汽车制动能量回收 文献综述

1、汽车制动能量回收系统的研究文献综述引言进入21世纪以来,能源和环境对人类生活、社会发展的影响越来越大，节能环保已成为未来工业发展的必然趋势，这也是对未来工业发展与进步的重大考验。其中,交通工具在给人类带来方便的同时,也给环境造成极大负担。随着地球环境的变化，有限的石油资源和日益提高的环保意识促使世界各国制定了一系列严格的法律法规限制尾气排放。为此,交通运输工具的节能减排技术日益突出,车辆的能量回收技术受到充分重视, 文献1表明,在城市工况下,制动能量占总驱动能量的50%左右。但是目前,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

2、,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。汽车制动能量至今已被开发利川,如电动车,但还需进一步改进，从再生制动原理、能量转换与存储、控制策略及关键技术等方面对汽车再生制动能量回收系统进行综述,提出汽车再生制动能量回收系统垦待解决的问题。1传统汽车制动简介目前车辆制动装置的品种繁多,形式多样,如机械式、液压式、气动式、气液混合式等,其制动原理基本相同,都是利用制动装置工作时产生摩擦热的方式来逐渐消耗车辆所具有的动能,以达到车辆减速制动的目的,但存在如下缺点: 制动过程中不能将车辆行驶时所具有的能量(动能回收,而是将这部分动能通过车轮

3、与路面、制动装置与刹车毂之间的相互摩擦转换成热能的形式损失掉,增加了车辆行驶过程中的功率损失,降低了车辆的功率利用率。在路况较复杂的情况下,行驶的车辆往往需要长时间的频繁制动或连续较长时间的制动,因而在有关的制动副表面将会产生大量热量,使制动装置的摩擦副表面温度急剧升高,导致制动装置的制动效果明显减弱,甚至失效,使车辆行驶的安全性大大降低。在这种情况下人们常常采用往制动装置的摩擦副表面注入冷却水的方法来减少温升。车辆行驶过程中制动装置的频繁工作加剧了车轮和制动装置中摩擦片的磨损,因而需要经常更换车轮和刹车片,由此增加了车辆的维修保养费用。2汽车再生制动原理再生制动是指汽车在减速或制动过程中,在

4、保证车辆制动性能的条件下,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或位能转化为其它形式的能量,并储存在能量储存装置中,然后在汽车起步或加速时释放能量,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.既实现了车辆的减速和制动,又有效地降低了整车的燃油消耗和污染物排放,还减少了制动器摩擦片的磨损。21能量转换装置再生制动技术中,能量转换是第一步车辆制动的过程,其作用是进行制动和驱动转矩的变换, 从车辆上吸收动能然后将其转换成其他形式的能量。单从能量转换角度来考虑:(1制动动能转换成飞轮旋转动能,是直接的机械能向机械能转换,只有中间轴承处较小的摩擦损耗,转

5、换最直接,转换率也较高;(2制动动能转换成液压能,是不同形式能量间的转换,需要液压泵-马达装置,不可避免的存在摩擦和热的损失,能量转换率降低;(3制动动能转换为电能,需要经过发电机装置,能量有损耗,能量转化率目前最高可达30%2。其结构简单、操作方便、可靠性高。22能量储存装置及其比较基本原理:先将汽车在制动或减速时的动能转换为飞轮高速旋转的动能;当汽车再次起动或加速时,再将储存的能量通过传动装置转化为汽车的驱动力,以增加汽车的续驶里程。主要由发动机、高速储能飞轮、增速齿轮、离合器、变速器和驱动桥组成,见图2所示。工作原理:先将汽车在制动或减速过程中的动能转换为液压能,并贮存在液压蓄能器中;当

6、汽车再次起动或加速时,又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车,如图3所示。图2飞轮储能再生系统示意图图3 液压储能再生系统示意图工作原理:先将汽车制动或减速过程中的动能通过发电机转化为电能并储存在储能器中。汽车需要起动或加速时再将储能器中的电能转化为汽车行驶的动能。储能器使用蓄电池或超级电容器,由发电机/电动机执行机构进行转换。系统还包括ECU部分,用来控制蓄电池或超级电容器的充放电状态,并保证蓄电池剩余电量在规定的范围内,如图4所示。图4 电储能再生系统示意图图5 各种储能方式的比较从图5表可以看出,最具有发展前景的是电储能再生制动系统,它具有结构紧凑、控制灵活准确、可实现多种功能等

7、优点,是再生制动的趋势。3控制策略和方案的研究现状3.1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,实车应用也比较成熟。日本本田公司的Prius、Estima和丰田公司的Insight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-Ò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控制,提高了制动能量回收率。美

8、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驾驶员感觉。美国TexasA&M大学Yimin Gao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。HoonYeo采用I曲线3作为前、后轮制动力分配策略。Yimin Gao和Mehrdad Ehsani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ABS系统的控制策

9、略,通过精确设计电机制动力门限值,制动能量回收系统与ABS系统可兼容工作。图6表就是这几种制动力分配控制策略的性能比较。图6 Yimin Gao等提出的四种制动力分配控制策略的性能比较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4。美国Union学院的W icks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5。美国TexasA&M大学的HongweiGao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制系统,并在行驶

