电动汽车制动能量回收系统研究
本文针对目前电动汽车制动能量回收效率偏低的状况，在阅读了大量的国内外文献的基础上，结合国内研究状况，借鉴国内外学者研究，主要进行以下分析与研究：首先对制动能量回收系统的结构和原理、汽车制动过程中车辆的受力状况、电机制动与机械制动工作关系、前后车轮制动力分配关系进行详尽的分析，然后对制动能量回收系统的几种典型的制动能量回收控制策略进行了分析与对比，最后找出制动能量回收系统的约束因素，并得出结论。关键词 电动汽车，制动能量，再生制动，制动能量回收，能量回收技术目 录
1 引言 1
1.1 研究课题的背景 1
1.2 制动能量回收技术发展现状 1
1.3研究的意义 2
2 制动能量回收系统的结构及原理 3
2.1 制动能量回收系统的结构及能量传递 3
2.2 制动能量回收系统工作原理 4
2.3 实现能量回收工作过程 5
3 车辆电机制动与机械制动分析 6
3.1 电机制动 7
3.2 复合制动 9
4 汽车前、后车轮制动力分配分析 10
4.1 汽车制动受力分析 10
4.2 前、后轮制动力实际分配曲线与理想分配曲线的关系 12
5 制动能量回收控制策略研究 13
5.1 理想制动力控制策略 13
5.2 制动能量回收最大化控制策略 14
5.3 并联制动能量回收控制策略 16
5.4 三种控制策略对比总结 17
结论 18
致谢 20
参考文献 21
1 引言
1.1 研究课题的背景
电动汽车作为新一代的清洁的交通工具，代表的发展方向汽车工业。然而，电动汽车一次充电续驶里程远小于内燃机汽车，这严重影响电动汽车在未来的发展和普及。在电动汽车设计元素中，制动能量回收系统研究的加入是提高电动汽车续驶里程的必要路径。对能源的高效利用是电动汽车的一大特色，也是发挥其节能和环保优越性能的重要体现。据统计，在城市道路行驶，在制动过程中有50%左右能量损失，而在乡间道路行驶时有20%
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/> 电动汽车作为新一代的清洁的交通工具，代表的发展方向汽车工业。然而，电动汽车一次充电续驶里程远小于内燃机汽车，这严重影响电动汽车在未来的发展和普及。在电动汽车设计元素中，制动能量回收系统研究的加入是提高电动汽车续驶里程的必要路径。对能源的高效利用是电动汽车的一大特色，也是发挥其节能和环保优越性能的重要体现。据统计，在城市道路行驶，在制动过程中有50%左右能量损失，而在乡间道路行驶时有20% 左右的能量损失[1]。目前，电动车的主要问题是在汽车制动过程中如何有效地利用和回收制动能量。特别是，中国是一个多山的国家，丘陵山区土地总面积的三分之二。电动汽车下坡时存储汽车的制动能量，在上坡这段时间释放这部分能量，这样不仅可以节约能源，减少制动磨损和降低失效率。因此，制动能量回收系统已经成为电动汽车的标配，它对电动汽车整个行业的发展有着重要地位。
1.2 制动能量回收技术发展现状
此前，电动汽车在国外迎来了新生，各大商家对制动能量回收系统的研究和应用格外关注。世界各国汽车公司为了抢占市场先机，纷纷推出了自己研制的较先进的控制策略的能量回收系统。电动汽车制动能量回收技术的发展历程从无到有，从理论研究再到实际中的应用推广，每一步都将人类的智慧展现得淋漓尽致[2]。
国外很多学者进行了制动能量回收的理论性研究，重点研究包括改进控制策略、改进电气系统以及能量存储系统等。其中美国的P.M等针对某混合动力汽车设计了一种基于制动需求与防止车轮抱死的制动能量回收控制算法的改进并联制动能量回收系统，还研究了既可以提高制动能量回收效率又能分析制动能量回收过程运行监控系统系统[3]；澳洲的 P. Tds等不仅系统分析制动能量回收系统的完成办法，且说明复合制动力间的配合关系；日本的N.T等开发了一款可在实际运行中能极大提高能量回收率的混合动力汽车的制动能量回收系统；英国的VS .M.T等分析了制动能量回收过程的约束条件，并对电动汽车在不同的行驶条件下的油耗和能量回收情况进行了建模与仿真[3]。之后O S.A.等人对电动汽车能量回收的控制方法进行研究，且为制动能量回收和ABS系统间的配合提出自己的看法。再者J.A.A. H等人针对纯电动车的制动能量回收系统的约束条件，进行了不同路面的试验，并提出了自己的改进意见[4]。
