新能源汽车制动能量回收技术分析与利用
新能源汽车制动能量回收技术分析与利用[20200409092014]
摘 要
在能源短缺和环境污染日益严重的今天，电动汽车成了全世界关注的热点。纵观当今世界汽车工业发展现状，电动汽车还不是不能产业化，主要原因无非两点，一是行驶里程短，二是初始成本高。再生制动能量回收技术在不提高汽车初始成本的前提下，可以有效地提高汽车行驶里程，已成为汽车研究领域的一个突出亮点。
本文首先介绍了电动汽车制动能量回收技术的背景，意义，国内外发展现状。然后介绍了制动能量回收系统的组成部分以及再生制动的基本原理与控制策略，接着分析了几款电动汽车上制动能量回馈系统的应用，包括丰田普锐斯，雷克萨斯HS250h，本田第四代IMA系统。最后总结出电动汽车能量回收系统的关键技术难题和发展趋势。
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关键字:新能源汽车制动能量回馈系统关键技术
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究的背景与意义 1
1.2国内外电动汽车制动能量回收技术发展现状 2
2 制动能量回收的基本原理 5
2.1概述 5
2.2制动中的能量消耗 7
2.3前后轮上的制动功率和能量 10
3 再生制动能量回收的控制策略 14
3.1具有最佳制动感觉的串联制动 14
3.2最佳能量回收率的串联制动 15
3.3并联制动策略 16
3.4永磁直流无刷电机用于发电机时的控制电路 17
3.5电源管理系统 19
4 制动能量回收技术在电动汽车上的实际应用 24
4.1丰田普锐斯制动控制系统 24
4.2 雷克萨斯HS250h制动能量回收控制 25
4.3 本田第四代IMA混合动力系统的制动能量回收系统控制 28
5 总结 31
5.1 再生制动的制约因素 31
5.2结论 31
参考文献 32
致谢 33
1 绪论
1.1课题研究的背景与意义
汽车发明了以后，渐渐的融入了人们的生活，它大大缩短了人与人之间的距离，提高了人们的生活质量。可是随着汽车排放污染问题愈演愈烈，尤其是尾气中的一氧化碳和铅，对人们的身心健康构成了严重的威胁。另一方面，燃油汽车消耗的燃料来自于石油，是一种不可再生资源。相关机构表示，如果还不能开发出新的石油替代能源，地球的上的石油储备将在未来50年后消耗殆尽。所以，汽车工业的蓬勃发展是一把双刃刀。
在这种情况下，电动汽车(EV)的研究与开发步入了人们的眼线，它必将是未来汽车发展的潮流。近些年，世界各国政府都在鼓励和支持电动的汽车的发展，将电动汽车的研制工作纳入社会发展规划之中。电动汽车在关键性技术上已经有所突破，部分样车正在投入区域性试验中，更有甚者，投入规模性生产。
虽然电动汽车近几年来取得了巨大的进展，不过还有很多瓶颈有待突破：
(1)一次充电续驶里程太短；
(2)电池的循环寿命短、更换率高；
(3)电池一次性充电时间较长。
(4)电动汽车的动力性不佳，电机的调速控制系统和蓄电池的能量管理系统技术不够成熟；
(5)售价昂贵；
(6)整车太重。
纵观上述难题，电池问题是个非常重要的突破口。可惜到目前为止，电动汽车的电池技术也尚未取得突破性进展。在这种情况下，如何提高能源利用率，制动能量回收技术是一个比较有意义的课题。
传统燃油汽车的制动过程，通过制动器的摩擦将制动时所产生的能量转换为热能，散发到空气中以至于无法回收利用。然而电动汽车却是截然不同，因为电机的可逆性（电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行），所以在制动时，可以通过设计好的电力装置，将制动过程所产生的回馈电流存入储能装置，储存起来以备驱动电机的不时之需，最终提高电动汽车的行驶里程。
电动汽车的回馈制动系统是至关重要的。通过回馈制动与机械刹车的配合使用，可以提高电动汽车刹车系统的安全性、灵敏性和可靠性。有关数据显示，使用再生制动系统的电动汽车，一次充电后的行驶里程增加了10%—25%。如果在更频繁的制动工况下行驶，这个数字将会更大。
