1、黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 1 页 汽车液压节能储能装置的设计1 摘要20 世纪末，随着能源和环保问题的日益突出，电动汽车以其清洁无污染、能量效率高及能量来源多样化、结构简单和维修方便等优点成为汽车发展的新热点。但是续驶里程短和售价昂贵这两个问题严重地阻碍了电动汽车的商品化。由于再生制动利用了原本被消耗的摩擦制动的能量，可降低电动汽车的能耗，改善汽车的经济性能 1。因此，在目前的电动汽车技术研究中，能量回收与再利用已成为一种降低能耗、提高续驶里程的重要技术手段。所谓能量回收再利用,是指在车辆减速或制动时,将其中一部分动能转化为其他形式能量的过程 2。现在的
2、大多数电动车上,能量回收再利用是通过将牵引电动机作为发电机,使车轮产生制动力矩并给蓄电池充电来实现的。驱动系统的再生制动功能是非常重要的,据美国对电动汽车的实际运行测试结果表明,能量回收再利用给作为储能动力源的蓄电池补充的能量,能使电动汽车一次充电后行驶的里程增加 10%25%。例如丰田的 Prius 可以回收大约 30%的能量,否则这部分能量将会由摩擦制动而以热量的形式散失掉 3。节能储能装置设计是在电动车现有结构、部件基础上，通过控制电机发电的同时产生制动力矩，实现制动的同时回收部分制动能量储存到储能装置中。实现再生制动，可以弥补纯电动汽车续驶里程不足的缺陷，使其节能优势及社会效益达到最大
3、化。本文主要对电动汽车再生制动系统现实意义、基本原理进行了阐述，提出了一种液压制动控制策略，指出了再生制动系统的关键技术难题并对日后的发展做出展望。关键词: 能量回收 蓄能器 再生制动 液压制动黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 2 页 2 电动汽车节能的结构组成与工作原理2.1 电动汽车能量回收系统的结构所谓制动能量回收是指汽车减速或制动时,将其中一部分机械能(动能) 转化为其他形式的能量,并加以再利用的技术。根据不同的储能方式,制动能量回收主要有液压储能式、飞轮储能式和电储能式3种类型 ，本设计的电动汽车制动能量回收采用液压储能式。其基本原理是:通过具有可逆作
4、用的液压泵/液压马达来实现液压能和汽车动能的转化。在汽车制动或减速时,液压泵/液压马达以液压泵的形式工作,汽车行驶的动能带动液压泵将汽车动能转化为液压能并储存在储能器中；在汽车起动或加速时,液压泵/液压马达以液压马达的形式工作,将储存在储能器中的液压能转化为机械能给汽车。汽车能量回收系统的主要目的，就是使汽车行驶时的节能效果最佳，即尽可能多地回收汽车制动前的能量(动能或势能)，在汽车起步或加速时，尽可能多地将系统储存的能量释放出来，使发动机的燃料消耗最小。从而改善汽车的能量利用效率, 提高汽车续驶里程。电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统以及完成既定任务的工作装置等。电力
5、驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。在电动汽车上，能量回收再利用是利用电动机的电动机/发电机可逆性原理来实现的。在电动汽车需要减速或者滑行时，可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用 4。由于摩擦制动一般采用液压形式，所以所提到的机电复合制动系统也可以称为再生-液压混合制动系统。从保证制动安全和提高能量利用率的角度来考虑，再生-液压混合制动系统是最适合电动汽车的综合制动系统。本文电动汽车的制动系统为：双回路液压制动系统+电动真空助
6、力+电机再生制动。电动汽车的制动助力采用电动真空助力，保证踏板力符合习惯大小，同时具有一定的制动脚感。同时，由于前后轮均采用的是盘式制动器，所以需要加装驻车制动器部分。制动过程中，制动控制器根据制动踏板的开度(实际为主缸压力)，判断整车的制黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 3 页 动强度，确定相应的摩擦制动和再生制动的分配关系。前后轴的摩擦制动分配关系由液压系统对前后轮的分配关系实现；制动控制器根据制动强度和电池的 SOC 值确定可以输出地制动转矩并对前后轴进行分配，然后通过电机控制器控制电动机进行再生制动。在整个制动的过程中，要保证电动汽车的制动稳定性、平稳性