在应用方面，近年日本马自达公司于研发了 i-eloop 动能回收系统，充放电速度更快捷，同时还可增加电动汽车的使用年限，在他们最新推出的 CX-5，阿特兹 等车型中就充分展现了该系统的优越性[5]。这个系统具有创先河般的将电容设置为电动汽车上的储能设备，是当时的领导者。除此之外，制动能量回收系统也在国外其他汽车厂商在其量产车型上纷纷得到了应用，包括奔驰、宝马、特斯拉等大型公司也都为了实现环保与节能的总体目标而安装该系统。
对于制动能量回收系统的研究，我国的起步比较晚，多数都集中由各大高校和科研院所进行研究，但是取得的成就也是相当可观，更优化的制动能量回收控制算法在不断被开发，且已逐步增加在实际中的应用。
在理论性的研究与探索方面，国内也在如火如荼的进行着，如南京航空航天大学的赵国柱和清华大学的仇斌都详细研究了常规电动公交车的能量回收控制策略，赵国柱推出引入制动力调节装置的改进的并联制动能量回收控制策略；而仇斌还对影响制动能量回收效果的关键因素进行研究，并有针对性的提出了后轴限压异步并联的控制策略[6]；吉林大学的马其贞通过选取参数对驾驶员在不同制动意图下液压制动力与电机制动力的分配比例，提出了一种基于驾驶员制动意图识别的制动能量回收控制策略；合肥工业大学的林巨广等人根据不同路况，采用不同的前、后制动力分配方法，且提出了基于路面识别的“并联式制动能量回收控制优化策略”[7]。
在我国，制动能量回收系统目前主要在公交车上得到应用，且逐渐在家用轿车上量产。包括在2010 年的上海世博会上运行着以三相异步电动机作为其驱动电机，磷酸铁锂电池作为动力源的一种零排放的纯电动城市客车（SWB6121EV2） 、国内采用先进的线控制动能量回收系统的海格插电式混合动力客车，应用线性刹车制动能量回收控制策略，消除了在刹车时晃动等现象，还可以使客车节省 40%以上的燃油[8]。
能在电动汽车上装备制动能量回收系统，要求在最大限度回收制动能量的同时，还必须保证汽车良好的制动安全性能。因此，一个具有实际效用的制动能量回收系统还需要综合考虑汽车动力学特性、电机发电特性、制动模式和控制策略等多方面的问题。
1.3研究的意义
电动汽车的制动过程，汽车的动能被转化为热能，这部分的能量将消失在空气中，造成损失。据数据显示，电动汽车制动时损失的能量能达到汽车总驱动能量的半数以上[7]。而目前，电动汽车已经可以将这这部分的能量通过制动能量回收系统转化为电能储存在电动汽车的电池组中，并能在需要时将此部分电能转变为汽车的驱动动力。有证据显示，“制动回收能量很大程度上可使电动汽车的增加续驶里程10%-30%”[9]。因此，这项研究对汽车未来的发展有着重
1 引言 1
1.1 研究课题的背景 1
1.2 制动能量回收技术发展现状 1
1.3研究的意义 2
2 制动能量回收系统的结构及原理 3
2.1 制动能量回收系统的结构及能量传递 3
2.2 制动能量回收系统工作原理 4
2.3 实现能量回收工作过程 5
3 车辆电机制动与机械制动分析 6
3.1 电机制动 7
3.2 复合制动 9
4 汽车前、后车轮制动力分配分析 10
4.1 汽车制动受力分析 10
4.2 前、后轮制动力实际分配曲线与理想分配曲线的关系 12
5 制动能量回收控制策略研究 13
5.1 理想制动力控制策略 13
5.2 制动能量回收最大化控制策略 14
5.3 并联制动能量回收控制策略 16
5.4 三种控制策略对比总结 17
结论 18
致谢 20
参考文献 21
1 引言
1.1 研究课题的背景
电动汽车作为新一代的清洁的交通工具，代表的发展方向汽车工业。然而，电动汽车一次充电续驶里程远小于内燃机汽车，这严重影响电动汽车在未来的发展和普及。在电动汽车设计元素中，制动能量回收系统研究的加入是提高电动汽车续驶里程的必要路径。对能源的高效利用是电动汽车的一大特色，也是发挥其节能和环保优越性能的重要体现。据统计，在城市道路行驶，在制动过程中有50%左右能量损失，而在乡间道路行驶时有20%
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
/> 电动汽车作为新一代的清洁的交通工具，代表的发展方向汽车工业。然而，电动汽车一次充电续驶里程远小于内燃机汽车，这严重影响电动汽车在未来的发展和普及。在电动汽车设计元素中，制动能量回收系统研究的加入是提高电动汽车续驶里程的必要路径。对能源的高效利用是电动汽车的一大特色，也是发挥其节能和环保优越性能的重要体现。据统计，在城市道路行驶，在制动过程中有50%左右能量损失，而在乡间道路行驶时有20% 左右的能量损失[1]。目前，电动车的主要问题是在汽车制动过程中如何有效地利用和回收制动能量。特别是，中国是一个多山的国家，丘陵山区土地总面积的三分之二。电动汽车下坡时存储汽车的制动能量，在上坡这段时间释放这部分能量，这样不仅可以节约能源，减少制动磨损和降低失效率。因此，制动能量回收系统已经成为电动汽车的标配，它对电动汽车整个行业的发展有着重要地位。
