获得良好的驾驶体验 。系统 无法工作事 时可 转变 为常规液压制动， 应急保护方案较好。其缺点 主要 是电动真空泵 损耗率太高 ，另外该系统只能 在 主缸中调节 制动力，不能对 所有轮胎 液压制动力单独 进行 调节，因此 会 受到 大量地限制。目前该系统尚未应用在任何量产车型上。 另一种常见的 设计是 在主缸内 阻断 踏板力和主缸压力 。 可 起到 推动 踏板的作用，从而防止在摩擦制动过程中受压力影响的踏板推杆。 韩国的 司都基于该思路开发出了各自的新型主缸。 14 日产和现代 采用的均是与踏板同轴放置的电机，首先将电机的输出经过一级增速机构，随后利用螺纹螺杆机构将转动转化为直线移动，推动某种轴向运动机构。 本田在不久前 提出的新的系统结构与前两者略有 差异 ，该系统在制动踏板 之间 相连的一级主缸后加入了一个次级 的 主缸。动力机构就是与该次级主缸相连，通过一个锥齿轮结构将电机的转动转化成活塞的移动来推动次级主缸内的弹簧和滑块，进而来控制压力并将其输出至其后的各制动轮缸对应的开关阀处。在调节次级主缸内的压力时，通过一组开关阀阻断一级主缸和次级主缸，同时使用了蓄能器和开关阀的组合来模拟踏板制动感觉 ，这一点做法与第一类中的相似。 总结了第二个系统，我们可以看到，如果你使用一个新的主缸，它一般是不可能避免独立调整前后缸压力的缺陷，本田的程序是这样的， 日产和现代 的设计 方案同样如此。这样 就 导致在制动能量回收 在运算 的设计 上有一些局限性 。本田 于 2010年提出通过增加次级主缸和开关阀 的方案打破这一技术壁垒 ， 完成了 前后轮 可以 独立调节，不过成本 代价 太高，结构 也存在缺陷 ， 不适合在整车上应用 。第二种方法最致命的一点 是 ，需要重新设计制动主缸，精度要求高，而从目前的国内生产水平来看有许多差距 。其他外国公司或研究机构在该领域也进行了研究，但 整车成品 较少， 无法大量 应用。 章小结 本章主要首先介绍了制动能量再生系统的基本原理，通过对比 电机再生制动部分和传统液压摩擦制动部分 的关系，初步得出目 前制动能量回收技术的研究主要集中在两个面：方案设计和控制策略 。 通过对比国外几家大型汽车公司所研发的技术成果，可以看出我国目前距世界领先水平还有一段距离。分析了制动能量回收的原理以及电路原理。 15 3 电动汽车制动能量回收的约束 制动能量回收问题 解决有着重大 意义对于提高 动汽车使用 电制动时 ,驱动电机在发电状态 下运行 ,会把 部分动能 传递 给蓄电池对其 进行 充电 ,这 对电动汽车 续航 距离是至关重要的。 电动汽车 的 制动 大概有 以下 几种方式，不同的 控制策略 适用于不同的情况 。 1) 急刹车 将电刹车和传统各大机械刹车相结合，目的是为了 增大刹车 时的摩擦力 ,通过控制系统 完成 刹车 的制动力 分配。由于刹车 所用的时间较少 ,其回收的能量 主要用于供应 车辆 二次 启动 和 加速过程 所需要的电能 。降低电池在启动和加速时的负担 。 2) 中度轻刹车 中轻度刹车对应汽车在 普通 工况下的制动 情况 ,分为减速 情况和 停止 情况 。电刹车 和机械刹车分别负责汽车减速和停车 。两种刹车的切换点由电机发电特性确定。 回收的电能 储存在储能设备中储 满后开始向电池 进行 充电 。 3) 长时间减速时的刹车 汽车长下坡一般发生在下坡路的曲折路段。当不需要制动力时，可完全由电动制动器提供。反馈电流的充电特性是小的，但充电时间较长。限制因素是电池的最大充电时间 。 还能在 最大 程度 上 的 为 刹车 减轻压力 ， 避免刹车 因为长时间 制动 而引起的热衰退 ， 造成的刹车力不足甚至刹车 失效车辆失去控制。 可回收制动能量是电动汽车最重要的 特色 之一，但是电动汽车制动能量 回收有许多 因素的制约。电动汽车制动能量 的 回收 受到的 约束主要 包含 以下几个方面： 行驶工况 要满足各种工况下的制动要求，契合不同驾驶员的制动习惯，不同的行驶工况，车辆制动频率不一样，使制动能量可以回收不同 。在刹车的过程中，安全永远都要摆在首要位置 。