制动能量回收在电动汽车中的应用doctypedoc.docx
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制动能量回收在电动汽车中的应用doctypedoc
1制动能量回收在电动汽车中的应用
制动能量回收在电动汽车中的应用制动能量回收在电动汽车中的应用
制动能量回收在电动汽车中的应用摘要
摘要摘要
摘要：
介绍了电动汽车及制动能量回收系统，对电动汽车的制动能量转换与回收过程进行阐述，并从动力
学角度进行分析；最后选择了储能方式，并分析了电储能式制动再生能量回收的工作原理。
ABSTRACT:
Introducedelectricvehiclesandbrakeenergyrecoverysystem,theelectricvehiclebrakingenergy
conversionandrecoveryprocessofelaborationandanalysisfromakineticpointofview;finallyselectedstorage
method,andanalyzestheelectricalenergystorageinregenerativebrakingenergyrecoveryworks.
关键字
关键字关键字
关键字：
电动汽车；制动能量；回收与利用
Keywords:
electricvehicle;brakingenergy;recoveryandutilizaion
前
前前
前
言
言言
言
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等3种类型，电
动汽车制动能量回收属于电储能式。
其基本
原理是:
通过具有可逆作用的发电机/电动
机来实现电能和汽车动能的转化。
在汽车制
动或减速时,发电机/电动机以发电机形式
工作,汽车行驶的动能带动发电机将汽车动
能转化为电能并储存在储能器（蓄电池或超
级电容器）中；在汽车起动或加速时,发电
机/电动机以电动机形式工作,将储存在储
能器中的电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。
有
关研究表明,如果有效地回收制动能量,电
动汽车大约可降低15%的能量消耗,其续驶
里程将提高10%～30%。
1
11
1电动
电动电动
电动汽车
汽车汽车
汽车制动能量转换与回收
制动能量转换与回收制动能量转换与回收
制动能量转换与回收及需
及需及需
及需
解决的问题
解决的问题解决的问题
解决的问题
1.1
电动汽车介绍
电动汽车介绍电动汽车介绍
电动汽车介绍
电动汽车根据其动力源不同可分为：
纯
电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽
车三种类型。
1.1.1纯电动汽车
纯电动汽车纯电动汽车
纯电动汽车（
（（
（BEV）
））
）
纯电动汽车是电动汽车的三大类型之
一，是指以车载电源为动力，用电机驱动车
轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求
的车辆。
纯电动汽车（BEV）由蓄电池供电，电
机驱动行驶，可实现零排放，动力性、经济
性、安全性和可靠性等达到或接近普通内燃
汽车，续驶里程能满足一般运行要求，同时
具有低噪声、易维修、可利用低谷电以节能
等优点，是未来理想的交通运输工具。
纯电
动汽车技术基本成熟，但在动力性能、续驶
里程、制造成本和可靠性等方面还无法与内
燃机汽车相比。
作为动力源的各类型蓄电池
（主要镍镉型、铅酸型、镍锌型、锂离子型、
钠镍型、钠硫型、镍氢型等）不同程度地存在
着成本高、寿命短、比能量低、比功率小、
体积和重量大、充电时间长等问题。
目前，
还没有一种电池全面适合电动汽车，这使得
蓄电池成为电动汽车发展和普及的瓶颈。
此
外，必须解决的关键技术及配套装置还有电
机及其控制系统、充电站等。
1.1.2.混合动力汽车
混合动力汽车混合动力汽车
混合动力汽车（
（（
（HEV）
））
）