10、循环工况下进行了能量回收效率的分析6。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。3.2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1是对国内再生制动控制策略研究现状的总结7-18。表1 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显著提高汽车制动响应速度提高制动能量回收率10%北京理

11、工李玉芳 林逸等分析对象 独立式制动控制系统的制动力前提 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得到再生制动力和液压制动力的分配与控制规律华南理工罗玉涛 吴诰珪等研究对象 I给定的PWM调压调速系统的各制动状态思想 在能量回馈原理的基础上设计混合励磁无刷电动机在车辆制动时的能量反馈控制系统安装在EV6 600上试验可达到10%左右的能量回收率武汉理工过学讯 张靖针对 HEV上实现再生制动的必要性和可行性思想 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建立HEV7200的系统仿真模型得到一定的能量回收率重庆大学詹迅 秦大同等针对 轻度HEV在典型城

12、市驱动循环工况下工作特点设计目标 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出简单有效的分配策略能满足整车制动力分配的要求能量回收率达到12.5%北京交大耿聪 刘溧 张欣依据 城市公交车车速变化大制动频繁强度低思想 低制动强度时再生制动高强度时复合摩擦制动目标 保证了低强度时制动能量再生&制动效能安全性针对EQ6110HEV仿真节能效果良好可降低能耗10% 20%上海交大王保华 张建武等建立 并联式混合动力汽车动力学模型仿真 对纯电机制动模式和机电混合模式下动力汽车能量再生制动进行了仿真纯电机制动效能高能量回收率29%机电混合反之(仅2% 西安交大白志峰 曹秉刚等

13、分析 当前几种再生制动方式的不足考虑 防止过大的充电电流对蓄电池造成损害思想 以蓄电池充电电流为控制对象的再生制动方案即可保证制动安全制动性能又保护蓄电池清华大学仇斌 陈全世等 针对 影响汽车制动能量回收潜力的各种主要因素分析 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在长安街上,采用制动能量回收可增加蓄驶里程24.4%吉林大学王鹏宇 王庆年等针对 并行再生制动系统的缺陷提出策略 基于理想制动力分配的制动力分配系数计算法方法 通过ABS调节机械制动力调节制动力分配在AMEsim下仿真带ABS的气压制动模型各方面都较优4小结汽车再生制动技术对我国而言还是一项新颖

14、技术, 再生制动与常规制动的结合技术是目前解决再生制动的最关键问题之一。同时制动能量转换技术、能量回收技术等许多关键性问题也都函待解决。未来汽车的制动系统装备制动能量回收装置，把制动的能量转化为一定形式能量储存下来，以供车辆储备使用。这种方案性价比极高，可行性良好，将会是未来一种趋势。相信随着各种形式制动能量回收系统的推广应用，我们的汽车将变得更加环保节能。参考文献1 EIJ INakamura, MASAYUKI Soga, AKRA SakaiDevelopment of Electronically Controlled Brake System for Hybrid Vehicle J

15、. SAE paper, 2002-01-0300.2Yin in Gao and Mehrdad Ehsani1Electronic Braking System of EV And HEVIntegration of Regenerative Braking, Automatic Braking Force Control and ABS1SAE paper,2001-01-2478.3 Michael Panagiotidis, George Delagrammatikas and Dennis Assanis.Development and Use of a Regenerative

16、Braking Model for a Parallel Hybrid Electric Vehicle J. SAEpaper,2000-01-0995.4 Frank Wicks, Justin Maleszweski Colin Wright, Jan Zarybnicky.ANALYSIS OF COMPRESSED AIR REGENERATIVE BRAKING AND A THERMALLY ENHANCED OPTION.IECEC-2002 PaperNo.20139.5Hongwei Gao Yin in Gao Mehrdad Ehsani.A Neural Networ

17、k Based SRM Drive Control Strategy for Regenerative Braking in EV and HEV.Electric Machines and DrivesConference,2001.IEMDC 2001.IEEE International 2001 Page( s: 571 -575.6李玉芳,林逸,何洪文,陈陆华。电动汽车再生制动控制算法研究J.汽车工程, 2007, 29(11: 1059-1062.7罗禹贡,李蓬,等。基于最优控制理论的制动能量回收策略研究J.汽车工程, 2006, 28(4: 356-360.8宫帅。CVT混合动力

18、汽车再生制动系统的研究与仿真D。长沙:湖南大学, 2008。9谢冰。混合动力公交车驱动与再生制动系统控制策略研究D。南宁:广西大学, 2008。10刘博,杜继宏,齐国光。电动汽车制动能量回收控制策略的研究J。电子技术应用, 2004(1: 33-36。11白志峰,曹秉刚,李舒欣,康龙云。电动汽车再生制动H鲁棒控制仿真研究 J。系统仿真学报, 2005, 17(12: 2975-2978。12罗玉涛,吴诰珪,陈统坚。EV6600电动客车能量反馈系统设计J。公路交通科技, 2003(6: 167-169。13过学迅,张靖。混合动力电动汽车再生制动系统的建模与仿真 J。武汉理工大学学报(信息与管理工程版, 2005, 27(1: 116-120。14詹迅,秦大同,杨阳,等。轻度混合动力汽车再生制动控制策略与仿真研究J。中国机械工程, 2006, 17(3