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摘要：制动能量回收系统包括与车型相适配的发电机、蓄电池以及可以监视电池电量的智能电池管理系统。制动能量回收系统回收车辆在制动或惯性滑行中释放出的多余能量，并通过发电机将其转化为电能，再储存在蓄电池中，用于之后的加速行驶。这个蓄电池还可为车内耗电设备供电，降低对发动机的依赖、燃耗及二氧化碳排放。本文对电动汽车制动能量回收系统仿真及控制器设计进行了阐述。
关键词：电动汽车；制动能量；回收系统；仿真；控制器设计
1、电动汽车制动能量回收系统原理分析
制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一，也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上，当车辆减速、制动时，车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能，并向大气中释放。而在电动汽车与混合动力车上，这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中，并进一步转化为驱动能量。例如，当车辆起步或加速时，需要增大驱动力时，电机驱动力成为发动机的辅助动力，使电能获得有效应用。一般认为，在车辆非紧急制动的普通制动场合，约1/5的能量可以通过制动回收。制动能量回收按照混合动力的工作方式不同而有所不同。在发动机气门不停止工作场合，减速时能够回收的能量约是车辆运动能量的1/3。通过智能气门正时与升程控制系统使气门停止工作，发动机本身的机械摩擦（含泵气损失）能够减少约70%。回收能量增加到车辆运动能量的2/3。
2、电动汽车制动能量回收控制方式
在制动能量回收控制方式中，制动踏板提供制动信号，信号传递到整车电控单元，整车电控单元根据车辆运行状况及其他电控单元的状态，决定是否进行制动能量回收，并分配制动能量回收时辅助制动力矩的大小。车辆在高速滑行或下坡滑行时，具有极大的动能，许多情况下驾驶人都会通过踩下制动踏板对车辆实现机械制动，达到缩短滑行距离或限制车速的目的，但这部分动能以热量的形式被散失掉了。采用图2所示的控制方式，可方便地实现车辆处于滑行状态时减速能量的回收。
3、制动能量回收要考虑的几个因素
电动汽车制动能量回收，是提高电动汽车能源效率的一个主要因素。制动能量回收要考虑到制动效果、制动能量分配、储能电池的特性、储存能量的利用等几个方面，然后确定制动储能系统如何实现。
3.1储能电池的特点
电动汽车制动时有时缓慢，有时很突然，这就要求储能电池能够迅速转换充放模式而对电池无害，而且能够高倍率充放电，以及时储存制动能量，也能将储能电池里的能量及时利用。
电动汽车主流的驱动电池是锂离子电池，锂离子电池的充放电原理是化学反应，它在充放电之间转换需要时间，不是随意的，不然就会对锂电池有害。因此，锂电池是不适合做制动能量回收储能电池的，更不适合用电动汽车的驱动电池简单地用作对制动能量回收的储存（目前此观点有争议）。目前只有超级电容具有高倍率充放电和迅速转换充放电模式的特点，是真正适合用作制动能量回收的储存部件。
3.2储存能量的利用
储存在制动能量回收储存部件里的能量，要赶在下次制动前及时释放出去，牵涉到放电分配，储能超级电容应该优先释放能量。超级电容的内阻比锂电池大，要使超级电容先放电，就得使超级电容储能部件的电压比驱动电池的电压高，当电动汽车停下来一定时间时，把超级电容里的能量馈送给锂电池。
3.3制动效果和制动能量分配：
司机踩下刹车，用力不同，需要的制动效果不同，能量回收的程度不同。缓慢刹车，可以100%用电子刹车，停止驱动，把电机的能量馈送到超级电容里。如果刹车狠，就要在回收能量的同时，加上机械刹车，不同的用力，按照不同的比例分配。
从上面的分析中可以看出，电动汽车制动能量回收应该是这样一个过程：司机刹车，制动能量回收系统迅速回收能量，根据采集司机踩下制动器力量的大小，分配机械制动力的大小，以达到刹车效果。
回收的能量，通过DC-DC储存在超级电容做成的制动能量回收储存部件中。当车辆停下或熄火一定的时间后，通过放电DC-DC馈送到驱动电池中。如果车辆没有停，或着随后继续行驶，则首先由回收在超级电容里的能量，通过放电DC-DC驱动电机，不够的能量，由驱动电池及时补上，随后由驱动电池继续供电。
4、电动汽车制动能量回收系统仿真及控制器设计
4.1前轮驱动制动能量回收系统
图1所示为前轮驱动制动能量回收系统的构成，制动能量回收只在前轮，前轮的制动力矩大小与电动机制动系统产生的再生制动力矩和机械制动系统产生的摩擦制动力矩有关。踩下制动踏板后，电动泵使制动液增压产生所需的制动力，制动控制与电动机控制协同工作，确定电动汽车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力矩。再生制动时，再生制动控制模块回收再生制动能量并回馈到蓄电池中，电动汽车上的ABS及其控制阀的作用与传统燃油车上的相同，其作用是产生最大的制动力。其原理是在制动时将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电动机，电动机以发电方式工作，电动机转子轴上的动能将转变为电能，此能量经过逆变器的反向二极管回馈到直流侧，为蓄电池充电，实现能量的再生利用。与此同时，产生的电动机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动，产生制动力。电动机内部将发生以下变化过程：电动机转子的旋转速度超过给定频率下的同步转速，也即超过电动机内部同步旋转磁场的转速，造成转子切割磁力线的方向反向，转子导体上感应电势及感应电流的方向反向。由于转子电流中的励磁分量不会发生变化，所变化的只是转子电流中的转矩分量，而转子电流转矩分量的变化又引起了定子电流转矩分量的变化。其结果是：定子电流的合成量和电动机的转矩反向，能量由电动机侧回馈至变频器直流环节。
4.2全轮驱动能量回收制动系统
全轮驱动制动能量回收系统由通常的液压制动系统来调节控制。由于驱动电动机在较低车速下无法回收能量，因此该系统在车速低于5 km/h时不起作用，此时只有通常的液压制动系统工作。当车速高于5 km/h时，若驾驶人踩下制动踏板，制动主缸中的压力传感器产生一个与制动系统压力成正比的电信号，当制动系统压力未上升到计量阀导通压力时，电信号输入驱动电动机的电控单元（ECU），主ECU触发旁通阀导通，此时，ECU制动能量回收系统将每个车轮的驱动电动机变成发电机，产生与传感器信号值成正比的反扭矩，阻止车轮运转。驾驶人通过调节制动踏板力来调节控制转矩及车速。这时汽车处于“电力制动”状态。随着制动踏板力的增大，系统最后达到最大制动能量回收状态，这时压力增大到一个值，使计量阀开启，制动液进入液压制动系统中，液压制动和电力制动共同作用。当汽车减速至5 km/h以下时，ECU切断旁通管路，断开制动能量回收系统，液压制动系统以全压力工作，此时为纯液压制动。制动踏板放松，ECU不再起作用。此装置结构简单，容易实现，但涉及到充电电流控制、交流器控制等技术问题，以现有的技术还不能完全可靠地解决。
5、结束语
电动汽车对能源的高效利用是发挥其节能和环保优势的关键。电动汽车的关键部件是动力电池，动力电池储存能量的多少是决定电动汽车续驶里程的重要因素。
参考文献：
[1]汽车能量再生制动技术研究现状及其关键技术[J].陈庆樟，何仁，商高高.拖拉机与农用运输车.2008（06）
论文作者:王金英
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/18
标签：能量论文; 电动机论文; 电动汽车论文; 系统论文; 电池论文; 车辆论文; 力矩论文; 《建筑模拟》2018年第31期论文;