纯电动轿车制动能量回收系统研究

纯电动轿车制动能量回收系统研究摘要：目前国内对于电动汽车回收制动能量的技术还处于初级研究阶段。具备能量回收的电动汽车上的制动系统，要求在最大限度回收制动能量的同时还得保证汽车良好的制动性能。因此，需要综合考虑汽车动力学特性/电机发电特性和蓄电池安全充电等多方面的问题，研制一种具有实际效用的制动系统具有一定的难度。本文主要对纯电动轿车制动能量回收系统进行了分析研究。关键词：纯电动汽车；制动能量回收；测试一、制动能量回收系统的结构及原理电动汽车的制动能量回收系统是将制动时的动能转换成电能回馈给电池充电，使得能量能够被再生利用，该功能是由驱动电机的控制电路实现的。因此，电动汽车上的制动系统是再生-液压混合制动系统，本文以此为例介绍混合制动系统的结构和原理。如图1所示。图1是典型的再生-液压混合制动系统，此系统中将前轮的制动能量进行回收，电机产生的再生制动力与传统制动系统产生的摩擦制动力共同作用实现对前轮的制动。再生制动力和传统制动系统产生的液压制动力的大小是由制动控制器与电机控制器协同工作确定的。制动能量由再生制动控制模块回收并回馈给电池，电动汽车仍装有ABS，其作用与传统燃油车上的相同。图1.再生-液压混合制动系统的结构再生制动系统的基本原理是通过电机驱动的自感电动式/反电动势将存储在电枢中的磁场能量以及车体的动能保存至蓄电池中。二、制动能量回收的影响因素分析影响制动能量回收的因素有以下四个方面：（1）电机的制动能力与可回收的能量多少有重要关系。电机的制动能力越强，可以回收的制动能量就越多，续驶里程提高的就越多。电机的外特性决定了电机在当前转速下可输出的最大再生制动比例，如图2所示，电机在转速较高时处于恒功率发电状态，转速较低时处于恒转矩发电状态；其次电机的发电能力直接制约再生能量的多少。图2.再生制动时电动机外特性（2）能否对制动能量进行回收及回收的多少取决于电池的荷电状态SOC值和温度，若制动过程中电池的SOC值很高（例如0.85以上），或温度过高（高于55℃），不能进行制动能量的回收或减小充电电流以保护电池及延长电池的使用寿命。（3）如图3所示，从电池充电倍率与充电时间的关系可看出，电池的充电倍率上限为最大充电倍率。图3.电池充电特性示意图（4）车辆制动时，车速越高，制动力矩越大，但是当变速器置于高档位时，电机再生制动不能满足制动要求。档位越低，制动时所需扭矩越小，但此时电机表2NEDC制动工况片段参数图5NEDC制动工况片段划分3、试验结果分析试验后对NEDC制动工况中7个制动片段的电池充电能量、半轴回收能量及整车动能进行统计处理，结果见图6。图6不同制动片段下的能量变化由图6可看出，制动片段A的半轴回收能量和电池充电能量均为0.3kJ左右，主要原因是片段A的制动初速度为15km/h，整车动能的变化较小，由地面摩擦和风阻等因素造成的动能变化与车辆本身的动能变化相当，电制动系统几乎不参与制动过程，因此造成半轴回收能量和电池充电能量均非常低。在市区循环中，制动片段B~片段D的制动初速度和减速度比较接近，因此电池充电能量、半轴回收能量和整车动能基本保持平稳。随着制动初速度的增加，市郊循环中制动片段E~片段F的电池充电能量、半轴回收能量和整车动能均有大幅度增加，特别是在制动片段F（制动初速度为120km/h）时各能量均达到最大值。整体来看，3种能量的变化趋势基本一致，即当动能变化量较大时，半轴回收能量和电池充电能量也会随之增加。在制动初速度由70km/h提高到120km/h时，车辆的动能变化量最大，约提高了5倍，而半轴上回收的能量和电池充电能量提高了10倍以上。图7为不同制动片段下的效率变化。由图7可看出，在不同的制动片段下，车辆的制动转化率基本保持在80%左右，主要原因是车辆的制动转化率主要受车辆发电机和电池充电效率的影响，而车辆的行驶状态对其影响很小，因此在测试循环中制动转化率基本保持不变。制动片段A的制动可回收率为2.2%，制动回收率为1.8%，这主要是由于片段A的制动初速度较低，发电机在低转速时无法提供高的充电电压造成的，同时与车辆的制动控制策略相关。在制动片段B~片段E下，制动可回收率和制动回收率基本保持在18%~20%，而在制动片段F下制动可回收率和制动回收率分别达到36.4%和30.6%，其主要原因是制动初速度高达120km/h，同时制动减速度也明显高于其它制动片段。图7不同制动片段下的效率变化表3为整个NEDC工况下制动能量和转化率结果。表3NEDC工况的制动能量和转化率由表3可知，在整个NEDC工况下车辆的制动回收率约为21.55%，市郊循环Part2的制动可回收率和制动回收率约是市区循环Part1的2倍，其主要原因是，Part1的制动初速度分布在15~50km/h，制动减速度为-0.52~-0.92m/s2，而Part2的制动初速度为70~120km/h，制动减速度为-0.69~-1.34m/s2，相对Part1，Part2的制动初速度和减速度均有大幅增加，且制动工况的时间较长。从各制动片段和整个制动工况来看，制动初速度和减速度对制动可回收率和制动回收率有很大的影响，而对制动转化率影响较小。此外，NEDC制动工况中制动初速度和减速度相对比较单一，难以反映车辆在各种制动初速度和减速度下制动能量和制动效率的分布特征，进而影响对电动汽车制动能量回收系统的评价，因此建议开发一套适用于评价电动汽车制动能量回收系统的测试工况。结束语制动能量回收是纯电动车产品开发的关键技术之一，该系统开发需同时考虑制动安全性、能量回收效率及驾驶舒适性，而控制策略是制动能量回收系统的关键。控制策略的开发需要满足以下要求，首先，车辆各个车轮能提供足够大的制动力和合理的制动力分配；其次，满足整车制动性能的基础上，尽可能多地回收能量。参考文献[1]冯能莲