电动汽车能量管理与回收系统

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1.3保证充电功能电池能量管理系统随时参与整车检测工作，检测电池的工作状态，尤其对每只电池的技术状态进行检测分析，将检测的数据在车辆停驶，充电之前“通知”充电机，即“车与机”的对话。告诉充电机，电池组的工作状态及每只电池的技术状态，“落后”电池和“先进”电池性能差异。此时充电机应当采用什么样的充电模式给电池充电，才能达到给电池充足，性能好的电池不能过充，而性能差的电池又能充足，保证整车能量的供应。在放电过程中保证性能差的电池不能过放，这一点应当是电池能量管理系统最重要的功能之一。1.4DC—DC、DC—AC转换功能如果车辆安装辅助电池，电池能量管理系统应能控制动力电池随时给辅助电池模块充电，保证辅助电池模块的供电功能即DC—DC的转换功能，保证低压系统的正常工作。当应用异步电机时，电池能量管理系统尚有DC—AC的转换功能保证电动汽车的正常运行。1.5解决性能一致性的保护功能如果在电池箱的线路内装置了由于电池性能一致性偏差引起某个电池性能变化很大，达到影响系统工作，或该电池受到损坏威胁时，两个电池之间有旁通线路并有控制模块时，电池管理系统应指令模块功能启动，进行补偿，又能保证系统在偏低电压状态下维持工作以便维修。1.6监测记录控制功能在电池工作状态下（充、放电）对电池模块的工作性能、安全性能进行监测，并对有关参数做记录，内存或进行提示、警告或指令停车、停机（充电），即对过压、过流、欠压、绝缘等提出警示、警告与控制功能。

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页第二页，共41页。使用电池能量管理系统必备的条件

2.1电池模块方面的要求2.1.1电池模块应具备足够的使用寿命、可靠性和工作的稳定性大家都知道汽车是一种设计很紧凑的机-电—体化的产品。电动汽车的紧凑性更加突出、电动汽车给安装电池箱留有的空间有限，有时会造成接近性很差，加上电池质量很大，拆-卸很不方便，不能随时进行拆卸。所以要求应用的电池具有极好的使用寿命和可靠性，使其减少维护的频次、减少拆卸电池的次数给安装电池能量管理系统创造条件。电池能量管理系统一个重要的功能是对剩余能量的计算，如应用的电池性能不稳定、可靠性很差，电池模块在工作中的性能难于进行SOC的估算，另外各种变化条件（温度、湿度、放电条件等）对电池模块的影响都造成对SOC影响，所以从剩余能量估算角度分析要求电池模块的性能要稳定。

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页第三页，共41页。2.1.2电池性能的一致性达到控制要求电池能量管理的控制参数是由电池箱参与工作的电池模块采样的，而控制参数并非每个电池都要采样，否则参数量很大，不便管理，难于安装。一般都在电池箱内不同区域里采取最有代表性的电池模块，某些性能参数（比如温度）作为控制参数，在经过计算对比后发布控制执行指令，执行各种控制功能，所以说被选择采样电池模块的性能参数量值上应能代表其他没被采样电池模块的性能，否则的话，它就失去代表的意义。这时发出的指令不具备合理性，达不到对电池箱内电池模块的能量管理的目的。比如电池箱中电池模块间的性能差异较大，每个电池模块都不具备代表整箱电池模块性能就难以取得可信的控制参数。所以说，用于电池能量管理的电池模块其性能间的差异，即电池模块的间性能一致性差异必须在一定的范围之内，这样用哪一个电池模块作为采样电池都具备条件，都具有代表性。2.2.1电池模块用的电池箱为达到对电池进行能量管理的目的，电池模块必须装在一个箱内，该箱应具备一定条件：（1）电池箱必须是密封的。除必需的通风孔外均不能与大气相通。密封箱内的要求主要考虑电池冷却气流的流动问题，不许在某处泄漏，避免冷却气流的流动性差造成电池模块工作温度的不一致，从而导致性能的一致性进一步的恶化。（2）电池箱形状应达到与电池模块布置形状相适应。当冷却系统工作时，冷却风扇提供的冷却气流能均匀地流过每个电池模块周围，箱内不能形成气流的“死区”和涡流的存在，保证电池模块工作过程中温度均匀、性能一致，防止个别电池模块早期损坏。（3）电池箱应做到内部与电池的绝缘，外部与车身的绝缘，防止电池与车身绝缘电阻低下而影响系统工作，发生不安全事故。（4）在电池模块安装条件下尽量减少电池模块自行放电的条件。