混少少鹼邁颯錘:
N'Y_O@b
2时，富余的功率可发电给电池充电，由于内
燃机可持续工作，电池又可以不断得到充
电，故其行程和普通汽车一样。
（2）在繁华市区，可关停内燃机，由电池
单独驱动，实现“零”排放。
（3）因为有了电池，可以十分方便地回收
制动时、下坡时、怠速时的能量。
（4）有了内燃机可以十分方便地解决耗能
大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的
难题。
（5）可以利用现有的加油站加油，不必再
投资。
（6）可让电池保持在良好的工作状态，不
发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成
本。
但，因为混合动力电动汽车有两套动力，
再加上两套动力的管理控制系统，结构复
杂，技术较难，价格较高。
1.1.3.燃料电池电动汽车
燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车
燃料电池电动汽车（
（（
（FCEV）
））
）
燃料电池电动汽车实质上是电动汽车
的一种，在车身、动力传动系统、控制系统
等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车
基本相同，主要区别在于动力电池的工作原
理不同。
一般来说，燃料电池是通过电化学
反应将化学能转化为电能，电化学反应所需
的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧
气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是
直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化
氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。
其
排放只有水,所以是名副其实的零排放汽
车。
燃料电池电动汽车还具有工作效率高,
低噪音,行驶平稳和不依赖石油等诸多优点,
是汽车未来发展的方向。
综上三种类型电动汽车，由于纯电动汽
车的工作过程较其它两种比较简单，并且现
在国内的电动汽车主要是在传统汽车的基
础上，通过动力性和经济性计算，把发动机
换为电动机和电池，然后进行传动系参数匹
配，最后建立整车控制系统，因此本文主要
对纯电动汽车的制动能量回收进行分析。
1.2电动汽车制动能量回收需要解决的问题
电动汽车制动能量回收需要解决的问题电动汽车制动能量回收需要解决的问题
电动汽车制动能量回收需要解决的问题
本文讨论的电动汽车回收的制动能量
要转化为蓄电池储存的电能。
该储能方式存
在功率密度低,充放电频率小,不能迅速转化
所吸收的大量能量的缺点,而车辆在制动或
起动时,需要迅速得到或释放大量能量,这使
储能蓄电池的应用受到很大限制。
现在,各国
技术人员加紧研制大容量、高性能蓄电池,
从而为蓄电池储能提供应用基础。
目前超级
大电容蓄电池的出现可望对制动能量回收
的棘手问题有一定的解决。
但是,对于电动汽车而言,更重要的是对
蓄电池充电,而在电动汽车制动期间所产生
的电流很容易达到较高的值,在约几百A的范
围内,这比蓄电池所能吸收的充电电流大得
多。
对于在这类场合所普遍使用的大多数蓄
电池来说,最大充电电流的强度通常是蓄电
池能产生之电流强度的十分之一左右。
结果,在蓄电池充电不足的情况下,电制动期
间产生的电能就会使蓄电池不适当地充电,
这样会损害蓄电池并大大减少其预期寿命。
此外,当蓄电池接近其最大充电量时,电制动
期间所产生的电能就会使蓄电池过度充电,
这会导致蓄电池电极上的电压将大致等于
充电电路所输送的电压,导致限制或抑制电
流在蓄电池中循环,大大降低甚至消失电制
动效果。
因此,在对蓄电池充电的过程中,若能对
制动能量加以调节,则有助于改善充电的效
果,也能提高蓄电池的使用寿命。
此外,从经
济性方面考虑,这样做会增加电动汽车的成
本,对电动汽车的市场竞争力无疑会产生影
响2.
2.2.