由于我国的丘陵和山地较多，所以在制动能量系统上的研究对我国的发展有着特别的意义。在中国的西部地区，数十米乃至数百米的大坡道较多，如果能够回收下坡时车辆的制动能量，到上坡时再利用，这样不仅能减少刹车片的磨损，又能做到节能环保，可谓是一举两得。
在城市交通工况下，由于加减速较为频繁，回馈制动亦显得十分重要，成功的能量回收系统对电动汽车经济价值有着显著的影响。所以，如果能对电动汽车的能量回收系统采用合适的控制策略，将减速、制动时的能量进行回收利用，将会对电动汽车发展树立一个良好的里程碑。
综上所述，将电制动与机械制动进行合理的配合使用，不仅能延长电动汽车的行驶里程，节省能源，而且可以提高整车制动性能，增强其竞争力，所以对电动汽车能量回馈制动技术的研究是一项非常有意义的工作。
1.2国内外电动汽车制动能量回收技术发展现状
国外的回馈制动技术较为成熟，做了大量这方面的实验，储能装置一般为蓄电池，不过蓄电池充电时间较长，很难长时间的循环使用，成本高，当然也不乏将超级电容、飞轮等作为储能元件，在回馈制动系统方面：FIAT公司，在电动汽车上，使用超高速飞轮作为铅酸电池辅助能源，实验结果显示可节能20%；本田公司混和动力车EV PLUS，采用了能量回馈制动系统，可以使汽车在UDDS (Urban Dynamo Driving Schedule)工况下，能量消耗降低20%左右；东京R&D公司在电动车上，使用超级电容从而实现回馈制动，电池寿命是以前的1.5倍，行驶里程增加了20公里。
虽然中国的电动汽车能量回馈制动技术还处于研究初级阶段，但对于整车和关键技术的研究，中国已开始初露锋芒，并不是有关人士所说的很不景气。科技部提供的资料显示，目前电动汽车的研制不论在整车技术上，还是在核心技术上，都取得很大的进展。如东风电动车公司自主研发的东风混合动力轿车(EQ7200HEV)。该车在最高时速可达160 km，百公里加速时间小于13.5秒，获得多项发明专利；华南理工大学设计的再生制动控制系统，在型号EV6600的电动汽车上进行实验，结果表明，该系统的能量回收效率能达到10%；混合动力汽车EQ6110HEV，采用了机械制动与再生制动相结合的控制策略，实验表明在各种循环工况下，EQ6110HEV采用的这种再生制动控制策略可降低能耗10%—20%。
中国电动汽车近几年的发展虽然迅速，但是要让公众认可，不仅仅是性价比还有很多工作需要努力。中国汽车业界看到我们产品的不足之处。毕竟离产业化还有很长一段路。尽管中国三大汽车集团，在电动汽车研究方面做了很多努力，但是与国外相比差距还是很明显。主要有这几个方面方面：
(1)国外的整车技术十分先进，其电动车续驶里程比我国的要大很多。他们的样车续驶里程可达到四五百公里，投入市场的车一次充电可行驶200多公里，而我国的电动车却只有其四分之一，车速上也是望其项背；
(2)国外的电动车关键技术也十分的出色，如蓄电池，国外已成功研制出了铝空气电池、锌空气电池、镍氢电池等高能电池，而中国的高能电池却是停滞不前，目前就只有铅酸电池可用。虽然我国己也引进了国外很多先进铅酸电池生产线，但是所生产的电池质量还是不行；至于其它的单项技术，包括底盘、外壳、车内设施等，与国外相比都有参差不齐的差距。
如果只看目前的研发能力，中国的状况似乎并不是很理想。但有关专家表示，关键问题在于把握机遇。就像近几年来，苹果三星的崛起一样，谁能抓住机遇，顺应社会发展的趋势，准确把握市场的方向，从而不断的创新，谁就能打开市场，从而向老牌的汽车界大佬们发起挑战，中国的电动汽车在未来市场竞争中，成败与否谁也说不定。
2 制动能量回收的基本原理
2.1概述
传统汽车的制动装置有机械式，气压式，液压式，气液混合式，其工作原理大致一样，就是利用制动装置，将汽车的惯性动能以摩擦的方式转化为热能，散发到空气中，以达到汽车制动或减速的目的。原理如图2-1。
