纯电动汽车再生制动能量回收技术

再生制动指纯电动汽车在减速制动（或下坡）时将自身的部分动能转化为电能，转化的电能储存在储存装置中，如蓄电池、超级电容和超高速飞轮，最终增加纯电动汽车的续驶里程。如果储能器已经被完全充满，则再生制动不能实现，所需的制动力只能由常规的制动系统提供。

与传统汽车相比，纯电动汽车工作在再生制动模式或电液复合制动模式时，可由电机提供一部分甚至全部制动力，在保证汽车制动安全性的同时，可回收一部分动能，储存在蓄电池中，以供再次利用。目前，绝大多数的纯电动汽车均采用前轴集中式电驱动。

在理想制动工况下，依据驾驶人踩制动踏板的动作和习惯，可将整个制动过程分为3个阶段：

第1阶段，驾驶人踩下制动踏板至理想位置。

第2阶段，驾驶人保持制动踏板位置直至停车。

第3阶段，驾驶人松开制动踏板。

在制动控制过程中，制动踏板的位移和制动主缸的压力决定了驾驶人的期望制动力。由以上分析可得出理想制动工况下的期望制动力曲线，如图3-4-2所示。

期望制动力越大，产生的制动强度越大，整个制动过程的制动功率就越大，对电机和蓄电池的要求也越高。在制动条件理想的情况下，可得到最大制动功率与制动初速度和制动强度的关系。有研究表明，在95%的制动工况下，汽车的最大制动功率小于150kW，这大大降低了对电机和蓄电池储能系统的性能要求，有利于制动能量的回收利用。

由再生制动时的能量流动路线可知，制动能量由车轮流至蓄电池，所流经的任何一个零部件都会使能量产生损失。但考虑到机械传动效率很高且稳定，影响制动能量回收的主要因素包括电机、蓄电池、液压制动系统3部分。

图3-4-2 期望制动力曲线

1）电机。电机作为再生制动系统中能量形式转换的部件，对制动能量的回收起着至关重要的作用。电机的外特性决定了某一转速下再生制动力的最大值。电机的最大功率和基速决定了电机的功率特性。电机在基速以下时输出转矩保持恒定，功率与转速呈比例关系；电机在基速以上时，输出转矩随转速增加不断减小，功率输出保持恒定。当车速很低时，电机的转速也会随之变得很低，此时电机产生的感应电动势很低，不能为蓄电池继续充电。

2）蓄电池。蓄电池是再生制动系统的储能部件，其性能和能量管理策略决定了蓄电池的工作状态，这主要体现在SOC和最大充电功率两个方面。每种蓄电池都对SOC的运行范围有固定的要求，超出范围的过充和过放都会对蓄电池造成不利影响。例如，锂电池SOC的运行范围一般为30%～70%，该段称为主动充电区域。当蓄电池的SOC大于70%时，再生制动系统不再为蓄电池充电。由于整个制动过程时间很短，蓄电池的SOC、温度和内阻可认为保持不变，因此蓄电池的开路电压保持不变。同时，为保护蓄电池，每个蓄电池单体都有最大充电电流的限制。整个制动过程中，蓄电池可保持最大充电功率进行充电。电机的发电功率和蓄电池的充电功率共同限制了再生制动功率的大小，进一步限制了再生制动力的最大值。

3）液压制动系统。由于电机再生制动的能力有限，同时考虑到电气系统容易出现故障，为保证制动的安全性，液压制动系统对纯电动汽车来说是必不可少的。但是再生制动力随车速不断变化，相应地，摩擦制动力也会随之改变，以保持与传统制动系统相同的制动强度。因此，液压制动系统结构上比传统制动系统增加了液压控制单元，以精确、稳定地控制制动轮缸的压力，保证汽车有良好的制动效能。液压控制单元对制动压力的控制能力间接影响到再生制动力的大小。(www.xing528.com)

图3-4-3为纯电动汽车的再生制动/液压制动系统的基本结构，驾驶人踩下制动踏板后，电泵使制动液增压产生所需的制动力，制动控制与电机控制协同工作，确定纯电动汽车上的再生制动力矩和前后轮上的液压制动力。再生制动时，再生制动控制回收再生制动能量，且反充到动力电池中。与传统燃油车相同，纯电动汽车上的ABS及其控制阀的作用是产生最大制动力。

图3-4-3 纯电动汽车再生制动/液压制动系统基本结构

再生制动能量回收的基本原理是先将汽车制动或减速时的一部分机械能（动能）经再生系统转换（或转移）为其他形式的能量（旋转动能、液压能、化学能等），并储存在储能器中，同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动。当汽车再次起动或加速时，再生系统又将储存在储能器中的能量转换为汽车行驶所需的动能（驱动力）。纯电动汽车再生制动能量回收的方法有飞轮储能、液压储能和电化学储能等。

飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来储存和释放能量。汽车制动或减速时，先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成飞轮高速旋转的动能。汽车再次起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传动装置转化为汽车行驶的驱动力。

液压储能式再生制动能量回收是先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成液压能，并将液压能储存在液压储能器中。汽车再次起动或加速时，储能系统又将储能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车，以增加汽车的驱动力。

电化学储能式再生制动能量回收是先将汽车在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化为电能并以化学能的形式储存在储能器中。汽车再次起动或加速时，再将储能器中的化学能通过电动机转化为汽车行驶的动能。储能器可采用蓄电池或超级电容，由发电机/电动机实现机械能和电能之间的转换。系统还包括一个控制单元，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并保证蓄电池的剩余电量在规定范围内。

目前，纯电动汽车一般采用电化学储能方法实现再生制动能量回收，采用的办法是在制动或减速时将驱动电机转化为发电机。

图3-4-4是一种用于前轮驱动汽车的电化学储能式再生制动能量回收系统。当汽车以恒定速度或加速度行驶时，电磁离合器脱开。当汽车制动时，行车制动系统开始工作，汽车减速制动，电磁离合器接合，从而接通驱动轴和变速器的输出轴。这样，汽车的动能由输出轴、离合器、驱动轴、驱动轮和从动轮传到发动机和飞轮上。制动时的机械能由电动机转换为电能，储存入蓄电池。当离合器再次分离时，传到飞轮上的制动能，驱动发电机产生电能，储存入蓄电池。

图3-4-4 电化学储能式再生制动能量回收系统

在发电机和飞轮回收能量时，产生负载作用，作为前轮驱动的制动力。当汽车再次起动时，蓄电池的化学能被转换成机械能，以加速汽车。