2.电动
电动电动
电动汽车
汽车汽车
汽车制动过程能量转换
制的关键技术及配套装置还有电
机及其控制系统、充电站等。
1.1.2.混合动力汽车
混合动力汽车混合动
3
（1）
紧急制动。
一般汽车紧急制动对应的制
动减速度往往大于2/
3sm,某些情况下,甚
至能达到2/
8~7sm。
从安全角度考虑,紧
急制动时应以机械摩擦制动为主,电机制动
也发挥作用,但由于紧急制动过程非常短,因
此能够回收的制动能量比较少。
另外根据对
汽车行驶工况的调查统计结果,紧急制动出
现的机会很少。
（2）正常制动。
该制动过程可分为减速过程
与停止过程,其中减速过程对应的制动减速
度小于2/
3sm,主要由电机再生制动发挥作
用,使汽车减速的同时再生制动能,停止过
程主要由摩擦制动完成。
因此正常制动能够
回收的制动能量较多。
该制动过程应以机械
为主电刹车同时作用在急刹车时可根据初
始速度的不同由车上ABS控制提供相应的机
械制动力。
（3）下长坡缓制动。
汽车长下坡一般发生在
盘山公路下缓坡时,在制动力要求不大时,可
完全由电机再生制动提供。
因此这部分制动
能量也可以回收,但回收能量较小。
因此,为
了提高电动汽车的能量利用率,在制动过程
中应尽可能多的让电机再生制动力发挥作
用,最大限度地回收所有除空气阻力和滚动
阻力以外的能量。
此外,由于汽车在制动过程
中,前轴荷增加而后轴荷减少,故采用前驱动
可以增大整车制动能量回收潜力。
根据制动车速与制动时间的不同，对电
动汽车制动的上述三种情况应采用不同的
控制策略。
2.2制动过程的动力学分析
制动过程的动力学分析制动过程的动力学分析
制动过程的动力学分析
在制动过程中能量的传递途径如图1所
示：
其中差速器与变速箱可统称为机械传
动部分。
根据汽车动力学理论《汽车理论》相关
知识得到作用于车轮上驱动力合力tF为
j
iwftFFFFF+++=（2-1）
其中fF为滚动摩擦力，wF为空气阻力iF为
坡度阻力,jF为加速阻力当汽车制动时加速阻力jF可替换为制动力bF在城市工况下wF和iF可忽略所以（2-1）可简化为b
ftFFF+=（2-2）
根据上述分析制动相关方程及推导如下车
轮负载功率P为：
）
（bftFFvFP+==其中v为瞬时车速
输入机械传动系统的瞬时功率1P为:
v
FPb=1（2-3）
电刹车开始时车体动能E为:
2
002
/1mvE=其中m为车体质量0v为制
动初始车速
电刹车结束时车体动能1E为:
2
112
/1mvE=其中1v为制动结束车速能量
消耗1
0EEE?
=?
根据能量守恒有：
∫
∫∫+==?
vdtFvdtFPdtEbf（2-4）
设∫=
vdtFEff
则b
fEEE+=?
∫∫===SFvdtFvdtFEffff
其中S为制动距离
输入的发动机瞬时功率?
==MPKP112
其中tK为机械传动部分效率，M为电机转矩，?
为电机角速度输入蓄电池的瞬时功率3P为：
1
12223PKKPKP==其中2K为电机发电
效率
回收能量功率4P为：
1
123333PKKKPKP==其中3K为电池充
电效率
回收总能∫
∫∫===dtPKKKdtPKKKdtPE1123112344，
即：
车轮/
载荷
差速器变速器
电动机/
发电机
蓄电
池组图
1能量传递路径樘4~5鋤背?
4）
（）（1231234SFEKKKEEKKKEff?
?
=?
?
?
=（2-5）
汽车的速度v为：
dt
mgIFFmgdtIFvEbft∫∫?
+=?
?
=）（04
（2-6）
充电电流I为：
U
vFKKKUPIb//1234==其中U为电
池端电压
针对某次刹车过程因为0v、1v为定值所
以E?
也为定值对特定车型来说其机械传动部分的效1K基本上是固定的对蓄电池来说制动能量回收对应于短时间（不超过20s）大
电流（可达100A）充电其充电效率3K也可认
为恒定对于电机来说在制动过程中随转速
和转矩的变化其发电效率2K也在变化制动
距离S对应于制动时间取决于制动力的大小由以上分析可知一次刹车回收能量）
（1234SFEKKKEf?
?