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页第四页，共41页。2.2.2冷却风扇空气进口的选择电池能量管理系统，无论在充电或放电过程中它都存在工作的可能性，即它应具备全天候工作的条件。所以电池能量管理系统冷却空气进口的选择就十分重要。它要保证进入电池箱内的空气是清洁的即要求防尘和防雨水进入电池箱内。如果防尘和防雨措施做得不好，会有灰尘脏物和雨水进入电池箱内，这样会造成电池模块间的爬电，自放电量的增加，电池箱与车身绝缘阻值的下降，严重时会造成电池模块的短路，这是很危险的。此时管理系统会发出指令，停止车辆行驶或停止充电，而影响车辆的运行。实际应用也说明了这一点能量管理系统冷却空气进口位置的选择十分重要，具体选在何处应由汽车设计者根据整车的总布置来决定。2.2.3电池冷却空气的提供方式（吸风或排风）的选择电池箱排气口的选择十分重要，排气口位置的选择正常与否会影响电池箱内冷却风扇的工作性能，选择得正确会有助于冷却风扇的工作。如何利用汽车前进时在电池箱某部造成的，负压区，加速电池箱内气体的排除也是值得考虑的一个问题。2.2.4充电条件下对电池模块的冷却电动汽车尤其是纯电动汽车的电能补充都是在汽车停驶时依赖外源进行充电。从蓄电池的工作状态来分析其放热量最大的时候是充电状态下而不是放电状态下，充电时往往要求对电池模块加强冷却，这时一般都是汽车停驶状态。汽车停驶时一般汽车仪表用辅助电源均处于停电状态下，而此时的电池管理系统须供电使其具有指令的功能，保证电池模块的冷却条件，有的电动汽车忽略这一点，在停车时辅助电源由钥匙开关控制，全部停止供电是不行的，电池管理系统的电源应当处于常闭状态，电动汽车停驶时也应有电源供应，保证管理系统的正常工作。

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页电动汽车的能量管理与回收系统3.1电动汽车能量管理系统3.1.1电池管理系统的功能3.1.2纯电动汽车能量管理系统3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统3.2电动汽车再生制动能量回收系统3.2.1制动能量回收的方法和类型3.2.2电动汽车的制动能量回收系统第六页，共41页。

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页3.1电动汽车能量管理系统能量管理系统在电动汽车中非常重要，它由硬件系统和软件系统组成，如图所示。能量管理系统具有从电动汽车各子系统采集运行数据，控制完成电池的充电、显示蓄电池的荷电状态(SOC)、预测剩余行驶里程、监控电池的状态、调节车内温度、调节车灯亮度以及回收再生制动能量为蓄电池充电等功能。能量管理系统中最主要的是电池管理系统。

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页3.1.1电池管理系统的功能电池管理系统是集监测、控制与管理为一体的复杂的电气测控系统，也是电动汽车商品化、实用化的关键。电池管理的核心问题就是SOC的预估问题，电动汽车电池操作窗SOC的合理范围是30~70%，这对保证电池寿命和整体的能量效率至关重要。典型的电池管理系统应具备如下功能：（1）实时采集电池系统运行状态参数。实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池组总电压等。由于电池组中的每块电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进行监测。（2）确定电池的SOC。准确估测动力电池组的SOC，从而随时预报电动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的SOC，使电池的SOC值控制在30%~70%的工作范围。第八页，共41页。

