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电动汽车再生制动和能量回收系统的研究
摘要：电动汽车作为一种新型的交通工具，以其能源清洁、低污染、多样化和能源驱动效率更高的特点，成为汽车行业的发展趋势。但是电动汽车单次充电的行程明显低于传统汽车，这方面的不足严重影响电动汽车的发展和普及。而电动汽车的能量回收系统的设计是解决这个问题的有效途径之一。汽车的制动系统的定义是，在减速时，电动汽车将车辆的一部分动能转化成电能，电能将存储在存储装置上，从而提高电动汽车的续航里程。在制动车轮惯性的作用下，通过能量的传输去驱动电机，从而以充电的方式去给电动汽车的电池充电，实现制动能量再生。同时，在电机制动转矩产生的动力可以施加给驱动轮制动，从而产生制动力。
I．引言
电动汽车作为新一代清洁的运输工具，代表着汽车工业的发展方向。然而，电动汽车一次充电的行程远远小于传统汽车，内燃机对电动汽车的发展和普及产生了重大的影响。在电动汽车设计中加入制动能量回收系统是提高电动汽车行驶里程的一个途径。目前，在电动汽车发展的过程中，如何有效地利用和回收制动能量是目前电动汽车需要解决的主要问题之一。特别是，中国是一个多山的国家，丘陵和山区占国土面积的三分之二。在电动汽车下坡时，将车辆制动和回收的能量储存起来，直到上坡时释放，这样不仅可以节省能源，减少制动磨损，减少故障率，同时也可以降低使用成本。在城市交通运输中，由于需要经常加、减速，再生制动也就具有重要的意义，有着显著的经济价值。因此，对于电动汽车的再生系统，如果采用合理的控制策略，并回收制动和减速时的能量，将会产生非常可观的经济效益和社会效益。
II.电动汽车再生系统的结构及工作原理
汽车的制动系统的定义是，在减速时，电动汽车将车辆的一部分动能转化成电能，电能将储存在储能装置上，如各种电池，超级电容器或超高速飞轮等，以提高电动汽车的续航里程。
A.电动汽车再生系统的结构
电动汽车的制动系统与传统的燃油汽车一样，通常由刹车和控制装置组成，实现减速或停车。在电动汽车上，一般再生制动装置，可以利用驱动电机控制电路，促使电机的运行，使制动减速的能量回馈给电池充电，以便实现回收。
图1是再生液压复合制动系统的结构。它由电动泵、电动马达、刹车踏板、电池、液压调节器、电机控制模块、制动控制模块、再生制动控制模块、液压传感器等组成。踩下制动踏板，在电泵中，制动液加压生成所需要的制动力。同时，电泵、制动控制系统和电机控制系统一起工作，来确定对电动汽车前轮和后轮产生的再生制动转矩和液压制动力矩。在汽车制动时，再生制动系统的控制模块回收制动能量，并使其回到电池中，电动汽车上的防抱死系统和控制阀的作用与传统燃料汽车一样，其作用是产生最大的制动力。
B.再生制动系统的原理
再生制动系统的原理是，在制动过程中，汽车通过惯性将能量传递到电机驱动系统，控制电机发电、电池工作，从而实现制动能量的再生。同时，发电过程中产生电机的制动力矩，通过传动系统应用于驱动轮的制动中，产生制动功率。图2为电动汽车再生制动系统原理图。当电动汽车减速或高速公路松油门巡航时，再生制动系统将启动。通常情况下，再生制动力矩通常保持在最大负载条件下，当电动汽车巡航时，高速电机驱动一般是恒功率的模式，驱动力矩和电机的速度是与行驶的速度成反比的。因此，在恒定功率下，电机的速度越高，再生制动能力越低。另一方面，制动踏板、驱动电机通常在低速运行。因为在低速时，电动汽车的动能为驱动电机提供足够的能量来产生最大的制动力矩，再生制动能力因此会随着转速的降低而降低。再生制动的电动汽车往往与传统的燃料汽车的制动系统提供的制动减速不一样，因此，如图三所示，在电动汽车上，再生制动和机械制动系统都是协调工作的。但是，只有当再生制动达到了最大制动能力，而且还不能满足要求时，机械制动系统才能起作用。
III.再生制动的影响因素
在制动过程中，除去空气阻力和驱动电阻消耗的能量，我们希望能回收所有的能量，但事实上，并不是所有的制动能量都可以回收利用。在电动汽车上，只有驱动轮的制动能量与传动轴连接，才能传送到储能系统，另一部分的制动能量会在制动摩擦车轮上以热量的形式失去。同时，在制动能量回收过程中，能量传递和储能系统的各个环节中也会造成能量损失。制动能量回收系数的另一个作用是通过电机将制动能量转化为电能，而吸收制动能量的能力取决于电机的转速、制动的速度范围，可再生性能基本成正比于能量和速度。当所需的制动能量回收系统超出能量范围时，电机吸收能量保持不变，这部分多余的能量会被摩擦制动系统所吸收。总之，电动汽车再生制动的主要影响因素包括以下几个方面：