摘 要
在能源短缺和环境污染日益严重的今天，电动汽车成了全世界关注的热点。纵观当今世界汽车工业发展现状，电动汽车还不是不能产业化，主要原因无非两点，一是行驶里程短，二是初始成本高。再生制动能量回收技术在不提高汽车初始成本的前提下，可以有效地提高汽车行驶里程，已成为汽车研究领域的一个突出亮点。
本文首先介绍了电动汽车制动能量回收技术的背景，意义，国内外发展现状。然后介绍了制动能量回收系统的组成部分以及再生制动的基本原理与控制策略，接着分析了几款电动汽车上制动能量回馈系统的应用，包括丰田普锐斯，雷克萨斯HS250h，本田第四代IMA系统。最后总结出电动汽车能量回收系统的关键技术难题和发展趋势。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:新能源汽车制动能量回馈系统关键技术
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究的背景与意义 1
1.2国内外电动汽车制动能量回收技术发展现状 2
2 制动能量回收的基本原理 5
2.1概述 5
2.2制动中的能量消耗 7
2.3前后轮上的制动功率和能量 10
3 再生制动能量回收的控制策略 14
3.1具有最佳制动感觉的串联制动 14
3.2最佳能量回收率的串联制动 15
3.3并联制动策略 16
3.4永磁直流无刷电机用于发电机时的控制电路 17
3.5电源管理系统 19
4 制动能量回收技术在电动汽车上的实际应用 24
4.1丰田普锐斯制动控制系统 24
4.2 雷克萨斯HS250h制动能量回收控制 25
4.3 本田第四代IMA混合动力系统的制动能量回收系统控制 28
5 总结 31
5.1 再生制动的制约因素 31
5.2结论 31
参考文献 32
致谢 33
1 绪论
1.1课题研究的背景与意义
汽车发明了以后，渐渐的融入了人们的生活，它大大缩短了人与人之间的距离，提高了人们的生活质量。可是随着汽车排放污染问题愈演愈烈，尤其是尾气中的一氧化碳和铅，对人们的身心健康构成了严重的威胁。另一方面，燃油汽车消耗的燃料来自于石油，是一种不可再生资源。相关机构表示，如果还不能开发出新的石油替代能源，地球的上的石油储备将在未来50年后消耗殆尽。所以，汽车工业的蓬勃发展是一把双刃刀。
在这种情况下，电动汽车(EV)的研究与开发步入了人们的眼线，它必将是未来汽车发展的潮流。近些年，世界各国政府都在鼓励和支持电动的汽车的发展，将电动汽车的研制工作纳入社会发展规划之中。电动汽车在关键性技术上已经有所突破，部分样车正在投入区域性试验中，更有甚者，投入规模性生产。
虽然电动汽车近几年来取得了巨大的进展，不过还有很多瓶颈有待突破：
(1)一次充电续驶里程太短；
(2)电池的循环寿命短、更换率高；
(3)电池一次性充电时间较长。
(4)电动汽车的动力性不佳，电机的调速控制系统和蓄电池的能量管理系统技术不够成熟；
(5)售价昂贵；
(6)整车太重。
纵观上述难题，电池问题是个非常重要的突破口。可惜到目前为止，电动汽车的电池技术也尚未取得突破性进展。在这种情况下，如何提高能源利用率，制动能量回收技术是一个比较有意义的课题。
传统燃油汽车的制动过程，通过制动器的摩擦将制动时所产生的能量转换为热能，散发到空气中以至于无法回收利用。然而电动汽车却是截然不同，因为电机的可逆性（电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行），所以在制动时，可以通过设计好的电力装置，将制动过程所产生的回馈电流存入储能装置，储存起来以备驱动电机的不时之需，最终提高电动汽车的行驶里程。
电动汽车的回馈制动系统是至关重要的。通过回馈制动与机械刹车的配合使用，可以提高电动汽车刹车系统的安全性、灵敏性和可靠性。有关数据显示，使用再生制动系统的电动汽车，一次充电后的行驶里程增加了10%—25%。如果在更频繁的制动工况下行驶，这个数字将会更大。