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页3.1.1电池管理系统的功能（3）故障诊断与报警。当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而损害电池的使用寿命；当电池组的温度过高，非正常工作时，及时报警，以保证蓄电池正常工作。（4）电池组的热平衡管理。电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分，其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池温度处于正常工作温度范围内。（5）一致性补偿。当电池之间有差异时，有一定措施进行补偿，保证电池组表现能力更强，并有一定的手段来显示性能不良的电池位置，以便修理替换。一般采用充电补偿功能。设计有旁路分流电路，以保证每个单体都可以充满电，这样可以减缓电池老化的进度，延长电池的使用寿命。（6）通过总线实现各检测模块和中央处理单元的通讯。在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确定每块电池剩余能量的较精确的数学模型，即准确估计电动汽车蓄电池的SOC状态。第九页，共41页。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统1.纯电动汽车能量管理系统的组成纯电动汽车能源管理系统主要由电池输入控制器、车辆运行状态参数、车辆操纵状态、能源管理系统ECU、电池输出控制器、电机发电机系统控制等组成。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统2.电池荷(充)电状态指示器电池荷(充)电状态指示器是能源管理系统的一个重要组成。电动汽车蓄电池中储存有多少电能，还能行驶多少里程，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数。与燃油汽车的油量表类似的仪表就是电池荷(充)电状态指示器，它是能源管理系统的一个重要装置。因此，在电动汽车中装备满足这一需求的仪表即电池荷(充)电状态指示器。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统电池管理系统是能源管理系统的一个子系统。蓄电池管理系统主要任务是保持电动汽车蓄电池性能良好，并优化各蓄电池的电性能和保存、显示测试数据等。目前，主要是根据实际情况，确定具体纯电动汽车的电池管理系统的功能和形式。电池管理系统包括硬件系统的设计和软件系统的设计。硬件的设计取决于管理系统实现的功能。基本要实现对动力电池组的合理管理，即保证采集数据的准确性、可靠稳定的系统通信、抗干扰性。在具体实现过程中，根据设计要求确定需要采集动力电池组的数据类型；根据采集量以及精度要求确定前向通道的设计；根据通信数据量以及整车的要求选用合理的总线。第十二页，共41页。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统图是某电池管理系统的结构框图。第十三页，共41页。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统本硬件系统是在基于ATMEGA8L单片机进行设计的。（1）电压采样的实现。电压采样是对电动汽车电池组的电压进行采样，每个电池组由10个单体电池构成。本系统中一共有14个电池组组成电动汽车的动力电池。原理如图所示，每个电池为一个电池组。第十四页，共41页。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统（2）电流采样的实现。电流的采样是估计电池SOC的主要依据。这里采用电流传感器LT308(LEM)其测量电路如图所示。第十五页，共41页。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统（3）温度采样的实现。温度传感器采用美国DALLAS公司继DS1820之后推出的增强型单总线数字温度传感器DS18B20。温度采集电路如图所示。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统（4）抗干扰措施的设计。由于电池管理系统用在情况比较复杂的电动汽车上，所以干扰可以沿各种线路侵入单片机系统。其主要的渠道有三条：即空间干扰、供电系统干扰、过程通道干扰。干扰对单片机系统的作用可以分为三个部位：第一个部位是输入系统，干扰叠加在信号上，使数据采集误差增大，特别在前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象会更加严重；第二个部位是输出系统，使各输出信号混乱，不能正常反映单片机系统的真实输出量，导致一系列严重后果；第三个部位是单片机系统的内核，使总线上的数字信号错乱，程序运行失常，内部程序指针错乱，控制状态失灵，单片机中数据被修改，更严重的会导致死机，使系统完全崩溃。第十七页，共41页。

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页3.1.2纯电动汽车能量管理系统（5）车载CAN通讯设计实现。在电池管理系统中，CAN通讯的实现是由外围设置CAN的控制器和接收器组成的通讯模块，它的设计如图所示。第十八页，共41页。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统1.串联式混合动力电动汽车的能量管理策略由于串联式混合动力电动汽车的发动机与汽车行驶工况没有直接联系，因此能量管理策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作。为了优化能量分配整体效率，还应考虑传动系统的动力电池、发动机、电动机和发电机等部件。串联式混合动力电动汽车有3种基本的能量管理策略。(1)恒温器策略。当动力电池SOC低于设定的低门限值时，启动发动机，在最低油耗或排放点按恒功率模式输出，一部分功率用于满足车轮驱动功率要求，另一部分功率给动力电池充电。而当动力电池组SOC上升到所设定的高门限值时，发动机关闭，由电动机驱动车辆。其优点是发动机效率高、排放低，缺点是动力电池充放电频繁，加上发动机开关时的动态损耗，使得系统总体的损失功率变大，能量转换效率较低。第十九页，共41页。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统(2)功率跟踪式策略。由发动机全程跟踪车辆功率需求，只有在动力电池的SOC大于SOC设定上限时，且仅由动力电池提供的功率能满足车辆需求时，发动机才停机或怠速运行。由于动力电池容量小，动力电池充放电次数减少而使得系统内部损失减少。但是发动机必须在从低到高的较大负荷区内运行，使得发动机效率和排放不如恒温器策略。(3)基本规则型策略。该策略综合了恒温器策略与功率跟踪式策略两者的优点，根据发动机负荷特性图设定了高效率工作区，根据动力电池的充放电特性设定了动力电池高效率的荷电状态范围。并设定一组控制规则，根据需求功率和SOC进行控制，以充分利用发动机和动力电池的高效率区，使其达到整体效率最高。第二十页，共41页。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统2.并联式混合动力电动汽车的能量管理策略并联式混合动力电动汽车的能量管理策略基本属于基于转矩的控制。目前主要有以下4类：(1)静态逻辑门限策略。该策略通过设置车速、动力电池SOC上下限、发动机工作转矩等一组门限参数，限定动力系统各部件的工作区域，并根据车辆实时参数及预先设定的规则调整动力系统各部件的工作状态，以提高车辆整体性能。(2)瞬时优化能量管理策略。瞬时优化策略一般是采用“等效燃油消耗最少”法或“功率损失最小”法，二者原理类似。其中“等效燃油消耗最少”法将电机的等效油耗与发动机的实际油耗之和定义为名义油耗，将电机的能量消耗转换为等效的发动机油耗，得到一张类似于发动机万有特性图的电机等效油耗图。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统