(1)运行条件。不同的驾驶条件下，刹车的频率是不一样的。在城市行驶时，交通密集、交通灯更多，导致车辆频繁起动和减速，车辆停放频繁，电动汽车可以回收更多的制动能量。在高速公路行驶中，汽车长时间以高速行驶，路面平稳，制动频率相对较低，可回收的制动能量回收会更少。
(2)马达。作为再生制动系统的关键部件之一，再生制动的电机是一个非常重要的零部件。制动能力越强，可以提供更大的制动力矩，提高再生制动在制动过程中的比例，可以使再生制动系统的总比例增加，恢复更多的制动能量；其次，电力输出功率越大，可以提供更大的功率给充电电池，回收更多的能量。由于受到发电能力的限制，在进行再生制动时，不能超过最大制动力矩、电机的速度和发电能力。因此，当制动强度很大时，个体往往不能依靠再生制动电机来满足制动要求，同时需要摩擦制动的补充。
(3)电池。电池充电状态决定制动能量是否进行回收。另外，电池充电容量决定电机所发出的能量是否可以被他们全面、快速吸收。电池充电功率越大，电机的能量吸收能力越强。但电池充电容量受到电池功率的限制，制动能量回收率不能超过电池的最大充电功率，这也限制了电机允许的功率输出，将影响制动能量的回收。
(4)驾驶类型。再生制动可以在驱动轮上回收制动能量，驱动轮的制动能量只能通过摩擦制动来消耗。车辆制动时，由于存在惯性力，使前轮产生的地面反应力增加到一个大的值，连接到前轮的情况会更好，可用的地面制动力大于后轮，所以前轮可以分配到更多的制动力，在相同条件下，前轮驱动的车辆，可回收的制动能量超过后轮驱动的车辆。全轮驱动的汽车还可以回收前后制动能量，因此是能量回收一个好的驱动方式。
(5)控制策略。当电机和储能的要求和设计按照选定进行时，控制策略将确定制动能量的回收量。因此，目前在电动汽车再生制动能量存储装置领域的研究，再生制动控制策略的研究有很多。控制策略控制再生制动和机械制动的电池充电状态和再生制动能量的发电过程之间的比例。
(6)环境条件。环境条件，包括交通、环境温度和车辆的当前状态。车辆制动和能量回收在不同的道路条件下是不同的，在一定范围内，较低的环境温度、更快电机速度和更好的热能储存，发电和充电能力会更好；目前车辆的状态主要是指目前的能源储存状况，电流充电和放电的能源储存能力是与再生制动回收能量是不同的。
(7)组件的效率。在再生制动能量流动的过程中，各元件的效率也会影响回收的总能量。主要包括功率传输效率、功率效率、电机、逆变器效率、蓄电池充电效率等。
IV.电动汽车制动方式
电动汽车制动可以分为以下三种不同的情况，并应采取不同的控制策略。
- 紧急刹车。
随着机械制动，它会通过控制制动系统来增加制动力从而达到最合理的比例。由于制动时间短，在超级电容器中储存的回收的能量，主要用于重新启动或加速的过程。减少电池在启动和加速的负担。
b．轻微制动。
取代机械制动系统，使车辆动态平稳缓慢，提高乘员舒适度。在电池充满电后，回收的能量将被储存在一个电容器里。
c．长时间制动。
在下坡或长时间连续滑动情况下，除了在轻制动的作用，这一情况可以广泛应用于山区和崎岖不平的地形道路条件，可以回收大量的能源。同时也可以在很大程度上减轻刹车的负担，刹车时间太长，以至于不能避免因制动产生大量的热量，从而造成的制动器衰退，甚至刹车失灵现象。
V.电动汽车的再生制动控制策略
电动汽车的制动系统是一种常见的再生制动和摩擦制动复合制动系统，除了保证车辆减速的安全，还具有制动能量回收功能。如何合理地分配摩擦制动和再生制动的比例，以及如何回收制动能量和安全制动是控制策略的关键问题。目前，对再生制动与摩擦制动比例关系的控制方式有2种，一是固定配置比例关系，简称为固定配置策略，二是根据电机功率的产生能力和电池充电能力动态地分配再生制动力和机械制动力之间的比例关系，简称为动态分配策略。
A．固定配置策略
固定配置再生制动和摩擦制动比例关系的控制方法，具有控制简单，易于实现的优点，但没有考虑电机的发电容量和电池充电能力，在制动过程中，并不是每一次都完全将动能转化为电能，并把电池认作安全使用电池，电池充电电流不大于其额定电流，因此，在一般情况下，再生制动系统是有限制的。