由于我国的丘陵和山地较多，所以在制动能量系统上的研究对我国的发展有着特别的意义。在中国的西部地区，数十米乃至数百米的大坡道较多，如果能够回收下坡时车辆的制动能量，到上坡时再利用，这样不仅能减少刹车片的磨损，又能做到节能环保，可谓是一举两得。
在城市交通工况下，由于加减速较为频繁，回馈制动亦显得十分重要，成功的能量回收系统对电动汽车经济价值有着显著的影响。所以，如果能对电动汽车的能量回收系统采用合适的控制策略，将减速、制动时的能量进行回收利用，将会对电动汽车发展树立一个良好的里程碑。
综上所述，将电制动与机械制动进行合理的配合使用，不仅能延长电动汽车的行驶里程，节省能源，而且可以提高整车制动性能，增强其竞争力，所以对电动汽车能量回馈制动技术的研究是一项非常有意义的工作。
1.2国内外电动汽车制动能量回收技术发展现状
国外的回馈制动技术较为成熟，做了大量这方面的实验，储能装置一般为蓄电池，不过蓄电池充电时间较长，很难长时间的循环使用，成本高，当然也不乏将超级电容、飞轮等作为储能元件，在回馈制动系统方面：FIAT公司，在电动汽车上，使用超高速飞轮作为铅酸电池辅助能源，实验结果显示可节能20%；本田公司混和动力车EV PLUS，采用了能量回馈制动系统，可以使汽车在UDDS (Urban Dynamo Driving Schedule)工况下，能量消耗降低20%左右；东京R&D公司在电动车上，使用超级电容从而实现回馈制动，电池寿命是以前的1.5倍，行驶里程增加了20公里。
虽然中国的电动汽车能量回馈制动技术还处于研究初级阶段，但对于整车和关键技术的研究，中国已开始初露锋芒，并不是有关人士所说的很不景气。科技部提供的资料显示，目前电动汽车的研制不论在整车技术上，还是在核心技术上，都取得很大的进展。如东风电动车公司自主研发的东风混合动力轿车(EQ7200HEV)。该车在最高时速可达160 km，百公里加速时间小于13.5秒，获得多项发明专利；华南理工大学设计的再生制动控制系统，在型号EV6600的电动汽车上进行实验，结果表明，该系统的能量回收效率能达到10%；混合动力汽车EQ6110HEV，采用了机械制动与再生制动相结合的控制策略，实验表明在各种循环工况下，EQ6110HEV采用的这种再生制动控制策略可降低能耗10%—20%。
中国电动汽车近几年的发展虽然迅速，但是要让公众认可，不仅仅是性价比还有很多工作需要努力。中国汽车业界看到我们产品的不足之处。毕竟离产业化还有很长一段路。尽管中国三大汽车集团，在电动汽车研究方面做了很多努力，但是与国外相比差距还是很明显。主要有这几个方面方面：
(1)国外的整车技术十分先进，其电动车续驶里程比我国的要大很多。他们的样车续驶里程可达到四五百公里，投入市场的车一次充电可行驶200多公里，而我国的电动车却只有其四分之一，车速上也是望其项背；
(2)国外的电动车关键技术也十分的出色，如蓄电池，国外已成功研制出了铝空气电池、锌空气电池、镍氢电池等高能电池，而中国的高能电池却是停滞不前，目前就只有铅酸电池可用。虽然我国己也引进了国外很多先进铅酸电池生产线，但是所生产的电池质量还是不行；至于其它的单项技术，包括底盘、外壳、车内设施等，与国外相比都有参差不齐的差距。
如果只看目前的研发能力，中国的状况似乎并不是很理想。但有关专家表示，关键问题在于把握机遇。就像近几年来，苹果三星的崛起一样，谁能抓住机遇，顺应社会发展的趋势，准确把握市场的方向，从而不断的创新，谁就能打开市场，从而向老牌的汽车界大佬们发起挑战，中国的电动汽车在未来市场竞争中，成败与否谁也说不定。
2 制动能量回收的基本原理
2.1概述
传统汽车的制动装置有机械式，气压式，液压式，气液混合式，其工作原理大致一样，就是利用制动装置，将汽车的惯性动能以摩擦的方式转化为热能，散发到空气中，以达到汽车制动或减速的目的。原理如图2-1。
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