制动能量回收技术现状及发展趋势

1、研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科目：汽车技术现状及发展趋势 教师:贺岩松姓名：赵金龙 学号:20110702218专业：车辆工程类别:学术上课时间：2011年11月至2011年11月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师（签名）重庆大学研究生院制汽车技术现状及发展趋势再生制动技术现状及发展趋势摘要随着新能源危机的加剧，混合动力汽车和纯电动汽车已经成为新一代汽车的 发展方向，而再生制动技术作为混合动力汽车和电动汽车的一向重要节能技术， 已经得到越来越大的重视。再生制动技术使汽车在制动过程中将一部分动能转化 为电能并储存在储能装置中，实现了制动减速时的能量再利用。

2、本文对再生制动 的工作原理、技术发展现状进行了详细的阐述，并提出日后的发展趋势。 关键词：制动能量；制动能量回收；发展现状Regenerative Braking Technology Status and Development Trends ABSTRACTWith the new energy crisis intensifies, hybrid vehicles and pure electric vehicles has become the new directi on of n ext gen erati on car, and rege nerative brak in gte

3、ch no logy as an importa nt en ergy-sav ing tech no logy for hybrid vehicles and electric cars has bee n paid more and more atte ntio n.Duri ng brak ing, part of the kin etic en ergywill be turn in to electrical en ergy by rege nerative brak ing tech no logy so that we can achieve the en ergy re-use

4、 whe n the car speed is brak in gdecelerati on.ln this paper, rege nerative brak ing tech no logy works and research status has bee n elaborated in detail and proposed the future developme nt trend.Key words:Braki ng en ergy; En ergy rege nerati on and use; Research status81. 刖言再生制动（Regenerative bra

5、king）亦称反馈制动，是一种使用在汽车或铁路 列车上的制动技术。普通的制动方法是把车的动能，以摩擦的形式直接转化成热 能，而再生制动则是在制动时把车辆的动能转化并储存起来，而不是变成无用的热。目前，制动能量还不能被充分的回收利用，只能任大量的制动动能通过摩擦转变 成热能耗散掉，还造成车辆制动系统过早磨损。因此，采用先进的能量回收技术， 应用现代车辆设计方法和手段，对汽车的制动能量回收进行深入研究具有十分重 要的意义。再生制动技术针对原本废弃的能量，将其回收再利用，使其获得“新 生”实现节省燃料、降低排放、减小制动噪声、改善车辆制动安全性 等作用，为车辆的经济性和安全性提供保障。2. 再生制动

6、原理再生制动是指汽车在减速或制动时，通过与驱动轮（轴）相连的能量转换装置, 把汽车的一部分动能转化为其他形式的能量储存起来，在减速或制动的同时达到 回收制动能量的目的；然后在汽车起步或加速时义释放储存的能量（如图1所示）， 以增加驱动轮（轴）上的驱动力或增加混合动力汽车及电动汽车的续驶里程。图1再生制动原理示意图理论上汽车制动能量回收的方法有空气储能、液压储能、飞轮储能和电储能。 空气储能装置结构庞大，密封性能要求很高，实用化困难；液压储能装置能量密 度低，但功率密度大，其零部件密封性能要求高，控制结构复杂和存在工作噪声 等；飞轮储能装置功率密度较大，其体积小质量轻，但要求高转速和周围空间真

7、空，技术上实现较复杂，且只能短时间储能；电储能各方面性能均很好，且结构 简单，只是功率密度低，能量转换环节多。随着汽车驱动电机技术和储能技术的 进一步发展，采用电机来回收与利用制动能量越来越显现出其优势.特别是在纯电动或混合动力汽车中，主要采用电储能的再生制动方式。3. 再生制动的研究现状3.1能量转换装置在电储能再生制动中，能量转换装置的作用是进行制动和驱动转矩的变换， 把汽车惯性动能转换成为电能，是一个发电过程。为了实现制动能量的回收和释 放，都还需要有合适的传动装置，目前普遍采用集成电机形式，用一个电机和一 个行星齿轮机构组合，电机既担当发电机(再生制动电机)又担当电动机(驱动电 机)，