确保电气制动和机械制动器工作良好，尽可能多的能源，同时确保安全。应尽可能地与传统的刹车 程序结构一样 ,这将保证在实际整车工作 中 ,驾驶者会有更好驾驶体验 。 16 蓄电池 蓄电池的充电效率要收到蓄电池的 电池温度、以及充电电流的限制。电池 过高或温度过高 是 不能制动能量回收。充电电流过大，使电池温度迅速升高，制动能量 回收率 不高。 电机因素 考虑驱动电机的工作特性和输出功率 。 电机制动力矩越大，制动能量越大。再生制动 力矩 受到发电功率和转速 大小的影响 ， 电机要满足制动的要求，就要求 制动 力度不能过于强烈 。 控制策略 为了保证制动安全状态下的能量完全恢复，有必要设计再生制动与机械制动的关系。 驱动形式 再生制动系统只能回收驱动轮上的制动能量。 如图 文电动汽车所 采用 的驱动方式为 四轮同时驱动， 为的是 回收更多的制动能量。 图 生制动系统能量 现在不思考 再生制动能量回收系统 的 控制策略对制动能量回收 有多大 影响，从电动汽车再生制动系统能量图 中观察可知 ，制动 所产生的 能量 最开始从 17 车轮 产生，最终传递到 蓄电池 。 传递所经过 的每一个零部件都会对能量造成 或多或少的 损失，考虑到机械传动效率 比较稳定 ，因此影响制动能量回收的主要因素有 以下几种 ：电机的工作特性、蓄电池 工况 和液压制动 装置 的 分布方式 。另外，相关研究表明在 相应 的制动力范围内，再生制动力 与制动能量回收率成正比 。 18 4 电动汽车制动能量再生控制策略 动能量再生过程的动力学分析 在 再生制动过程 中 ，汽车部件的动能，从车轮通过 传动系统 到电机驱动系统，驱动电机 工作发电 ，由存储的能量存储装置 储存所 产生的能量。 根据车辆动力学可知汽车行驶方程为： t （ 4 式中， 作用于车轮上驱动力为滚动阻力； 滚动 阻力； 空气阻力；坡度阻力； 加速 阻力； 单位都是 N 。 在城市工况下，车辆行驶速度 比 较低， 城市路况较好 ，且所研究 的车辆为电动轿车 ，故 以忽略不计。所以上式可简化为 ： （ 4 车辆 在 制动时，加速阻力变为车辆行驶的制动力 则汽车的行驶方程变为： （ 4 电动汽车 在进行 制动 的过程中， 机械制动 力 与电机再生制动 力共同 存在。车辆全部 制动力由机械制动 产生 的摩擦制动力 电机 的反接 制动力 同 提供，则有： （ 4 m a xm a x mo th y （ 4 式中， 摩擦制动器提供的最大制动力； 当前转速功率下的电机最大制动力； 机械摩擦制动力的加权系数 10 ； 电机制动力的加权系数 10 。 可以通过调节制动踏板，使加权系数和的值进行改变。当所需求的制动力矩小于电机所能提供的最大制动力矩时，机械制动系统就会失效 =0，所需 19 要的制动力就会全部由电机制动系统所提供，制动踏板会通过调节加权系数值的大小来调节电机制动力的大小；当需求制动力矩大于电机所能提供的制动力矩时，电机制动系统工作在最大制动力状态下 =1，制动踏板通过调节加权系数值的大小来调节机械制动力的大小 。 本文主要分析了复合制动的两种制动力分配状态，一种是电机制动系统提供全部所需求的制动力，另一种是机械制动和电机制动共同 作用来提供制动力。 假设 需要 制动力矩小于电机所能提供的最大 的 制动力矩， 而 此时机械摩擦制动力 不起作用 0，制动力都是由电 机 制动 而 产生，则 。 司机 通过调节制动踏板的 角度 ， 来 调节制动力，实现制动状态下 的制动能量回收。 根据上面所述和制动相关方程及推导可知： 电动汽车的负载功率 ： （ 4 式中， 为瞬时车速。 制动时输入机械传动系统的瞬时功率 1P 为： （ 4 电制动初始时刻 0t 的汽车动能 0E 为： 20021 （ 4中， 0 电制动初始时刻的速度。 