淺談電動汽車再生制動能量回收技術(shù)

劉春暉，張 坤

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

前言

隨著冬季的到來，電動汽車應(yīng)用的短板逐漸凸顯，生產(chǎn)廠家標(biāo)明的行駛里程達(dá)到300 公里的，目前正常行駛里程不到100 公里。因此，電動汽車普及過程中的推廣障礙顯現(xiàn)出來，就是續(xù)航里程較短。

汽車制動能量回收技術(shù)的實質(zhì)是在汽車實現(xiàn)減速或者制動的過程中，電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)從而提供制動力矩，在這種情況下，電機(jī)以發(fā)電機(jī)的形式運行，在實現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)制動的同時提供將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能來完成對電池的充電，進(jìn)行能量的存儲，達(dá)到提高能量利用率的目的。

再生制動能量回收的大小受到驅(qū)動電機(jī)、電池、車輛相關(guān)參數(shù)、行駛環(huán)境、制動回收控制等因素的影響。汽車制動能量回收是在原制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電機(jī)再生制動系統(tǒng)后形成一種復(fù)合新型制動系統(tǒng)。電動汽車在制動過程中，電動機(jī)反過來當(dāng)發(fā)電機(jī)使用，這種情況下可以將汽車運動的動能轉(zhuǎn)化為電能，并儲存在能量存儲裝置中，通過以上分析，對于實現(xiàn)制動能量回收的純電動汽車的制動系統(tǒng)的要求，應(yīng)不僅僅滿足于傳統(tǒng)汽車的制動要求，而且在制動的同時要實現(xiàn)制動能量的回收。

1 制動能量回收的基本原理

電動汽車的再生制動能量回收是指電動汽車在制動或者減速過程中，驅(qū)動電機(jī)此時應(yīng)該處于發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，這樣才可以將汽車的行駛中的動能轉(zhuǎn)化為電能存儲到儲能裝置（車載電池）中，在電池中是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存，并達(dá)到利用電機(jī)產(chǎn)生的反向力矩為車輛提供制動力矩使汽車減速制動的目的[1]。

電動汽車動力系統(tǒng)的核心部件是電機(jī)和電池，在驅(qū)動電動汽車行駛的過程中，電動汽車上的電池給驅(qū)動電機(jī)供電，驅(qū)動電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車行駛；在進(jìn)行制動的過程中，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，將行駛過程中的一部分動能轉(zhuǎn)化為電能存儲到電池中，達(dá)到節(jié)能提高效率的目的。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于基速時的制動，驅(qū)動電機(jī)會向電池提供能量轉(zhuǎn)化的電能并提供制動轉(zhuǎn)矩，這種情況屬于下坡情況；當(dāng)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于基速的減速制動時，驅(qū)動電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，這種情況制動電能的轉(zhuǎn)換電壓高于電池電壓時才能向電池充電。

在正常的電機(jī)回饋制動中單純依靠電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的回饋力矩不能滿足總的制動需求，這樣可在保證制動性能的情況下，滿足駕駛員的制動需求，同時保證制動舒適性和平穩(wěn)性，需要配合液壓制動來共同完成。車輛的制動系統(tǒng)必須要有驅(qū)動系統(tǒng)的參與，才能實現(xiàn)對制動液壓力進(jìn)行精確、平穩(wěn)的控制。

再生制動能量的轉(zhuǎn)換采用電液制動系統(tǒng)可以完美解決這個問題。電液制動系統(tǒng)可以根據(jù)不同的駕駛?cè)藛T在相同的工況下，根據(jù)踩剎車力度的從而達(dá)到不同識別駕駛員的駕駛風(fēng)格的目的，對于不同類型的電控的制動系統(tǒng)，可以根據(jù)不同電信號產(chǎn)生相應(yīng)的制動力，來進(jìn)行調(diào)整踏板的助力比，以適應(yīng)不同的駕駛員的駕駛風(fēng)格。