8、并与两个离合器联用来满足功能要求。用作汽车再生制动集成电机主要有 直流电机、交流异步电机、无刷永磁电机和开关磁阻电机系统。直流电机在单极性斩波器的调速系统中， 在斩波调压时能量不能回馈，制动 时能量回收效率低。双极性斩波器能够保持电流有一定的连续性，可以使电机在四象限中运行，在斩波调压时能量能够回收，回收效率较高，调速范围也更大一 些，最高转速可达4000-6 000r /min，低速平稳性好。但由于直流电机的换向 器需保养，又不适合高速运转，除小型车外，目前一般己不采用。交流异步电机驱动时要采用宽调制型逆变器来构成变压变频(VVVF)的调速控制系统。这种调速系统最高转速可以达到 15000r

9、 / min,电机能够实现四象限 运行，制动时能量能够回收，大大地扩大了交流电机的使用范围但矢量控制的调 速系统控制技术难度较大，控制元件较多，控制叫路复杂，控制器的外形尺寸也 较大。永磁无刷电机也是采用逆变器来控制调速， 同时还要用转子位置检测器进行 极性检测，以及用电子开关换向，如果采用双向导通开关进行换向， 可以提高永 磁无刷电机的转矩特性，还可以控制永磁无刷电机实现四象限运行。 永磁无刷电 机最高转速可达到10000r / min,并且体积小、质量轻、控制性能很好。但是。 永磁电机如果在大的过载电流下，可能导致永磁材料的导磁性能下降，严重时会 产生退磁而使电机损坏，所以，必须严格控制过

10、载电流。永磁无刷电机的控制元 件较多，控制回路复杂。开关磁阻电机是一种新型电机。它的控制系统是由控制器、功率转换器、位 置检测器和电流检测器等部分电子元件组成。 开关磁阻电机系统结构紧凑、牢同， 适合于高速运行，并且驱动电路简单、成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内 效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制，是汽车驱动及再生制动能量I口 1收与利用集成电机的发展趋势。3.2能量存储装置电化学电池：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(Cd Ni和MH Ni)、锂电池(Li ion 和Li polymer)等。 铅酸电池可靠性高、原料易得、成本低、适

11、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，而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Cc Ni和Ml Ni电池，但由于镉对环 境有污染，很多国家限制发展和使用Cc Ni电池。MH Ni电池是一种绿色镍金属 电池，具有很高的能量存储能力；但它的单元电池额定电压较低，仅为1. 2 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2/3,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M Ni电池存储更多的能量：比能量大，循环

12、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。超级电容：也称双层电容器，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2000-6000咅，放电电流可达几千安培，能量密度高于 传统电容器近百倍，瞬时放电功率比蓄电池高10倍以上，充放电效率高，不需要 维护和保养，寿命长达10年以上，并且可以保护蓄电池，极有发展前途。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 线速度可达500

13、1000nZs,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。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。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。3.3国外再生制动控制策略的研究现状国外再生制动技术的研究比较深入。除了大量的理论研究成果

14、，实车应用也 比较成熟，丰田公司的Prius、Estima和本田公司的In sight轿车就是成功应用再 生制动技术的典范。丰田公司Prius的再生制动系统通过电液比例控制单元调节液压制动力，实 现再生制动与摩擦制动的综合控制，在丰田 HTS-II混合系统下，能提高整车能 量利用率达20%以上，同时确保制动安全。丰田公司在混合动力汽车Estima中采 用了电控柔性制动系统，并将再生制动纳入整车动力控制系统进行集中控制，通过CVT空制，提高了制动能量回收率。基于ISG电机（Integrated Starter Generator集成启动电机）、液压系统并结合发动机节气门控制，本田公司提出了一种双

15、制动力分配系数控制再生制动系 统，在In sight车上实现了混合动力汽车制动能量的高效回收。在其 EVPLUS屯电 动汽车上，基于能量的最大化回收、驾驶员制动感觉以及能量的较大回收兼顾驾 驶员制动感觉的三种再生制动目标，分别建立了再生制动系统制动力分配控制策略并进行了试验。美国福特公司的Escape应用了线传电液系列再生制动系统（线传操控技术、 电子系统和机械制动器）代替机械及液压制动系统，把来自驾驶者的命令转变为 电信号，以驱动电机实现所需的操作，显著提高了制动能量回收效率、汽车制动 方向稳定性和汽车舒适性。制动力分配是再生制动控制策略研究中的关键问题， 其设计目标是提高能量 回收率和优化