制动过程中，能量的损耗为： 21202101 aa （ 4 根据能量守恒定律， 0 d tE （ 4 设， 4 ， b （ 4 （ 4 式中， 制动距离 制动时，输入的发电机瞬时功率 2P 为： 112 （ 4 式中， 机械传动部分的效率 电机转矩 电机角速度 制动时蓄电池输入的瞬时功率 为： 112223 （ 4 式中， 电机发电效率 制动过程中所回收的能量的功率 为： 1123334 （ 4 式中， 电池充电效率 制动过程中回收的总能量为： 1 f 1234 （ 4 在制动过程中，汽车的瞬时速度 为： （ 4电电流 i 为 : 01234（ 4中， U 电池端电压。 依据以上的验证可知，在需要制动力矩小于电机供给的制动力矩时候，电动汽车制动力完全由再生制动装置提供，回收能量为 。在方程中 E 的值有关的制动的初始速度和停止速度，并给定的车辆的值 1K 2K 3以，当确定开始制动时的车速和汽车停止时的车速时，制动距离的大小就决定着回收能量的多少，距离越长回收的能量越少，距离越短回收的能量就月多。以上所有的分析只是基于理想条件下的分析，制动能量再生过程中，能够回收多少能量还要受到电池 、电池的充电电流和电池所能承受的最高温度的影响。 当需求的 电机所能提供的制动力时，电机制动与机械制动共 同发生作用。此时 =1，电机在该转速下最大的的制动力 ，机械制动系统也会起到作用。此时的制动力为 m a x mo 。驾驶员通过调节制动踏板开度来调节机械制动系统的制动力，从而达到自己想要的车速。 根据以上分析和制动相关的方程可以推导出电机的制动力矩： o tm o t mm a x I （ 4 式中， 转矩常数 2 磁通量 当前转速下的最大制动电流 电机制动力矩作用在车轮上的制动力： g 0m （ 4 式中， 变速器传动比 0i 主减速器传动比 r 车轮半径 依据以上分析可知 ,当电机制动力可以提供地最大的制动力不足以满足要求时 ,机械制动和电机系统会一起工作。汽车制动时的制动力在这种工况下会提供最大的制动力，而电动汽车制动能量能回收多少只与制动所用的时间有关。 动能量回收系统的控制策略 在原有的制动系统基础上增加了电动汽车的再生制动，并通过两种动力的重新匹配实现了制动功能。当前电动汽车制动需要解决两个主要问题 :一是如何合理分配再生制动和机械制动 ,在保证安全的同时完成更多的能量回收；二是如何分配前后车轴的总功率达到一个稳定的制动效果。通常，再生制动只适用于传动轴。为了回收尽可能多的能量，必须产生一定的制动控制牵引电动机，同时，应控制机械制动系统满足驾驶员的刹车命令。 想刹车控制策略 理想的刹车控制策略原理如图 示。根据刹车踏板位置传感器或刹车管道回路压力获得汽车制动力来减速度，当制动减速度小于 ，制动力全部由前轮再生制动力提供，后轮不行使制动力。，对比原理图可知，图中的 I 曲线为后轮被施加的功率。其中 ,对前轮刹车力的影响可以分为两个部分 :机械再生制动力和摩擦制动力 ,刹车力小于当前轮需要电机可以产生最大的制动力时 ,前轮制动力会提供再生制动。最大制动力由电动机提供，其余制动力由机械制动系统提供。 23 图 想刹车分配控制策略 理想刹车分配控制策略的好处是能够充分利用地面附着力，刹车时刹车距离越短，刹车时汽车的稳定性越好，同时还能够回收更多的制动能量。其缺点是需要准确检测前后桥的正常负载，以及需要相对高度智能化的智能控制器。目目前，即使是最先进的传统燃料汽车也无法实现 前后轮功率严格按照曲线分布，更不用说附加的电机制动力，使得难以协调控制。但我相信随着汽车技术的不断更新发展，未来该策略一定会在汽车上得到实际的应用 12。 动能量回收控制策略 如何最大限度地提高制动能量回收，是最佳制动能量回收控制策略索要解决的问题。其前后轮制动力的分配方法如图 控制思想为： 1) 当车辆制动强度 z 小于路面附着系数 时，在满足 和 定范围前后轮制动力可以变化。在这种状况下，应该尽可能的多利用前轮的制动力来制动。如果电机的制动力所表现出来的值在 前轮的全部制动力都由电机再生制动制动力来提供，而后轮的机械摩擦制动力则可以根据线段 果再生制动力的值小于对应于 前后轮功率分配值应落在 A 一点上。由电机供给最大的制动力，前轮液压制动供给欠缺部分会。 