电动汽车制动系统的能量回收

III15694第1章绪论 1204081.1制动能量回收的发展状况 1257091.1.1电动汽车及其应用 116096第2章电动汽车制动能量回收原理 2124152.1电动汽车基本概念 2145102.1.1电动汽车制动能量回收 2105452.1.2传统离合器式制动系统 271412.2电动式再生制动 263372.2.1制动力与能量的关系 3323032.2.2摩擦系数 3268962.3制动能量 324002.3.1制动时间 411849第3章制动系统能量回收方案设计 5296833.1概述 5296853.1.1制动系统组成 5303073.1.2制动系统能量回收方法 6182833.2系统能量回收装置 727722第4章制动能量回收系统的分析 848604.1制动能量回收理论基础 818954.1.1制动能量回收系统的确定 914162第5章电动汽车制动系统的动力性能分析 10276505.1电动汽车的动力特性 10319495.1.1电动汽车制动系统的动力性 1023765.1.2动力稳定性 111267第6章总结与展望 13221899参考文献 1525641致谢 16第1章绪论1.1制动能量回收的发展状况电动汽车的发展是一个漫长而曲折的过程，目前我国对电动车制动系统研究还处于初级阶段，在技术和理论方面都还有待于进一步提高。随着世界各国政府及相关机构对于新能源车用燃料电池混合动力车辆减震性能、节能环保等政策相继出台后以及近年来国家对环境保护意识不断增强使得越来越多新型交通工具被人们所接受并且将其作为缓解交通拥堵的最佳选择而受到广泛关注。目前我国电动汽车制动系统主要是以传统机械式为主其主要特点是：动力源制动效率低，能量利用率不高，目前我国电动汽车的发展正处于起步阶段，在电动车用燃料电池混合技术方面还存在许多问题需要解决目前我国电动汽车制动系统主要分为两大类：以日本为代表的气-液混合式电动车和以美国为代表的再生动力型。由于技术不成熟，因此我们在开发过程中面临着许多困难，比如能量回收率低、蓄电池寿命短等问题都需要解决。而随着世界各国对新能源汽车发展趋势以及国家政策扶持下节能环保理念不断深入人心导致电动汽车制动系统正向高效化、绿色化方向迅速崛起电动汽车制动系统的研究正在成为我国未来发展战略之一，其发展前景广阔。1.1.1电动汽车及其应用电动汽车是指以电动机作为驱动系统，动力通过减速器传动机构，然后再经过制动器的控制后减速行驶。传统内燃机车辆结构复杂、体积大重量多。因此其能量来源主要依靠发动机输出轴产生的旋转动能来推动活塞杆运动和带动蓄电池中储存出来或者释放出电能(电化学)而进行工作；在使用过程当中可能会因为故障出现不能正常启动或停止时无法停车等情况发生，从而对电动汽车造成影响甚至损害生命财产安全事故发生概率较大同时也会对社会发展造成影响。因此，本文将电动汽车分为两大类：专用车辆和通用、专用乘用车专用车辆是指专门用于某一类特殊用途的电动汽车。通用车一般在城市交通、学校和旅游等场合使用专用车主要是为了满足某些特殊的需要，比如在交通拥挤、交通事故频发等情况下专用车一般在一些特殊的场合使用，如城市公交、地铁站等。

第2章电动汽车制动能量回收原理2.1电动汽车基本概念电动汽车是指以电动机为动力源，通过控制电机的开合来使驱动机构产生对制动器和气室压力，从而达到汽车行驶所需要的减速、停车等功能。在传统内燃机发动机电动车上添加或减少了电池能量转化率。目前主要有两种方法可以进行再生。一种是用化学能转换装置将蓄电池中储存着化学反应性物质作为储能介质；另一种则通过电动机提供动力来源为其辅助能源而实现制动系统工作原理与控制方式这就是电动汽车的基本概念。在传统内燃机发动机上添加或减少电池能量转化率，然后通过电机驱动装置，由减速机构带动制动器和气室压力将其转变为动力来源实现车辆刹车功能；而在新能源汽车中增加蓄电池作为储能元件可以大大提高能量利用效率、降低对环境污染等优点。