车辆（三十七）——制动能量回收1

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一、简介

为了提升纯电动汽车的续驶里程，除了对蓄电池本身的结构进行更深入的研究之外，采用制动能量回收技术是另外一种有效方式。该技术是指电机在汽车制动减速时，将车轮传来的一部分动能转化成电能向蓄电池充电，从而将能量储存在蓄电池中，以备驱动时使用的过程。纯电动汽车实际上是通过电机参与制动来实现制动能量回收，制动减速时电机处于逆向工作状态，产生反向转矩降低电机转速从而使汽车减速，在产生制动效果的同时将驱动轮传来的动能转化为电能。

在汽车企业方面，丰田公司新推出的新款 prius混合动力汽车采用了电子伺服技术，使得该车的机械制动力和电机制动力的分配比例成为可控制的变量，能量回收控制策略得到了更加合理的应用，提高了制动过程中的能量回收效率。日本日产汽车公司推出的纯电动汽车leaf加装了新型的电机制动系统，该车采用电机制动系统和机械摩擦制动统同时进行制动，在制动过程中实现了能量的最大化回收。美国福特汽车公司的Focus 燃料电池汽车拥有复合能源装置，包括蓄电池和燃料电池，同时还配备了完整的电机制动系统，该车行驶里程可达到 257-320  Km，之所以有如此理想的续驶里程，其中电机制动系统起到了至关重要的作用。

国内，比亚迪汽车公司首当其冲，它自主生产的 F3DM 和 E6 两款电动汽车均采用了电机制动，并且能量回收的效果较为理想。除此之外，部分国产汽车例如奇瑞 Eq、长安逸动、比亚迪秦-EV300、吉利帝豪  EV、北汽  EV  系列等都已运用了制动能量回收技术。种种迹象表明我国对于该技术的研究越来越重视，未来一定会出现越来越多的研究成果。

二、制动能量回收基本理论

使正在行驶的汽车减速或停车、使下坡行驶的汽车维持在稳定的速度以及使停驶的汽车静止，这些作用统称为汽车制动。传统燃油汽车制动时，制动器通过机械摩擦将汽车的动能转化为热能耗散到空气中，这种摩擦制动方式对汽车零件有很大的磨损，而且能量的利用率太低。因此目前的纯电动汽车采取了电机制动的方式，电机输出反向转矩使转速降低，达到制动效果，此时电机处于发电状态，将车轮传来的部分动能转化为电能向储能元件蓄电池充电，实现能量回收。这种制动方式首先减少了制动系统零部件的摩擦损耗，同时能够对能量进行回收利用，有利于提升汽车续驶里程。但电机所能提供的制动力有限，在行驶过程中仅靠电机制动往往不能满足需求，所以目前纯电动汽车制动系统主要采用电机制动与机械摩擦制动相结合的机电复合制动系统。如图所示，机电复合制动系统由机械摩擦制动系统、电机制动系统、传感器、制动控制器以及能量储存系统构成。当传感器检测到制动踏板发生位移后，将制动信号传递给制动控制器，制动控制器立即对电机制动系统和机械摩擦制动系统进行协调，合理分配两系统参与制动的比例。电机在制动的同时，将驱动轮传来的机械能转化为电能传输给能量存储系统。机电复合制动系统的目的是在满足制动安全性的前提下，最大限度地利用电机进行制动，从而提升能量回收效率。



（1）纯电动汽车电机制动系统

纯电动汽车电机制动系统的结构如图所示，它主要由传感器、电机及电机控制器、制动控制器、蓄电池、功率转换器等组成。汽车处于制动状态时，驾驶员踩下制动踏板，传感器检测到踏板位移信号后，制动控制器接收到制动指令，通过制动力分配控制策略计算出电机需要提供的制动力。此时电机以发电状态运行，经由功率转换器对蓄电池充电，从而实现能量的存储。蓄电池的荷电状态（SOC）代表剩余电量的多少，制动控制器会根据 SOC 值对整个能量回收过程进行限制。



（2）纯电动汽车制动能量回收工作原理

电机运行状态电路原理图中有四个开关，如图所示，通过控制四个开关进行不同组合可以实现上述四种电机运行状态。





（3）制动能量回收电路图

纯电动汽车的制动能量回收电路原理图如图所示，电路由两个双极性晶体管 V1和 V2、电机 M、电感 L、电阻 R 等构成。



汽车正常行驶时，V1导通，V2断开，电流流向回路为 ABCDEA，此时电机工作在驱动状态，电机消耗蓄电池提供的电能。当汽车制动时，V1管和 V2同时断开，由于电感 L 具有续流特性，不会让电流突变为零，此时电流通过 VD2，电流流向回路为 DFC 回路。一段时间后电机进入逆向工作状态，电流方向变为负，此时 V1断开 V2导通，电流流向回路为 CFD。之后V2也断开，因为电感 L 的续流特性，电流会通过 VD1，电流流向回路为 DCBAE，电流通过电池实现充电。