电动汽车制动能量的回收系统

电动汽车制动能量的回收系统

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制动能量回收是指汽车减速或制动时,将其中一局部机械能（动能）转化为其他

形式的能量，并加以再利用的技术。根据不同的储能方式，制动能量回收主要有

液压储能式、飞轮储能式和电储能式等3种类型，电动汽车制动能量回收属

于电储能式。

根本原理是:通过具有可逆作用的发电机/电动机来实现电能和汽车动能

的转化。在汽车制动或减速时，发电机/电动机以发电机形式工作，汽车行驶的

动能带动发电机将汽车动能转化为电能并储存在储能器（蓄电池或超级电容

器）中；在汽车起动或加速时，发电机/电动机以电动机形式工作,将储存在储能

器中的电能转化为机械能给汽车。

汽车能量回收系统的主要目的，就是使汽车行驶时的节能效果最正确,

即尽可能多地回收汽车制动前的能量（动能或势能），在汽车起步或加速时，尽

可能多地将系统储存的能量释放出来，使发动机的燃料消耗最小。从而改善汽

车的能量利用效率,提高汽车续驶里程。有关研究说明，如果有效地回收制动能

量,电动汽车大约可降低15%的能量消耗，其续驶里程将提高10%〜30%。

能量存储装置

电化学电池：电化学电池是汽车储能的传统选择，主要包括铅酸电池（Lead

一acid）^银金属电池（Cd一Ni和MH一Ni）＞锂电池（Li一ion和Li一polymer）等。

铅酸电池可靠性高、原料易得、本钱低、适用温度和电流范围大，一直在汽车

储能中使用最广泛但铅酸电池作为制动能量储能系统，而存在的缺点主要是充

电速度慢、循环使用寿命过低等。银金属电池有cd—Ni和MH—Ni电池，但

由于镉对环境有污染，很多国家限制开展和使用Cd-Ni电池。MH-Ni电池是

一种绿色锲金属电池，具有很高的能量存储能力；但它的单元电池额定电压较

低，仅为1.2V左右（铅酸电池2V）,这就导致构成相同额定电压的锲金属电

池单元数目比铅酸电池要多2/3,增加了电池系统的复杂性，另外，银金属

电池还存在记忆效应和充电发热等方面的问题。锂电池是上世纪末开展起来的

高容量可充电电池，能够比MH—Ni电池存储更多的能量：比能量大，循环寿

命长，自放电率小，无记忆效应和无环境污染，是当今各国能量存储技术研究

的热点。

超级电容：也称双层电容器，是最近几年随着新电极材料的出现而提出的

能满足汽车能量和功率实时变化要求的一种能量存储装置。超级电容容量是同

等体积下的普通电容器容量的2000—6000倍，放电电流可达几千安培，能量

密度高于传统电容器近百倍，瞬时放电功率比蓄电池高10倍以上，充放电效

率高，不需要维护和保养，寿命长达10年以上，并且可以保护蓄电池，极有

开展前途。飞轮电池：为一种以动能方式存储能量的机械电池。近年来由于

高强度碳素纤维和玻璃纤维出现以及电磁悬浮、超导磁悬浮技术、真空技术的

开展，使飞轮允许线速度可达500〜1000m/s,单位质量的动能储量大大增加,

机械摩擦与风力损耗又极大地降低，从而飞轮储能技术已成为汽车储能的研究

热点之一。

复合储能系统：由于单纯一种储能电池往往很难适应汽车储能的要求，特

别是对具有再生制动的汽车能量的充分回收与利用，要考虑到储能系统的比能

量、比功率、使用寿命、充电效率、本钱等各方面的因素，这时可以采用复合

储能的方式，扬长补短，实现能量回收最大化，能量利用的最优化。目前的复

合储能系统大多是采用超级电容与其他动力电池组合应用，国内外许多研究机

构都在对超级电容与其他电源共同工作进行研究。

电动汽车制动过程能量转换

汽车以初始车速vO,减速至车速vl过程中，假设忽略汽车的传动系统阻力和坡

道阻力，其能量转换关系为：

式中,m为汽车质量；Wf为滚动阻力所作的功,Wa为空气阻力所作的功；Wb

为制动力所作的功。

其中，滚动阻力和空气阻力所消耗的能量无法加以回收利用。制动力一般

由机械摩擦制动力和电机再生制动力两局部组成，摩擦制动力做功是将汽车的

动能转变为热能，逸散于大气中而无法加以利用，只有再生制动力所做的功才能

被利用。通常汽车制动过程可以分为紧急制动、正常制动、下长坡缓制动等3

类。

⑴紧急制动。一般汽车紧急制动对应的制动减速度往往大于3m/s八2,某些

情况下，甚至能到达8~7m/s八2。从平安角度考虑，紧急制动时应以机械摩擦制动

为主,电机制动也发挥作用，但由于紧急制动过程非常短,因此能够回收的制动

能量比拟少。另外根据对汽车行驶工况的调查统计结果，紧急制动出现的时机

很少。

⑵正常制动。该制动过程可分为减速过程与停止过程，其中减速过程对应

的制动减速度小于3m/s八2,主要由电机再生制动发挥作用，使汽车减速的同时

再生制动能，停止过程主要由摩擦制动完成。因此正常制动能够回收的制动能

制动能量回收的约束条件

实用的能量回收系统要满足以下方面的要求

(1)满足刹车的平安要求符合驾驶时的刹车习惯

刹车过程中对平安的要求是第一位的我们需要找到电刹车和机械刹车的

最正确结合点在确保平安的前提下尽可能多的回收能量应充分考虑电动汽车

的驾驶员和乘客的感受具有能量回收系统的电动汽车的刹车过程应尽可能的

与传统的刹车过程近似这将保证在实际应用中系统可以为群众所接受。

(2)考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力

电动汽车中常用的是永磁直流电机和感应异步电机应针对不同的电机的

发电效率特性采取相应的控制手段。

(3)确保电池组在充电过程中的平安防止过充

电动汽车中常用的电池为银氢电池翅!电池和铅酸电池应深入考察不同电

池的充放电特性防止充电电流过大或充电时间过长。

关键技术难题

(1)如何精确控制问题

制动过程本身就是一个短暂的过程，因此对它的控制显得非常困难，特别

是如何准确的、快速的控制以及控制的稳定性，这都是急需解决的技术难题。

(2)与汽车其他系统匹配协调的问题

目前的汽车的电控单元越来越多，参加再生制动电控