2.1.1电动汽车制动能量回收电动汽车制动能量回收的主要方式有两种，分别为机械再生和液压驱动。其中，液压传动是目前最常用的一种。2.1.2传统离合器式制动系统传统离合器式制动系统它采用了两个独立回路来实现刹车力矩转换过程；另外还包括一个通过控制辅助机构来调节压力大小、方向等变化从而达到车辆在不同路面上行驶时制动能量回收目的；还有就是利用驾驶员踩下挂钩和转向盘实现对前轮施加适当减速作用，以满足汽车的行车安全液压制动系统的优点是能量利用率高，但同时存在机械传动效率低、工作可靠性差等缺点。2.2电动式再生制动电动式再生制动是通过控制辅助回路来实现对汽车上刹车压力和方向进行调节主要特点是能量利用率高，工作可靠，但需要消耗大量的液压能源，而且对环境污染较大。2.2.1制动力与能量的关系图1-1回收力矩与车速的关系如图1-1制动系统的主要功能是让汽车在下坡时保持相当平稳，以保证车辆能够安全地停放。汽车的能量利用率取决于制动器对路面状况和行车条件。2.2.2摩擦系数摩擦系数是由车轮与地面接触后产生出来的，其中一个面会有一部分力被轮毂甩出行驶；另一种则是因为轮胎内产生了少量变形形成一定厚度的弹性形变材料而具有减震性。2.3制动能量制动能量是由摩擦元件产生的热量，是汽车在下坡时需要一定时间才能释放出来。在传统的制动系统中，汽车的动能是由机械能转化而来，而将其转换成为电能则需要一定得时间。由于能量存储装置和传动机构都是采用摩擦发热来实现热量传递。所以当车辆经过坡道或者后轮拖动时都会产生大量消耗掉制动器所需动力资源且效率很低、耗电量大等问题；同时在刹车之后还存在着一个辅助能源-电力储能(EPS)，它是通过将电能转化为动能而不是储存起来的能量存储装置和传动机构。2.3.1制动时间制动时间汽车在下坡的时候，需要一定的刹车距离，以确保车辆能有足够充分和适当的速度行驶。而制动能量是由发动机产生能量的产生是由于制动器与传动系统之间存在摩擦，使汽车在下坡行驶过程中维持一定车速，但如果不能有效利用这些热量则会导致刹车距离过短汽车制动时，车辆的动能转化为热能，使摩擦面中产生大量变形，从而导致了能量损失。第3章制动系统能量回收方案设计3.1概述电动汽车制动系统的性能直接关系到车辆在行驶过程中安全与否，因此需要对其进行研究。目前的主要有两种类型：一种是机械式液压制动器；另一种就是气动式液压(也称双作用)和电气方式下电控开关。由于这两类装置结构简单、造价低廉且安装方便等优点而被广泛使用着.其中机械式制动器又分为两部分，即气压盘管和鼓轮盘管，后者则包括电动液力刹车系统及电磁离合闸机构而电控液压制动器又分为两种类型：双作用式和全动式汽车制动系统的机械式液压制动器是利用驾驶员在驾驶时踩刹车踏板产生的离合与惯性力来实现控制。这种方式能让司机有很大程度上得自由度，可以使汽车保持平稳，而且还具有较大地刚度，但是它对环境和行驶条件都不太敏感。3.1.1制动系统组成制动系统主要由控制元件、执行部件和辅助部分组成。(1)控制系统是指通过驾驶员操作指令来实现对汽车的制动。控制机构包括：行车按钮，安全钳，限位开关，紧急停止装置等；(2)操纵组件是用来完成车辆在行驶中对于车速以及方向所施加到车轮上的力矩大小变化而形成制动信号输出设备主要由液压系统和气压传动机构组成；(3)辅助部分是用于使驾驶员能够根据驾驶过程当中出现的意外情况对汽车进行控制在制动的过程当中，驾驶员要根据驾驶操作指令，对于汽车进行一些动作，比如说踩刹车或换方向。3.1.2制动系统能量回收方法图SEQ表\*ARABIC1-2能量回收方式能量回收方法主要有以下几种：1.利用电动汽车蓄电池来进行制动。因为其本身具有的独特优点，我们可以通过对制动系统内部结构和外部负载等因素的考虑，将其在整个传动装置中所占比重降低。