1.2 制动能量回收技术发展现状
此前，电动汽车在国外迎来了新生，各大商家对制动能量回收系统的研究和应用格外关注。世界各国汽车公司为了抢占市场先机，纷纷推出了自己研制的较先进的控制策略的能量回收系统。电动汽车制动能量回收技术的发展历程从无到有，从理论研究再到实际中的应用推广，每一步都将人类的智慧展现得淋漓尽致[2]。
国外很多学者进行了制动能量回收的理论性研究，重点研究包括改进控制策略、改进电气系统以及能量存储系统等。其中美国的P.M等针对某混合动力汽车设计了一种基于制动需求与防止车轮抱死的制动能量回收控制算法的改进并联制动能量回收系统，还研究了既可以提高制动能量回收效率又能分析制动能量回收过程运行监控系统系统[3]；澳洲的 P. Tds等不仅系统分析制动能量回收系统的完成办法，且说明复合制动力间的配合关系；日本的N.T等开发了一款可在实际运行中能极大提高能量回收率的混合动力汽车的制动能量回收系统；英国的VS .M.T等分析了制动能量回收过程的约束条件，并对电动汽车在不同的行驶条件下的油耗和能量回收情况进行了建模与仿真[3]。之后O S.A.等人对电动汽车能量回收的控制方法进行研究，且为制动能量回收和ABS系统间的配合提出自己的看法。再者J.A.A. H等人针对纯电动车的制动能量回收系统的约束条件，进行了不同路面的试验，并提出了自己的改进意见[4]。
在应用方面，近年日本马自达公司于研发了 i-eloop 动能回收系统，充放电速度更快捷，同时还可增加电动汽车的使用年限，在他们最新推出的 CX-5，阿特兹 等车型中就充分展现了该系统的优越性[5]。这个系统具有创先河般的将电容设置为电动汽车上的储能设备，是当时的领导者。除此之外，制动能量回收系统也在国外其他汽车厂商在其量产车型上纷纷得到了应用，包括奔驰、宝马、特斯拉等大型公司也都为了实现环保与节能的总体目标而安装该系统。
对于制动能量回收系统的研究，我国的起步比较晚，多数都集中由各大高校和科研院所进行研究，但是取得的成就也是相当可观，更优化的制动能量回收控制算法在不断被开发，且已逐步增加在实际中的应用。
在理论性的研究与探索方面，国内也在如火如荼的进行着，如南京航空航天大学的赵国柱和清华大学的仇斌都详细研究了常规电动公交车的能量回收控制策略，赵国柱推出引入制动力调节装置的改进的并联制动能量回收控制策略；而仇斌还对影响制动能量回收效果的关键因素进行研究，并有针对性的提出了后轴限压异步并联的控制策略[6]；吉林大学的马其贞通过选取参数对驾驶员在不同制动意图下液压制动力与电机制动力的分配比例，提出了一种基于驾驶员制动意图识别的制动能量回收控制策略；合肥工业大学的林巨广等人根据不同路况，采用不同的前、后制动力分配方法，且提出了基于路面识别的“并联式制动能量回收控制优化策略”[7]。
在我国，制动能量回收系统目前主要在公交车上得到应用，且逐渐在家用轿车上量产。包括在2010 年的上海世博会上运行着以三相异步电动机作为其驱动电机，磷酸铁锂电池作为动力源的一种零排放的纯电动城市客车（SWB6121EV2） 、国内采用先进的线控制动能量回收系统的海格插电式混合动力客车，应用线性刹车制动能量回收控制策略，消除了在刹车时晃动等现象，还可以使客车节省 40%以上的燃油[8]。
能在电动汽车上装备制动能量回收系统，要求在最大限度回收制动能量的同时，还必须保证汽车良好的制动安全性能。因此，一个具有实际效用的制动能量回收系统还需要综合考虑汽车动力学特性、电机发电特性、制动模式和控制策略等多方面的问题。
1.3研究的意义
电动汽车的制动过程，汽车的动能被转化为热能，这部分的能量将消失在空气中，造成损失。据数据显示，电动汽车制动时损失的能量能达到汽车总驱动能量的半数以上[7]。而目前，电动汽车已经可以将这这部分的能量通过制动能量回收系统转化为电能储存在电动汽车的电池组中，并能在需要时将此部分电能转变为汽车的驱动动力。有证据显示，“制动回收能量很大程度上可使电动汽车的增加续驶里程10%-30%”[9]。因此，这项研究对汽车未来的发展有着重
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