浅谈纯电动汽车再生回收技术

吴敏

摘要：再生制动是用来回收电动汽车制动能量的一种技术，可有效增加电动汽车的行驶里程，本文以电动汽车作为研究对象，从再生技术方面着手，对再生制动系统的结构及原理、再生制动力矩分配、再生制动过程中电池储能的需求分析、EV再生制动控制策略等问题进行了分析阐述。

关键词：纯电动汽车;再生;回收

一、再生制动系统的结构及原理

纯电动汽车再生制动的系统结构，包括机械制动系统和电制动系统。机械制动系统由电泵、液压调压器、阀及制动踏板组成，电制动系统由电机、齿轮、电机控制系统、再生制动控制系统及蓄电池组成。

在再生制动过程中，电机由变频器一侧的励磁电流来建立内部磁场，即电机的转子电流里的励磁分量不发生改变，因此，制动功能的完成只能通过改变电机转子电流里的转矩分量来实现。由电机原理可知，定子电流的转矩分量随着转子电流而改变，特征是电机定子电流与转矩反向，能量从系统交流侧回馈至直流侧，其机械特性曲线由坐标轴的第一象限的电动状态到达第二象限的能量回馈状态。

在电动汽车的再生制动过程中，感应电机再生发电时的特性曲线如图1 所示。在车辆正常行驶过程中，电机处于电动运行状态，此时，电机的机械特性曲线处于坐标轴第一象限，即曲线的A点，对应的转速为，负载力矩为。当车辆制动时，目标转速发生变化，控制变频器的输出电压与频率下降，此时，电机的运行特性曲线由fl曲线变为曲线，由于电机的转速不能发生突变，电机的工作点由第一象限的A点变到第二象限的B点。由分析可以得到，此时的电磁转矩为负，电机转子的转速大于其同步转速，电机处于再生制动模式。如果不继续减速，电机将仍按曲线运转，转速将沿曲线由（B点）减为（C点），最终电机变为电动状态，稳定运行于D点。如果继续减速，则电机会继续保持发电机模式，特性曲线保持于第二象限内，由B点运行到E点。在频率由给定的值减小为零时，电机会沿曲线，从E点运行到O点停车。

再生制动系统中的电机的定子端通过变频器和蓄电池相连，当车辆制动时，电机转子轴上产生了制动力矩，定子端同时感生电压，感生电压超前于变频器的目标输出电压，变频器工作在整流状态，电池处于充电状态。同时，转差率绝对值减小，转子转速的减少让电机转子在切割其同步磁场时的速度也减小。而充电电流同样会出现降低的趋势，根据公式可得同步磁场转速也降低，此时，转差率下降，充电电流下降。

二、再生制动力矩分配

电动汽车制动运行时，需优先保证制动的有效性和响应的准确性，一方面是汽车行驶的安全性要求，另一方面是驾驶员的操控体验。由前面的分析可知，电动汽车的制动系统由机械制动系统和电制动系统组成，因而存在两种制动系统的制动力矩分配问题。在已知电制动力矩的前提下，分析再生制动的电流控制问题，因而仅对制动力矩的分配进行简要分析。

当车速较低时再生制动力所占比例随车速的增加而迅速增加，其原因在于前轮所分配的制动力矩在不断增加，相应的前、后轮机械制动力在不断地减小。当车速增加到一定程度时，后轮机械制动力保持不变，前轮的总制动力也保持不变，但此时前轮并没有抱死，可以进一步增加再生制动力以降低前轮的机械制动力。随着车速的继续增加，前轮在制动时抱死，此时再生制动力达到最大值，并保持不变。

三、再生制动过程中电池储能的需求分析

电池充电电流的大小通常采用充电倍率来表示，充电倍率用来表示电池的充电方式。

再生制动时，一方面考虑的是电池充电时的电流大小，充电电流不合适会降低电池性能，充电电流过大会使电池产生析气、发热现象，使电池内活性物质发生脱落，会降低电池的容量，从而使电池寿命减少。另一方面希望在再生制动过程中尽量高效吸收电动机回馈的电能，即电池充电电流尽可能大。而以上两者是一对矛盾，因此，再生制动时充电电流的大小选择问题成为急需解决的问题。由目前研究可知，电机发电功率与其自身性能、车载储能电池的最大允许充电电流和充电功率有关。电动汽车制动过程复杂，不同情况时，储能电池理想的充电方式不同。同时，充电的倍率不可高于储能电池所允许的最大充电倍率，因为有可能会损坏储能电池，也会因为传输线路温度过高而烧坏线路，而系统过热也会引发其他问题。通过对电池当前电量的估计，根据电量估计结果来计算电池的理想充电电流曲线，在该曲线限制下以最大电流充电。通过该方法解决电池的充电耐受力有限和期望再生能量回馈尽量大的矛盾。

四、EV再生制动控制策略

电动汽车采用电制动时，驱动电机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。国外有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长10%-30%。

在EV性能提高并逐步迈向产业化的过程中，提高能量的储备与利用率是迫切需要解决的两个问题。尽管蓄电池技术有了长足进步，但由于受安全性、经济性等因素的制约，近期不会有大的突破。因此如何提高EV能量利用率是一个非常关键的问题。

制动能量回收问题对于提高EV的能量利用率具有重要意义。电动汽车采用电制动时，驱动电机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。

①在操縱方法和操纵装置上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法，适应驾驶员的操纵习惯，使操作简单化和规范化。

②在EV控制系统中，采用全自动或半自动的机电一体化控制系统，达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。

③提高电池的比能量和比功率，实现电池的高能化。

④采用高效率的电流转换系统和高效率的驱动电动机，提高电动机和驱动系统的效率。

⑤采用流线型车身，降低EV的迎风面积和空气阻力系数，采用轻金属材料、高强度复合材料和新型EV专用的车身和底盘结构，实现车身和底盘的轻量化，减轻EV的整备质量，采用低滚动阻力的轮胎，降低EV的行驶阻力。

⑥回收再制动能量，延长EV的行驶里程，提高EV的节能，降低空调系统的消耗。

（1）   制动模式。电动汽车制动可分为以下三种模式：

①急刹车。急刹车对应于制动加速度大于2rr-i/s2的过程。出于安全性方面的考虑，急刹车应以机械为主，电刹车同时作用。在急刹车时，可根据初始速度的不同，由车上ABS控制提供相应的机械制动力。

②中轻度刹车。中轻度刹车对应于汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电刹车负责减速过程，停止过程由机械刹车完成。两种刹车的切换点由电机发电特性确定。

③汽车长下坡时的刹车。汽车长下坡一般发生在盘山公路下缓坡时。在制动力要求不大时，可完全由电刹车提供。其充电特点表现为回馈电流较小但充电时间较长。限制因素主要为电池的最大可充电时间。

（2）   制动能量回收系统应满足以下要求：

①满足刹车的安全要求，符合驾驶员的刹车习惯。在电动汽车刹车过程中，对安全的要求是第一位的。需要找到电刹车和机械刹车的最佳覆盖区间，在确保安全的前提下，尽可能多地回收能量。具有能量回收系统的电动汽车的刹车过程应尽可能地与传统的刹车过程近似，这将保证在实际应用中，系统有吸引力，可以为大众所接受。

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或感应异步电机，应针对不同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安全，防止过充电。电动汽车中常用的电池为镍氢电池、锂电池和铅酸电池。充电时，避免因充电电流过大或充电时间过长而损害电池。