这样就会使整个驱动桥得到更加合理化、紧凑性以及轻量化；同时也能够减少电机功率消耗从而达到节能减排目的；还能提高能量回收率并延长循环时间来实现汽车自身动力性能上更好地自愈好。2.利用电动汽车用电机来进行制动。因为其本身的优点，我们可以将它和蓄电池配合使用，这样就能使整个驱动桥得到更多能量。3.采用电动机作为动力源来对再生制动过程加以回收并再次循环使用通过以上各种方法都能够达到理想效果的目的：一是提高了系统效率并且减少了成本；二是在一定程度上降低了能源消耗量从而节约资源、保护环境；三是还可以减轻污染和浪费制动系统是电动汽车的重要组成部分，它在整个传动装置中占据非常大比重。而其能量回收过程也对电动车进行再生制动有着很大的影响，所以我们要充分利用好这一系列措施。3.2系统能量回收装置能量回收装置主要是由电动机、减速器和动力电池组成，其工作原理如下：(1)电机驱动系统的基本功能就是将发动机产生的机械能转换成电能。(2)动力制动系通过控制内燃机转速达到减速汽车速度调节目的；(3)在汽车行进过程中，由于外界环境因素影响而使蓄电池组容量不能充分发挥作用时进行能量补充或停止充电操作后再使用就可以避免了对电动车辆造成损坏当电动机带动动力制动器工作时，在其驱动力作用下，电机的动能转化为电能，然后通过控制器控制电路使发电机和传动系统中产生电流。第4章制动能量回收系统的分析4.1制动能量回收理论基础图SEQ图\*ARABIC1-3能量回收原理汽车制动能量回收的主要来源是来自于各种可再生资源，例如蓄电池、电动势场效应管等。(1)储能装置：目前世界各国对储存和分配电能都有很多办法。比如美国通过建立超级电容存储系统来提高其发电容量；日本则将其运用于充电宝以及电表上，而我国还处于起步阶段。(2)电机制动能量回收技术：由于汽车的行驶车速很快且在下坡时需要频繁启动并消耗大量能源所以目前世界各国都在研究如何高效回收电能量。制动系统的效率主要体现在其再生能量能否得到充分利用。汽车行驶过程中需要频繁停车，因此必须采用各种措施使车辆减速或刹车时产生大量热能来维持车速稳定运行；而当车辆停止后由于惯性作用不能及时吸收动能导致失去稳定性并引发故障等意外事故就会造成严重后果甚至危及生命财产安全时应回收制动能量。(3)电动势场效应管：目前世界各国都在研究如何使电池充电效率达到最优，其主要是利用蓄电池中的电能转化为热能，从而将动能转换成化学能储存起来；此外还有一些方法来储存在电路上如地铁、轻轨上也运用了这种技术制动能量回收主要体现在以下几个方面：（1）对蓄电池进行充分利用，提高其放电率，从而使其充电效率达到最大值。目前世界各国所采用的技术有：电磁隔离、循环再生等；(2)通过改进现有储能装置来延长充电站或在有限空间内将电能转化为热能储存起来并提供动力来源。4.1.1制动能量回收系统的确定在设计制动能量回收系统时，我们需要考虑到以下问题：(1)要保证车辆的安全行驶。在对电动汽车进行制动过程中，如果出现意外情况造成了不可弥补损失或者影响其他因素发生改变。则可以通过提高蓄电池容量来实现这一目的；(2)尽可能减少能源损耗和污染产生量；当汽车处于停车状态下或紧急刹车状况下时，为了能够及时回收能量并避免其带来危害而需要采用储能装置因此，在汽车制动时，必须设计一个储能装置来储存能量并使其能够及时回收。本文采用的方案是：将再生制动、升压贮存和直接充电三种方式结合起来进行研究；其中前者为利用电池存储电能而获得的动能转化成为新能源产生动力后再由蓄电池提供使用；后者通过改变电机定子电压控制电动车内部部件工作状态，从而达到对汽车内零部件进行储存能量这一目的方法都属于间接性储能制动能量回收系统是指将再生制动、升压贮存和直接充电三种方式结合起来的一种装置。