(3)全局最优能量管理策略。全局最优能量管理策略是应用最优化方法和最优控制理论开发出来的混合动力系统能量分配策略，目前主要有基于多目标数学规划方法的能量管理策略、基于古典变分法的能量管理策略和基于Bellman动态规划理论的能量管理策略三种。

(4)模糊能量管理策略。该策略基于模糊控制方法来决策混合动力系统的工作模式和功率分配，将“专家”的知识以规则的形式输入模糊控制器中，模糊控制器将车速、电池SOC、需求功率/转矩等输入量模糊化，基于设定的控制规则来完成决策，以实现对混合动力系统的合理控制，从而提高车辆整体性能。基于模糊逻辑策略可以表达难以精确定量表达的规则；可以方便地实现不同影响因素(功率需求、SOC等)的折中；鲁棒性好。但是模糊控制器的建立主要依靠经验，无法获得全局最优。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统

3.混联式混合动力电动汽车的能量管理策略混联式混合动力电动汽车由于其特有的传动系统结构，如采用行星齿轮传动，除了采用瞬时优化能量管理策略、全局优化能量管理策略和模糊能量管理策略(与并联式混合动力汽车能量管理策略原理类似)以外，还有一些特有的能量管理策略：(1)发动机恒定工作点策略。由于采用了行星齿轮机构，发动机转速可以独立于车速变化，这样使发动机工作在最优工作点，提供恒定的转矩输出，而剩余的转矩则由电动机提供。这样电动机来负责动态部分，避免了发动机动态调节带来的损失，而且与发动机相比，电动机的控制也更为灵敏，易于实现。(2)发动机最优工作曲线策略。发动机工作在万有特性图中最佳油耗线上，只有当发电机电流需求超出电池的接受能力或者当电动机驱动电流需求超出电动机或电池的允许限制时，才调整发动机的工作点。第二十三页，共41页。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统1.串联式混合动力电动汽车的工作模式(1)纯电动模式。发动机关闭，车辆仅由蓄电池组供电、驱动。(2)纯发动机模式。车辆牵引功率仅来源发动机-发电机组，而蓄电池组既不供电也不从驱动系统中吸收任何功率，电设备组用作从发动机到驱动轮的电传动系。(3)混合模式。牵引功率由发动机-发电机组和蓄电池组共同提供。(4)发动机牵引和蓄电池充电模式。发动机-发电机组供给向蓄电池组充电和驱动车辆所需的功率。(5)再生制动模式。发动机-发电机组关闭，牵引电机产生的电功率用于向蓄电池组充电。(6)蓄电池组充电模式。牵引电动机不接受功率，发动机-发电机组向蓄电池组充电。(7)混合式蓄电池充电模式。发动机-发电机组和运行在发电机状态下的牵引电动机共同向蓄电池组充电。第二十四页，共41页。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统2.并联式混合动力电动汽车的工作模式并联式混合动力电动汽车主要蕴含以下工作模式：(1)纯电动模式。当混合动力电动汽车处于起步、低速等轻载工况且动力电池的电量充足时，若以发动机作为动力源，则发动机燃油效率较低，并且排放性能很差。因此，关闭发动机，由动力电池提供能量并以电机驱动车辆。但当动力电池的电量较低时，为保护电池，应当切换到行车充电模式。(2)纯发动机模式。在车辆高速行驶等中等负荷时，车辆克服路面阻力运行所需的动力较小，一般情况下主要由发动机提供动力。此时，发动机可工作于高效区域，燃油效率较高。(3)混合驱动模式。在加速或爬坡等大负荷情况下，当车辆行驶所需的动力超过发动机工作范围或高效区时，由电机提供辅助动力同发动机一同驱动车辆。若此时动力电池的剩余电量较低，则转换到纯发动机模式。第二十五页，共41页。

