电动汽车制动能回收与利用系统*

肖佐无王海波

（1.湖南汽车工程职业学院机电工程系；2.湖南汽车工程职业学院汽车电子工程系）

当前电动汽车的制动方法主要是机械摩擦制动，其制动能被白白浪费。研究表明：城市循环工况下，汽车制动消耗的能量占整车驱动能量的31%～57%，如果对制动能加以再利用，则汽车的平均续行里程将提高20%～30%[1]。故研究汽车制动能的回收和再利用对于节约能源具有重要的意义。当前纯电动汽车的驱动电机首选为直流无刷电机[2]，其能四象限运行的特点，支持汽车制动能的回收和再利用；超级电容具有高的功率密度和低的能量密度，适合作为制动能回收装置。因此文章基于超级电容及无刷直流电机，对汽车制动能的回收和再利用进行了研究。

1 电动汽车制动能回收与利用系统结构

电动汽车制动能回收与利用系统结构，如图1所示。因为三相全控桥式逆变电路带续流二极管，无刷直流电机的交流电动势经过续流二极管的整流，在逆变器的输入端转换为直流电压。

电动汽车的运行工况分为：

1）电池电动工况：开关S1闭合，开关S2和S3断开，电池给逆变器供电，驱动无刷直流电机，带动车轮负载。

2）制动能回收工况：开关S1断开，开关S2接通，开关S3断开，无刷直流电机的三相梯形交流电动势，经过带续流二极管的逆变器整流，在逆变器的输入端转换为直流电，该直流电经过BUCK斩波器进行可控恒流充电，在充电的同时获得稳定的制动力矩。

3）制动能利用工况：在超级电容存储了足够的电能前提下，开关S1和S2断开，开关S3接通，超级电容经过BOOST斩波器进行稳压放电，稳定的电压供给逆变器驱动无刷直流电机带动车轮负载，从而利用了制动能，达到了节能的目的，提高了电动汽车的续行里程。为了保证充分利用刹车的制动能，在超级电容充电达到可以稳压供电的前提下，优先使超级电容放电，为下次回馈制动提供充电的空间。超级电容放电完毕，由电池给逆变器正常供电。

1.1 超级电容简介

双电层超级电容器模型有传输线数学模型[3]、拜得极化电池模型[4]及集总参数电路模型[5]等。其中集总参数电路模型十分简练，并且相对准确地体现了超级电容特点，故在储能系统的应用领域中大都采用超级电容集总参数电路模型。超级电容的集总参数模型等效电路图，如图2所示。

图2中，超级电容集总模型等效为一个理想的电容器（CF）与一个阻值较大的等效并联电阻（Rep）并联，再与一个阻值较小的等效串联电阻（Res）串联。一般Rep可达几万欧姆，故漏电流很小。但是由于Rep的存在，使得超级电容在不工作的状态时也能产生一定的漏电流，影响电容的长期储能能力，故设计要求Rep要尽可能大。在充放电过程中，Res要消耗电能发热，使超级电容的能量效率不再为1，故对超级电容器的充放电过程有比较大的影响。充电过程中，电流流经Res会产生一定能耗，并且可能会引起超级电容发热的问题；在放电过程中，Res会对电压产生分压作用，从而减小超级电容放电范围，如果放电电流较大，则Res会消耗较大的电压和电能，严重降低超级电容储能装置的储能效率；Res相对于普通电解电容来说比较大，可达几毫欧，这严重限制了超级电容在高频率和脉冲功率等场合中的应用。故目前超级电容器主要用于直流储能系统中，但随着超级电容技术的不断进步，性能会更好。

1.2 回馈制动的可控恒流充电

可控恒流充电过程，如图3所示。因为无刷直流电机的制动力矩与制动电流成正比，即制动电流大，则制动力矩大；反之制动电流小，则制动力矩小。无刷直流电机在发电制动中，制动电流一般也是呈指数规律减少。超级电容在充电过程中随着电压升高，充电电流一般呈指数减小，故如果直接对超级电容充电，则充电电流是非线性，制动力矩也是非线性，不利于制动能的控制。

因此本系统对超级电容采用恒流充电的方式，在回收制动能基础上，利于控制制动力矩。无刷直流电机的制动能经过降压斩波器BUCK对超级电容充电，经过电流采样器，获得充电电流大小，将设定电流与充电电流相减，得到误差电流，将误差信号送入PID控制器，控制移相器的占空比，使充电电流恒流充电，超级电容在恒流充电的前提下，得到稳定的、可控制的制动力矩。

在行车制动过程中，减速过程是不定的，有时要求制动力大，对应的充电电流大，有时要求制动力小，对应的充电电流小，即制动力是可以设定的。通过改变电流的给定值，可以方便控制恒流充电电流的大小，从而设定要求的制动力。

1.3 制动器机构的整体设计

电动汽车制动力矩由摩擦力制动和回馈制动力矩2个部分构成。为了充分回收制动能，优先使用回馈制动，在回馈制动不足的情况下，再使用机械摩擦制动。为此设计制动器制动力行程分配图，如图4所示。

图4中，在0～S1行程，制动器采用回馈制动，且随着行程的增加，电流给定值逐渐增加，回馈制动力逐渐加强；在S1～S行程，采用最大回馈制动力加摩擦制动，且随着行程的增加，摩擦制动力逐渐加强。这样既保证足够的制动力，也尽量回收制动能。

1.4 可控恒压放电控制

可控恒压放电系统构成，如图5所示，超级电容存储的电能通过斩波器给负载供电，由于超级电容随着放电的进行，端电压呈指数逐渐降低，故直接用超级电容给负载供电；端电压是逐渐下降且不稳定的，故采用PID控制，稳定电压。

图5中采用BOOST升压斩波器对负载供电，BOOST斩波器的输入与输出函数关系为：

式中：Uo——斩波器输出电压，V；

Us——电源电压，V；

α——触发脉冲的占空比。

由公式可知，如果Us减少，适当增加α，可以补偿Uo的减少。

可控恒压系统的工作原理为：负载的反馈电压与给定电压进行比较，误差电压经过PID控制器控制移相器的占空比。误差越大，占空比输出越大，斩波器输出电压越高，抵消超级电容电压的下降，达到稳压输出的目的。该系统只要固定电压的给定值，超级电容便可以在一定的电压下稳压供电。

2 结论

文章针对电动汽车制动能回收与利用问题，提出了采用超级电容回收和利用制动能，并且设计了3个循环工况的切换逻辑。针对制动能的回收提出了基于PID的可控恒流充电的方法，既能回收制动能又使制动力矩随着刹车行程呈现线性变化，有利于刹车控制，并且设计的制动器的制动力行程分配原则，保证了先利用回馈制动后采用摩擦制动，有利于回馈制动能的回收；针对超级电容放电电压不稳的问题，提出了基于PID的可控稳压放电的方法，使超级电容能稳定地给负载放电。该设计使用超级电容回收和利用电动汽车的制动能，同时也保证汽车的刹车操控性能，对于提高电动汽车的续行里程具有重要的意义。研究中发现斩波器的非线性降低了控制性能，后续工作建议研究性能更好的斩波器，同时采用先进算法提高控制性能。