16、驾驶员感觉。美国Texas A&M大学Yimi nGao等提出了评价再生制动 能量回收效率的三种制动力分配控制策略。 Hoon Yec采用I曲线作为前、后轮制 动力分配策略。Yimi nGao和MehrdadEhsa ni提出一种基于再生制动系统的纯电动汽车和混合动力汽车AB孫统的控制策略，通过精确设计电机制动力门限值，制 动能量回收系统与AB孫统可兼容工作。表1就是这几种制动力分配控制策略的性 能比较。表1 YiminGao等提出的四种制动力分配控制策略的性能比较第I种第n种第川种第”种提出者 YiminGaoYiminGaoHoon Yeo MehrdndEhsani依据串联制动能

17、量回收曲线为分配基准EV 车 RBS HEV ABS制动性能可以保证更可靠较低可靠能量回收可回收一定能量不能充分回收被降低/车轮抱死前后轮不同是抱死远离抱死区车轮抱死可能性大 ABS可兼容工作国外的研究所等机构也做了大量研究。美国 Michahian大学的Panagiotidis 等建立了并联式混合动力汽车的再生制动模型，对再生制动的效果进行仿真计算 和影响因素的分析比较旧J。美国Union学院的Wicks等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的数学模型，研究再生制动系统的节能效果。美国TexasA&Mt学的 Hon gweiGa（等提出了混合动力汽车基于开关磁阻电机再生制动的神经网络控

18、制 系统，并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析。美国福特研究所，日本交通研究所以及荷兰大学等研究机构都进行了这方面的大量研究。3.4国内研究现状国内再生制动技术研究目前处于起步阶段。各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域进行研究并取得了初步的结果，但是大部分研究都停留在理论分析和 建模仿真阶段，实车应用不多，表2是对国内再生制动控制策略研究现状的总结 总之，控制策略通常有：逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神 经网络控制四种形式。再生制动控制策略研究的目标是最大限度的提高能量回收 率，一个有效的途径即是合理的分配制动力。 制动力分配主要方式有并行制动能 量回收、理想制动力分配

19、、最大制动能量回收三种。表2国内再生制动控制策略研究成果表研究单位研究者控制策略所得结果清华大学罗禹贡李蓬等研究对象混合动力汽车显著提高汽车制动响应速度提高制动能量回收率10%设计目标驾驶员制动意图&能量回收率思想基于最优控制理论设计了制动力分配模型北京理工李玉芳林逸等分析对象独立式制动控制系统的制动力得到再生制动力和液压制动力的分配与控制规律前提满足车辆制动性能保证车辆制动稳定性设计目标最大限度地回收再生制动能量华南理工罗玉涛 吴浩硅等研究对象 给定的PW调压调速系统的制动状态安装在EV60上实验，可达10瀧量回收思想 在能量回馈原理基础上， 设计混合励磁无刷电动机在车辆制动时的能量

20、反馈系统武汉理工过学讯张靖等针对HEVt实现再生制动的必要性和可行性建立HEV720啲系统仿真模型得到一定的能量回收率思想应用线控再生制动策略具体工作并联式制动能量回收的仿真研究重庆大学詹讯秦大同等针对轻度HEX在典型城市驱动循环工况下工作特点能满足整车制动力分配 的要求能量回收率达到12. 5%设计目标 制动安全性&高效制动能量回收思想基于传统汽车制动理论提岀有效的分配策略北京交大张欣耿聪等依据城市公交车车速变化大制动强度低频繁针对EQ611HE仿真节能效果良好，可降低能耗10%20%思想低制动强度时再生制动 高强度复合制动目标保证了低强度时制动能量再生 &制动效能安全上海交

21、大王保华张建武等建立并联式混合动力汽车动力学模型纯电机制动效能高能量回收率29%机电混合仅2%仿真对纯电动制动模式和机电模式下动力汽车能量 进行再生制动仿真分析清华大学仇斌陈全世等针对影响汽车制动能量回收潜力的各种因素在长安街上，采用制动能量回收可增加续驶里程 24.4%分析在不同车速下最大制动功率的分布特征工作研究不同车速下最大制动功率的分布特征4再生制动的关键技术难题以及研究展望4.1关键技术难题本文分析了再生制动的能量转换装置、 储能装置和控制策略，并对国内外的 研究现状进行了总结，得出了再生制动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

22、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，根据再生制动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，要尽量使再生制动系统对车辆整个传动系统 影响最小，以达