7、，并尽可能多的回收制动能量，延长汽车行驶里程 5。图 2.1 为电动汽车整车工作原理图：图 2.1 整车工作原理图2.2 再生制动原理在电动汽车中，作为动力装置的电动机同时也具有发电功能，利用这一功能，可以实现电动机的再生制动。在制动过程中，整车的惯性能量可以传递到电动机，从而带动电动机转动，此时，电动机转化为发电机，向动力电池充电，将制动能量转化为电能，储存在动力电池中，实现了能量的再生利用。同时，电机产生的制动力矩还可以作用于车轮，对车轮施加制动力，从而达到使车辆减速的效果 6。本文中所采用的是直流电机，电机通过变速器连接到驱动轮，驱动车辆行驶。当车辆制动时，驱动轮通过变速器反拖带动电机旋
8、转，电机控制器控制电机在发电状态，从而实现制动中车辆动能的回收。直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。直流电机驱动系统由于成本低，技术成熟，在目前和今后相当一段时间内，仍会在小功率和便宜的电动汽车上得到应用。直流电机由定子和转子两大部分组成，其中定子为电机的静止部分，转子为电机的转动部分。定子部分主要包括主磁极、换向极、机座和电刷装置等。转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇和轴等。常见的直流电机控制系统示意图如图 2.2 所示。其中 UC 为控制电压。当 DC-DC黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 4 页 转换器以斩波方式工作时，通常称
9、为直流斩波器，广泛应用于直流电动机驱动的电压控制。直流斩波器分为第一象限型、第二象限型、二象限型和四象限型。第一象限型直流斩波器适用于电动机工作模式，能量从能源流向负载，第二象限型直流斩波器适用于再生制动，能量从负载流向能源。二象限型直流斩波器即适合于电动机模式又适合于再生制动模式，所以它在电动汽车中是首选。本文采用的是二象限型直流斩波器直流电机控制器，可以实现电动机在驱动形式下的控制和再生制动下的控制。动力电池组D C - D C转换器直流电机图 2.2 直流电机控制系统示意图根据直流电机的转矩(电流)与转速的关系，可用图 2.3 所示原理来表示电机的运行状态 7。图 2.3 直流电机的运行
10、状态第 I 象限是电动机正转运行状态；第 II 象限是电动机正转再生制动状态。汽车正常行驶时，电动机处于正转状态，运行在第 I 象限。当控制电压降低时，电机的工作曲线下移，由于电机转速不能瞬时变化，电机的运行状态就平滑的移到第 II 象限，如图 2.3 中虚线所示，此时电机处于再生制动状态，转矩为负，相当于电动汽车的制动力矩。当电机转速下降时，为了维持再生制动，电机的控制电压要相应提升。黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 5 页 3 能量储存装置为了实现更充分地回收和利用制动能量，储能系统需要在比能量、比功率、效率、充放电速度、充电次数、成本、安全等方面符合要求。
11、当前主要有3种储能装置被考虑用于汽车制动能量回收储能，它们是电化学电池、超级电容与飞轮电池 8。3.1 电化学电池电化学电池是汽车储能的传统选择，主要包括铅酸电池(Leadacid)、镍金属电池(CdNi和MH Ni)、锂电池(Liion和Lipolymer)等。铅酸电池可靠性高、原料易得、成本低、适用温度和电流范围大，一直在汽车储能中使用最广泛但铅酸电池作为制动能量储能系统，存在的缺点主要是充电速度慢、循环使用寿命过低等。镍金属电池有Cd Ni和 MHNi电池，但由于镉对环境有污染，很多国家限制发展和使用CdNi电池 9。MHNi电池是一种绿色镍金属电池，具有很高的能量存储能力；但它的单元电