本文采用的是间接式储能技术，即通过改变电机定子电压控制电动车内部部件工作状态；在汽车行驶过程中释放出大量电能来储存这部分剩余电量使其能够进行长距离传输以实现对蓄电池容量及温度较高部位的保护效果；然后由电动机驱动发电机产生电力后再经过降压贮存在整个制动系统之中从而达到能量回收利用制动能量回收系统是通过对现有的技术进行改造从而形成了新型高效、可靠且安全地将再生制动和升压贮存起来作为辅助功能，并在汽车行驶过程中，利用电机定子电压控制电动车内部部件工作状态；再由电动机驱动发电机产生电力后经降压装置使其能够储存大部分剩余电能给需要被停止或下一辆车使用。第5章电动汽车制动系统的动力性能分析5.1电动汽车的动力特性电动汽车的工作过程主要是由电动机、传动系统和制动器三大部分组成。其中，动力特性就是指驱动电机转矩大小与输入轴输出角速度关系。在实际应用中一般用单位功率来表征电瓶内气压变化率(即转速)以及动力响应时间等性能指标；而对电池组来说，通常情况下只需考虑能量消耗率这一性能参数就可以表示电动汽车的效率特性：1.额定电压、峰值电流及平均充放电次数；2.电机转矩与制动器最大负荷之比。5.1.1电动汽车制动系统的动力性在电动汽车制动系统中，主要有液压式、电机—液力耦合器和电动机传动的三种形式。(1)机械式：液压能驱动。制动时由发动机产生动力使车轮减速行驶至停车；机械摩擦离合器控制离合装置来实现其能量储存与传递；电动车作为内燃机工作则具有很高的可靠性及稳定性等特点。(2)气动-气压式：是通过压缩空气、弹簧力或电磁换向阀推动活塞杆运动，从而带动汽车轮压紧或者松开。(3)液压传动：是通过压缩空气来驱动制动系统，具有较高的可靠性及稳定性。由于目前电动汽车的发展迅速，其技术也在不断地成熟。因此对电动车进行研究和开发势在必行。本文主要针对机械式中传统离合器、液压助力弹簧以及电磁换向阀组成制动控制系统设计了一种基于单片机控制的双回路摩擦再生装置(ABS)来提高能量利用率并满足市场需求，从而达到电动汽车发展快速这一目标。5.1.2动力稳定性动力稳定性是指电动汽车制动能量利用的性能。目前，电动汽车主要采用的是液压式、电力驱动系统。在电传动技术中，电机与电动机相比具有较高的转矩和较大牵引力等优点；但是其缺点也非常明显：(1)由于摩擦损失大而导致效率低且功率因数不高；(2)动力电池工作温度过高或过小都会对制动性能产生影响从而降低了能量利用率，使电动汽车不适合使用目前，动力稳定性主要通过制动性能和能量回收来评价。在电动汽车上，当电动机工作时的动能转化为热能后将驱动电机运作。但这种方法会导致传动系效率降低并且使整车重量增加；而如果采用液压系统作为电传动装置的话则可以提高制动器的机械强度从而延长使用寿命并能有效地防止因电流过大产生危险事故本文研究了一种再生制动能量回收技术—动力稳定性差和利用率低，因此我们需要从其他方面入手对其进行改进。

结论随着我国经济的发展，汽车行业也在飞速地进步、前进。电动汽车作为一种新型交通工具，其优点是节能环保。但是由于目前技术还不成熟完善和市场推广等多方面原因导致电制动系统仍存在一些缺陷：(1)电池消耗量大；传统动力乘用车多采用铅酸蓄电池进行充电或者直接更换电机驱动齿轮箱来降低耗能的同时也增加了使用电能成本、且对环境污染严重；电动汽车续驶里程短，需要大量电力作为能源基础(2)电动汽车的制动性能差，需要大量电力作为动力来源，这也导致了电制动系统能量回收率低；目前我国使用的电池主要是铅酸蓄电池和锂离子蓄能。这些传统能源虽然有一定优点但其成本高且对环境造成污染严重。因此开发一种新型高效、环保节能型电动汽车具有重要意义并且很可能解决上述问题：(1)采用新能源作为动力来源，可以降低充电费用、提高车辆运行稳定性以及节约资源；(2)采用新能源作为动力来源，可以降低制动系统的能量回收率，减少汽车排放量；(3)用电动汽车代替传统石油燃料。参考文献[1]周翎霄.电动汽车液压再生制动系统能量回收效率研究[D].