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页3.1.3混合动力电动汽车能量管理系统(4)行车充电模式。在车辆正常行驶等中低负荷时，若动力电池的剩余电量较低，发动机除了要提供驱动车辆所需的动力外，还要提供额外的功率通过电机发电以转换成电能给动力电池充电。(5)再生制动模式。当混合动力电动汽车减速/制动时，发动机不工作，电机尽可能多地回收再生制动能量，剩余部分由机械制动器消耗。(6)怠速/停车模式。在怠速/停车模式中，通常关闭发动机和电动机，但当动力电池剩余电量较低时，需要开启发动机和电机，控制发动机工作于高效区并拖动电机为动力电池充电。

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页3.2电动汽车再生制动能量回收系统

再生制动是指电动汽车在减速制动(刹车或者下坡)时将汽车的部分动能转化为电能，转化的电能储存在储存装置中，如各种蓄电池、超级电容和超高速飞轮，最终增加电动汽车的续驶里程。如果储能器已经被完全充满，再生制动就不能实现，所需的制动力就只能由常规的制动系统提供。图为电动汽车的制动系统结构。

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页3.2.1制动能量回收的方法和类型

制动能量回收的基本原理是先将汽车制动或减速时的一部分机械能（动能）经再生系统转换（或转移）为其它形式的能量（旋转动能、液压能、化学能等），并储存在储能器中，同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动；当汽车再次启动或加速时，再生系统又将储存在储能器中的能量再转换为汽车行驶所需要的动能（驱动力）。1.制动能量回收方法根据储能机理不同，电动汽车制动能量回收的方法也不同，主要有3种，即飞轮储能、液压储能和电化学储能。第二十八页，共41页。

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页3.2.1制动能量回收的方法和类型飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来储存和释放能量，能量转换过程如图所示。当汽车制动或减速时，先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成飞轮高速旋转的动能；当汽车再次启动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传动装置转化为汽车行驶的驱动力。第二十九页，共41页。

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页3.2.1制动能量回收的方法和类型图是一种飞轮储能式制动能量回收系统示意图。系统主要由发动机、高速储能飞轮、增速齿轮、离合器和驱动桥组成。发动机用来提供驱动汽车的主要动力，高速储能飞轮用来回收制动能量以及作为负荷平衡装置，为发动机提供辅助的功率以满足峰值功率的要求。第三十页，共41页。

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页3.2.1制动能量回收的方法和类型液压储能工作过程如图所示。它是先将汽车在制动或减速过程中的动能转换成液压能，并将液压能储存在液压蓄能器中；当汽车再次启动或加速时，储能系统又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车，以增加汽车的驱动力。第三十一页，共41页。

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页3.2.1制动能量回收的方法和类型图是液压储能式制动能量回收系统示意图。系统由发动机、液压泵/马达、液压蓄能器、变速器、驱动桥、离合器和液压控制系统组成。

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页3.2.1制动能量回收的方法和类型电化学储能工作原理如图所示。它是先将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；当汽车再次启动或加速时，再将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/电动机实现机械能和电能之间的转换。系统还包括一个控制单元，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。第三十三页，共41页。

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页3.2.1制动能量回收的方法和类型图是一种用于前轮驱动汽车的电化学储能式制动能量回收示意图。当汽车以恒定速度或加速度行驶时，电磁离合器脱开。当汽车制动时，行车制动系统开始工作，汽车减速制动，电磁离合器接合，从而接通驱动轴和变速器的输出轴。这样，汽车的动能由输出轴、离合器、驱动轴、驱动轮和从动轮传到发动机和飞轮上。制动时的机械能由电动机转换为电能，存入蓄电池。

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