12、池额定电压较低，仅为12 V左右(铅酸电池 2V)，这就导致构成相同额定电压的镍金属电池单元数目比铅酸电池要多23，增加了电池系统的复杂性，另外，镍金属电池还存在记忆效应和充电发热等方面的问题。锂电池是上世纪末发展起来的高容量可充电电池，能够比MHNi电池存储更多的能量：比能量大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和无环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点。3.2 超级电容和飞轮电池超级电容是最近几年随着新电极材料的出现而提出的能满足汽车能量和功率实时变化要求的一种能量存储装置。超级电容容量是同等体积下的普通电容器容量的20006000倍，放电电流可达几千安培，能量密度高于传统电容器近百倍
13、，瞬时放电功率比蓄电池高lO倍以上，充放电效率高，不需要维护和保养，寿命长达lO年以上，并且可以保护蓄电池，极有发展前途 10。飞轮电池为一种以动能方式存储能量的机械电池。近年来由于高强度碳素纤维和玻璃纤维出现以及电磁悬浮、超导磁悬浮技术、真空技术的发展，使飞轮允许线速度黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 6 页 可达5001000m s，单位质量的动能储量大大增加，机械摩擦与风力损耗又极大地降低，从而飞轮储能技术已成为汽车储能的研究热点之一。3.3 复合储能系统由于单纯一种储能电池往往很难适应汽车储能的要求，特别是对具有再生制动的汽车能量的充分回收与利用，要考虑
14、到储能系统的比能量、比功率、使用寿命、充电效率、成本等各方面的因素，这时可以采用复合储能的方式，扬长补短，实现能量回收最大化，能量利用的最优化 11。目前的复合储能系统大多是采用超级电容与其他动力电池组合应用，国内外许多研究机构都在对超级电容与其他电源共同工作进行研究。黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 7 页 4 能量回收的关键技术难题以及研究展望4.1 关键技术难题能量回收系统发展要克服的三个关键问题：制动力难于准确控制、制动稳定性差，能量回收有限。(1)如何精确控制问题制动过程本身就是一个短暂的过程，因此对它的控制显得非常困难，特别是如何准确的、快速的控制以
15、及控制的稳定性，这都是急需解决的技术难题。(2)与汽车其他系统匹配协调的问题目前的汽车的电控单元越来越多，加入再生制动电控单元后，如何与其它单元更和谐的工作，特别是与ABS 系统、传统制动系统、汽车减振系统以及电机控制系统的匹配问题。(3)能量回收效率问题考虑采用何种能量转换装置能更高效的回收制动能量是最引人关注的问题。还要兼顾能量存储装置，解决好高制动能量回收率下能量最优储存的问题。这两者不能单独解决，需要统筹兼顾。4.2 研究展望综上所述，根据能量回收技术的现状及其存在的问题，针对道路车辆提出以下两点展望：(1)从生产和装配的角度出发，要尽量使能量回收系统对车辆整个传动系统影响最小，以达到
16、安装更方便、通用性更强、适用范围更广的目的。(2)从制动新技术的角度出发，考虑用电磁场原理革新再生制动技术。从能量转换黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综 述 ) 第 8 页 角度出发。可以考虑将这部分制动动能转化为易于再生的电磁能。从电机制动方式得到启示，电磁场原理可应用于汽车制动，即：在制动过程中车轮作为电动机给电机反相电压，使车轮产生一个与转动方向相反的电磁力矩，从而达到减速停车的目的 12。这符合能量守恒原理，理论上是可行的。它不再借助摩擦制动，不需要摩擦制动器，却能有效回收利用制动能量，是再生制动研究和探索的新方向。黄 河 科 技 学 院 毕 业 设 计 (文 献 综
17、 述 ) 第 9 页 参考文献1赵会强，刘怀智，陈安红.电动汽车的再生制动研究J.城市车辆，2004，62夏宇敬.浅析再生制动J.中国科技信息，2009,103陈斌.纯电动汽车再生制动研究D.重庆：重庆大学，20114汪贵平.纯电动汽车驱动与制动能量回收控制策略研究D .西安，长安大学，20095周宏峰.纯电动城市客车再生制动能量回收系统浅析J.新能源汽车，2011，106赵会强 刘怀智 陈安红.电动汽车再生制动研究J.城市车辆，2006，47张继红.纯电动汽车电液制动系统再生制动控制策略研究D .吉，吉林大学，20118张路军等蓄能器类型及应用综述M北京理工大学出版社 20019陈庆樟，何仁
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