=如果电池状态
（包括放电深度初始充电电流强度）允许回收
能量只与发电机发电效率和制动距离有关
在满足制动时间要求的前提下通过调节电
机制动转矩可以控制电机转速从而控制回
收充电电流值。
3
33
3
制动能量的
制动能量的制动能量的
制动能量的储能
储能储能
储能方式
方式方式
方式
目前制动能量回收的途径主要有3种:
一是机械蓄能法,即利用飞轮进行蓄能,将制
动能转化为飞轮的动能;二是液压蓄能法,即
把制动能转变为高压油贮存在液压缸中;三
是蓄电池蓄能法,即把能量转化为电能储存
在蓄电池中。
在此，讨论的是电动汽车，汽
车所用的能量部分或全部来源于蓄电池，因
此采用蓄电池储能法。
3.1电化学储能式
电化学储能式电化学储能式
电化学储能式
电储能工作原理是：
首先将电动汽车在
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；
当汽车需要启动或加速时，再将存储在储能
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/电动机执行机械能和电能之间的
转化。
系统还应包括一个电子控制单元即
ECU，用以控制蓄电池或超级电容的充放电
状态，并且保证蓄电池的剩余电量在规定的
合适范围内，其工作原理如图2所示：
系统工作过程为：
当电动汽车以恒定的
速度或加速度行驶时，电磁离合器脱开。
当
电动汽车制动时，行车制动系统开始工作，
车辆减速制动，电磁离合器结合从而接通驱
动轴和变速器的输出轴。
这样车辆的动能由
输出轴、离合器、驱动轴、驱动轮、被驱动
轮和被驱动轴传到发电机和或飞轮上。
制动
时的机械能由发电机转变为电能，整流后存
入到蓄电池之中。
当离合器在分离时，传动
飞轮上的制动能驱动发电机产生电能存入
蓄电池中。
当车辆再次起动时，蓄电池中的
化学能被转换成机械能用来加速车辆。
在纯电动汽车或混合动力车上采用这
种形式的能量再生，一般采用的办法是在制
动或减速时将驱动电机转化为发电机即可
实现。
3.2制动能量回收的约束条件
制动能量回收的约束条件制动能量回收的约束条件
制动能量回收的约束条件
实用的能量回收系统要满足以下方面
的要求
（1）满足刹车的安全要求符合驾驶时的刹
车习惯
刹车过程中对安全的要求是第一位的
我们需要找到电刹车和机械刹车的最佳结
合点在确保安全的前提下尽可能多的回收
能量应充分考虑电动汽车的驾驶员和乘客
的感受具有能量回收系统的电动汽车的刹
车过程应尽可能的与传统的刹车过程近似
这将保证在实际应用中系统可以为大众所
接受。
（2）考虑驱动电机的发电工作特性和输出
能力
电动汽车中常用的是永磁直流电机和
感应异步电机应针对不同的电机的发电效
率特性采取相应的控制手段。
（3）确保电池组在充电过程中的安全防止
过充
电动汽车中常用的电池为镍氢电池鋰
驱动轮（轴）
发电机低场⒊涞缯镜取?
1.1.2.混合动力汽车
混合动力汽车混合动
5电池和铅酸电池应深入考察不同电池的充
放电特性避免充电电流过大或充电时间过
长。
由以上分析能量回收的约束条件包括：
（a）根据电池放电深度即电池的荷电状态
SOC（StateOfCharge）的不同电池可接收的
最大充电电流。
（b）电池可接收的最大充电时间。
（c）制动能量回收的策略的选择问题。
4
44
4总结
总结总结
总结
本文简要介绍了电动汽车及制动能量
回收系统，对电动汽车的制动能量转换与回
收过程进行阐述，着重从动力学角度对制动
能量的回收原理进行了理论分析；接着选择
电储能方式，并分析了电储能式制动再生能
量回收的工作原理；最后对电动汽车制动能
量回收系统中存在的制约因素进行了说明。
参考文献
参考文献参考文献
参考文献
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