2 制動能量回收存在問題

駕駛員在正常行車過程中踩下制動踏板時，控制單元根據(jù)踏板踩踏速度信號，從而得到制動強度的相關(guān)信息，進(jìn)而控制單元根據(jù)所設(shè)定的控制策略，進(jìn)行前、后軸制動力、摩擦制動力和再生制動力的進(jìn)行智能化分配，根據(jù)控制單元的相關(guān)分析，從而通過車速傳感器得到車速信號，并根據(jù)控制單元的各方面信息來綜合收集考慮驅(qū)動電機(jī)的最大制動力矩、電池的最大充電功率、當(dāng)前電池的充電狀態(tài)等限制因素，通過電機(jī)和液壓制動系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)電復(fù)合制動[2]。

驅(qū)動電機(jī)作為發(fā)電機(jī)時產(chǎn)生的電量，經(jīng)過逆變器輸送到電池中，在保證電動汽車制動性能良好的情況下，如何正確的分配驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生的制動回饋力矩和液壓制動系統(tǒng)產(chǎn)生的液壓制動力矩（液壓控制的力矩是不是進(jìn)行能量利用的），從而在一定基礎(chǔ)上達(dá)到盡可能的實現(xiàn)最大能量回收的目的。同時，電動汽車的制動過程非常容易受到制動時相關(guān)部件的溫度等環(huán)境因素干擾，制動可以使制動片力度衰退。制動過程中的力矩偏大更容易導(dǎo)致溫升過快，出現(xiàn)制動衰退，從而增加冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，在一定程度上消耗更多能量，降低能量利用率的情況，這種情況應(yīng)用要盡可能地避免。

3 最佳制動能量回收控制策略

對于制動能量的回收方面，多數(shù)的研究人員的目的是要盡可能提高制動能量回收的效率，以更大程度地提供更大的驅(qū)動力。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，最佳制動能量回收控制策略的核心就是在電動汽車正常行駛過程中能夠完美的提供汽車制動所需產(chǎn)生的制動力矩，完善滿足相關(guān)制動安全性能要求，電動汽車的前后軸的制動力良性分配在正常滿足總的制動力矩的性能要求，同時要在保證車輪制動達(dá)到不抱死的前提下，以最大化的能量回收效率進(jìn)行能量回收。當(dāng)制動強度小于路面附著系數(shù)時，應(yīng)該盡可能多的讓前輪承擔(dān)制動力矩的完善效果[3]。

制動的安全性是研究人員必須要追求的目標(biāo)，在保證制動的安全性的方面，電動汽車制動過程中前后軸的制動力的大小要按照理想的制動力分配曲線分配來進(jìn)行，最終達(dá)到路面所能提供的最大制動力矩強度，能夠在很大程度上保證制動距離最短，制動效能最好的目的。

在制動的同時，要關(guān)閉電動汽車本身驅(qū)動能力，在制動過程中的汽車前行主要是由汽車本身的慣性力來維護(hù)的，因此制動動能回收是將相關(guān)大的一部分的慣性動能進(jìn)行進(jìn)一步的回收，這種情況下的回收主要是通過電動汽車能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換來控制電機(jī)的再生制動狀態(tài)的能量利用效率來完成制動能量的相互轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到提高能量利用效率的目的，在一定程度上，提高了能量利用的效率。

當(dāng)電動汽車進(jìn)行制動時，駕駛?cè)讼韧ㄟ^踩踏制動踏板，隨之電動汽車速度將下降。這樣的制動過程既可以減少汽車剎車時的摩擦磨損，同樣在一定程度上也可以回收一部分因制動而轉(zhuǎn)化的能量。電動汽車在制動過程中最佳制動能量回收控制策略是能夠最大程度上對再生電機(jī)制動進(jìn)行更加效能的利用，進(jìn)而可以在一定程度上保證制動能量回收效率的最大化[3]。

電動汽車的能量回收率與制動系統(tǒng)的制動力度的大小、行駛路面附著系數(shù)的大小成正比的關(guān)系，與制動力的大小、電動汽車行駛的初速度等因素成反比，這種情況決定了能量利用效率的高低。

