电动汽车制动能量回收系统设计

德州学院汽车工程学院 张旭 于士军

电动汽车制动能量回收系统设计

德州学院汽车工程学院 张旭 于士军

为进一步提高对电动汽车能量的利用效率以增加汽车的续航里程，本文通过对电动汽车制动系统的研究，对电动汽车制动能量的回收系统进行了设计，借此来提高电动汽车的续航能力。

制动能量；电动汽车；制动力分配

1 引言

随着石油资源的日益匮乏，为节约能源、保护环境，人们开始着手研究新能源。电动汽车应运而生，且已经成为一种新型的代步工具。但是其电池电量的补充和利用是制约电动汽车发展的最大问题。为解决当前存在的问题，增加电动汽车续航里程，研究电动汽车的制动能量回收系统，对电动汽车的能量损耗产生新的认识，并进一步提高对电动汽车的制动能量的回收效率增强电动汽车的实用性。

2 制动能量回收系统基本原理

对于电动汽车而言，能量储存和利用问题限制了其发展。提高对电动汽车制动能量的回收效率，可以有效提高电动汽车的能量利用，从而可以有效增加电动汽车的续航里程。在制动过程中，采用电制动时，驱动电机处于发电状态，通过转化一部分汽车动能给蓄电池以对其充电，实现能量回收。国外电动汽车制动研究表明，在制动和起动工况比较频繁的情况下有效地回收制动能量可以提高10%～30%的续航里程。

3 制动能量回收系统的设计

3.1 制动能量回收系统的构成

区别于传统电动汽车的制动系统，本制动系统加入了一个能量转化装置，以此实现部分制动能量的回收。本制动系统的亮点是：在可以完成理想制动的前提下，通过与驱动轮连接的能量转化装置，将制动产生的一部分能量进行储存，以达到回收制动能量的目的。具体流程如图1所示：粗框（线）流程为再生制动能量回收过程；细框（线）是车辆驱动过程。

图1 制动能量回收流程图

电机是电动汽车的能量转换装置，蓄电池是电动汽车的储能装置。制动能量回收时，由电动汽车的制动控制系统，利用功率器件控制开关状态，从而控制了电机转矩、转速大小和方向变化，最终实现了汽车由驱动状态变换到制动状态，蓄电池获得了其中的一部分动能，能量增加。

3.2 制动能量回收系统的设计

当汽车减速制动或者停车时，通过将一部分动能转换为电能储存在储能装置中以备后续使用。对电动汽车制动能量进行回收时，电机的工作状态为再生制动运行。在制动时，首先要保证制动的稳定，然后断开控制电机两端电源，使得驱动电机转动的电流被切断，在电机电枢两端，把高频开关电路接入，控制该电路高频通断，具体电路如图2所示。因为电机具有电感，在高频通断过程中一定会产生感应电动势Ea及感应电流i，两者的关系为：

式中：L——电感量，t——时间。

图2 电机再生制动电路

3.3 储能装置选取

对于电动汽车来说，常用的储能装置包括蓄电池、燃料电池和超级电容等，可以单独使用，也可以把这几种储能器件组合使用，也可以通过一些常用的性能指标衡量储能件特性，如比能量、比功率、能量密度、功率密度、循环寿命、快速充电性能、充放电时间及价格等。

选择合适的储能装置是实现提高续航里程的一个重要部分。由于超级电容具有非常高的比功率（是蓄电池的20～100倍，可达到10kW/kg左右）；储存电荷面积非常大（有的超级电容单元其电容量可达1F甚至几万法）；采用特殊工艺生产的超级电容其等效电阻非常低；同时其具有优异的充放电性能，当其两端电压为额定电压时，充电速度非常快并且可以达到任意电压值，当放电时，可以将所储存的全部电能全部释放出，所以本系统选择超级电容作为储能装置。

3.4 制动力分配

电动汽车的制动力分为传统的制动系统产生的摩擦制动力和电机提供的能量回收的制动力。电动汽车在最大限度实现能量回收的前提下协调电机制动与机械摩擦制动力的分配关系。

汽车总制动力是通过摩擦制动力和电机制动力共同作用产生的，则有：

汽车减速度：

Fb为总制动力，Fhyd为机械摩擦制动力，Fmot为电机制动力，m为汽车质量。