24 图 佳制动能量回收策略 2) 如果刹车强度要比路面表面附着系数小得多，那么再生制动力将提供刹车所需的所有制动力，而机械制动系统将不会起作用 13。 3) 当 z = 时，前后轮制动力分配点落在 I 曲线上，附着系数 很大时，再生制动力将会达到最大值，剩余的制动力会由机械制动系统提供 14。当附着系数 不大的时候，会使用再生制动力进行制动。 最好的能量回收控制策略在理论上可以最大限度的回收制动能量，但是它需要对再生的制动力和机械制制动力进行精准的控制，制动时的稳定性比较差，实现上它需要拥有极高智能控制器来控制，技术难度比较大难以实现，制造成本高昂，因此这个控制策略毫无实际应用价值，只能存在于理论研究中。 抱死制动策略 其是混合动力汽车上更是体现的淋漓尽致。它模仿了传统制动系统的控制。在收到制动信号后，总制动装置，牵引电机和控制律的特性，给出前后制动力矩，再生制动力矩和机械制动力矩 15。电机控制器将有一个适当的指令马达制动力矩，而机械制动控制器对电动执行机构的指令是为了在每个轮子上有适当的制动力矩。电动刹车装置也由防抱死制动系统控制，以防止车轮完全被抱死 。 联再生制动控制策略 制动系统有一个传统的机械制动装置，它被分配给后轮以固定制动比。再生制动增加了前轮上的附加力，从而产生了总动态分布曲线。在前车轴上施加 25 的机械力与主缸的水压成比例。电机产生的再生电能是主要气缸的液压功能，因此它是降低车辆速度的函数。因为有效的再生功率是运动速度的函数，而且由于低速条件，几乎没有任何动能恢复。当要求负加速度小于给定的负加速度时，再生制动是有效的，当负加速度低于给定值时，就应用再生制动，并模拟了传统车辆发动机的延迟点火，如图 示。 图 并联再生制动控制策略 与以上控制策略相比，尽管所能回收的制动能量要比它们所能回收的小很多，但是该控制策略不需要控制机械制动力的大小，仅仅只需要控制电机的再生制动力的大小，结构简单方便可靠，制造成本低。 当再生制动失灵时，仍能安全制动，制动安全性好，更符合 求的制动安全控制策略，因此本文采用了并联制动的再生制动方法 16。 章小结 本章在对制动能量再生的过程分析中，得出了机械制动力和再生制动力之间的关系。通过分析轿车理想的制动力分配曲线的实际的制动力分配曲线，为能量回收策略提供了理论上的依据。通过对比四种典型的控制策略，深度分析，结论得到 并联法进行再生制动的控制策略基本符合本文所研究的主要控制策略。 26 5 总结与展望 新能源汽车是未来汽车领域发展之必然趋势。新能源汽车目前是全球范围内都在开发的重点项目，全球汽车大国如中国、日本、美国、德国、意大利等都投入了大量的人力、物力和财力进行深度研究和推广，目的是为了抢占未来能源汽车市场。在当今世界，人们的日常生活已经离不开汽车，这也是各大汽车厂商争夺的一个主要点。发展新能源汽车来逐渐取代传统汽车对解决能源紧缺和环境污染等问题，以及提高国家的形象和实力有着重要的意义。未来新能源汽车的发展趋势将向一下发展方向发展 : 在 使用协调式制动回馈系统 的时候 ，为了 保证汽车行驶安全 ， 要简化有关的装 置。将各个控制系统集合起来， 对制动能量 回收 与防抱死制动进行集成设计与控制具有 积极地 意义。 一类是基于原有的 统 ， 另一类 是对原有的 制动系统进行 改装 ，在进入调节阀之前完成 制动 。 得到 并联法进行再生制动的控制策略 更符合目前世界社会的发展和应用。 如何提高再生制动的能量回收效率的策略 ,传统的燃油汽车使用摩擦制动系统来用于制动 ,在减速的过程会损失巨大的能量。电动汽车的制动能量回收技术和系统控制策略通过再生制动系统和摩擦制动系统的相互合作 ,是为了得到更好的能量回收率。本文通过对比和优化几种制动能量再生控制策略，得出 并联法进行再生制动的控制策略为符合目前世界社会发展的控制策略。 27 参 考 文 献 1 曹秉刚 J2007,41:12 徐哲 J2006. 3 过学迅，张靖 武汉理工大学学报 . 2005,27(1):224 of EV J9995 陈庆棒，何仁 ， 商高高 拖拉机与农用