4 汽車制動能量回收限制條件

汽車的制動性能的大小關(guān)系到汽車的安全性、舒適性的高低，電動汽車制動能量回收技術(shù)的大規(guī)模的運用，可以在很大程度上提高的節(jié)能效能，達(dá)到目前倡導(dǎo)的綠色、環(huán)保、節(jié)能的理念。電動汽車的再生節(jié)能制動還能夠影響汽車的安全性能，但是不能影響到其操縱性、舒適性與汽車運行的可靠性。通過目前的電動汽車制造技術(shù)而言，電動汽車運行過程中的制動能量回收力度的大小與汽車的行駛安全性、操縱靈活性、乘坐舒適性以及運行可靠性方面仍然存在著較大的矛盾，如果能夠進(jìn)行綜合解決，技術(shù)方面將會有很大的提高。并不是所有的制動能量均可以回收利用，只有電動汽車驅(qū)動輪處在制動的過程中，相關(guān)制動能量才可以通過驅(qū)動軸、半軸等相關(guān)的連接機(jī)構(gòu)傳遞到車輪，從而將能量傳遞到儲能裝置。

5 電動汽車制動能量回收的意義

隨著國家對新能源汽車補貼力度的加大，電動汽車作為新能源汽車中的一類，其發(fā)展必將會迎來一個大的井噴，制動能量的回收技術(shù)必定會越來越完善，效率會有大幅度的提高。歸根結(jié)底，電動汽車制動能量回收技術(shù)的開發(fā)的目的是為了降低電動汽車在制動過程中的產(chǎn)生的能量損失，同時提高能量的利用效率，能量回收效率越高，節(jié)能效果越明顯，從而在更大程度上達(dá)到提高其電動汽車?yán)m(xù)航里程的目的[2]。電動汽車在進(jìn)行制動時汽車初始行駛速度越大，可以能夠回收的汽車制動時產(chǎn)生的能量就會越多。怎樣使制動能量回收與汽車各類相關(guān)的性能利用達(dá)到一個更加完美的匹配。電動汽車的其他使用性能做到完美的協(xié)調(diào)可以還有較大差距，在這種情況下就是要通過犧牲某些方面的性能來提高能量利用率。由于電動汽車在制動時電機(jī)再生制動過程參與電動汽車整個的制動過程，從而導(dǎo)致制動的份額減少，目前技術(shù)水平而言，高強度的能量回收產(chǎn)生的“強制制動”顯然是得不償失，這樣會使得制動能量的效率降低，順暢的滑行制動才是駕駛者所需要的駕駛感受，是多樣車輛制動時所需要的。隨著制動強度的增大，制動能量回收數(shù)值降低，能量回收效率下降[1]。

目前，世界各大車系都在進(jìn)行電動汽車制動交通回收方面的大力研究，與此同時，各相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的與制動能量回收技術(shù)相關(guān)的專利技術(shù)的申報及轉(zhuǎn)化也在逐年攀升。根據(jù)目前的電動汽車的使用狀態(tài)，業(yè)內(nèi)人士都相關(guān)比較清楚的是當(dāng)前的制動能量回收技術(shù)確實存在一些無法克服的困難，但是，制動能量的回收技術(shù)方面對提高電動汽車?yán)m(xù)航方面仍然具有很大的意義，是業(yè)內(nèi)研究的比較熱門的一個課題。

6 結(jié)論

隨著世界對于節(jié)能環(huán)保相關(guān)政策的進(jìn)一步收緊，國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)更加重視，電動汽車再生制動技術(shù)的研究必將成為電動汽車行業(yè)發(fā)展的主流，能量利用必將進(jìn)一步提高，制動能量回收是對于新能源汽車必將面對的一項技術(shù)攻關(guān)，提高燃料利用率是汽車行業(yè)特別是電動汽車行業(yè)的一項關(guān)鍵技術(shù)。隨著研究的不斷深入以及新技術(shù)的不斷發(fā)展，電動汽車的制動能量回收技術(shù)水平將會出現(xiàn)重大突破，新能源汽車的能源利用效率也將進(jìn)一步得到提高。