B.动态分配策略
固定配置的可再生动力和机械制动系统的比例关系，他们不能满足我们的实际需要，动态关系的比例将是一个更好的车辆动能转化为电能的策略，电池充电效果更好，更大程度的增加驾驶范围。这种动态的方法考虑到车辆安全的分配，以最大程度地进行制动能量回收，以增加驾驶范围，但它比固定配置的可再生制动和机械制动系统的比例关系更复杂。
动态分配再生制动力和机械制动力之间的比例关系的主要依据是最大电机的能力和电池的放电、充电能力，电池的当前状态主要是电池状态（充电状况）。在电机发电容量范围内，当电池的电量值小时，再生制动的比例是大的，反之，在电池充电状况的比例较大时，再生制动比例小，机械制动比例大。为了防止放电电流、电池电压、电流的欠充和过电压的充电，电池管理系统有相应的控制策略。
VI．再生制动控制方式
有三种典型的再生制动运行方式：
(1)带有制动踏板的再生制动控制机构。根据制动踏板的加速度不同，可分为2种不同类型的制动要求。第一种是正常的制动运行方式。制动踏板行程可分为2个阶段。第一种是纯电动制动阶段。随着制动踏板行程的增加，电动制动逐渐加强。第二阶段是机械和电气复合制动阶段。随着制动踏板的下移，电制动逐渐增强直至一个常数，摩擦制动也逐渐加强。在二级紧急制动运行中。此时迅速踩下制动踏板，摩擦制动已急剧增加，电动制动不工作，防止电池进行瞬时大功率充电，损坏电路装置。这种控制适用于车辆的起动、制动和频繁使用，如城市客车。
(2)设置再生制动控制文件。当司机的手挂在齿轮装置上，再生制动开始。相反的，则退出再生制动。这样，摩擦制动控制不变，其制动效果是独立的。这种控制适用于长期下降缓慢的制动条件。
(3)电动制动控制机构与油门踏板控制相结合。以这种方式，油门踏板行程分为三个阶段。首先作为电制动阶段，随着踏板的向下，电动制动逐渐减弱；另一方面，松开踏板，电动制动最强。二段为空中移动，踏板位于这段，既不刹车也不加速。在第三阶段，随着踏板的下降，动力驱动力矩增大。这种控制方法使传统的机械制动踏板可以保持在一个相对简单的控制模式，进行再生制动，以取得更好的结果。这种滑动模式条件更适合用于城市使用的条件。
根据这三种方法的具体需要，可以结合使用，实现简单的操作，尽可能回收制动能量。
VII.结论
再生制动是一种独特的电动汽车技术，可以实现车辆制动能量回收，提高汽车的能源效率。目前，在电动汽车的开发和研究过程中，如何提高其行驶距离是一个比较关键的问题。目前，由于超级电容器的发展，再生制动技术变得更加成熟，大大提高能量回收率，进一步提高电动汽车的行驶里程。利用合理的能量分配策略，提高电动汽车的驾驶里程，提高能源回收效率。
汽车液压制动能量回收系统的热力学分析
在这项研究中，在车辆的液压制动能量回收系统中进行热力学分析，用于新开发的系统。本系统涉及到车辆的能源效率领域。能量回收系统包括第一泵、液压蓄能器和液压马达。第一泵是可变的。液压泵（VDP）、液压蓄能器连接到第一泵，该泵在压力下储存液压流体。液压马达连接蓄电池来接收液压流体。电机用于驱动第二液压泵，电机连接到辅助系统，利用液压能储存在蓄能器。本文提出整体的充电和放电效率，计算系统的总效率。为了进行分析，EES（工程方程求解器）被应用当中。此外，进行参数研究，以观察不同实质性参数的影响，即，入口压力和蓄能器的温度和环境温度，从而调查在系统性能方面的效率的变化。在两个系统中，一个系统的充电和放电效率分别为83.81%和87.73%，而另一个系统的充电和放电效率分别为81.84%和85.67%。
关键词：液压辅助起动，蓄电池，HLA电机，可用能，效率
1.引言
在汽车行业，节能是非常重要的，因为全球对环境问题的日益关注。电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的发展在所有地区都得到了关注，其发展帮助
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资料编号：[153602]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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