CN104309490B - 电动汽车制动能量回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车制动能量回收装置及方法，所述装置包括：超级电容器；其中超级电容器通过电机控制器与ISG同步电机相连，并暂时存储ISG同步电机回收的电能；超级电容器通过第一DC/DC变换器与车载电器相连接；同时超级电容器通过动力电池组和辅助锂电池相连接。所述方法在于使再生制动时产生的电能首先由超级电容器存储。再生制动结束后，超级电容器一部分电流为车载电池充电的同时，另一部分电流经转换后供给特定的车用电器。当起步、加速时，由超级电容和动力蓄电池组联合驱动电动机。其连接方式如图1所示。并搭建了模拟实验台。实验结果表明，制动能量回收利用的效率提高了10.01％。

Description

电动汽车制动能量回收装置及方法

技术领域

本发明属于电动汽车节能环保领域。具体是一种把电动(纯电动和混合电动)汽车的制动能量充分回收利用的电动汽车制动能量回收装置及方法。

背景技术

电动车的续驶里程和节能环保一直是人们关注的重点。除了改进蓄能和驱动方式外，制动能量回收装置是一大发展方向。制动能量回收是指车辆制动减速时，将其中一部分机械能转化为其他形式的能量，并加以回收再利用的技术。有关文献表明,在城市工况下驾驶，制动能量占汽车总驱动能量的40％-60％。如果将这部分的能量加以回收利用，电动汽车的续驶里程可以增加10％-30％。电动汽车制动能量回收技术不但能避免车辆制动系统过早磨损，还会降低汽车的使用成本、减小制动噪声、改善车辆制动安全性等作用。目前许多电动汽车都已安装了类似的装置以回收部分制动能量。采用的能量存储形式有飞轮储能，液压储能和电化学储能。其中电化学储能应用最为普遍。

日本和美国对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。本田公司的Prius、Estima和丰田公司的Insight混合电动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控制，提高了制动能量回收率。基于ISG电机(IntegratedStarterGenerator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制动力分配系数控制再生制动系统，在Insight车上实现了混合电动汽车制动能量的高效回收。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。

国内再生制动技术研究处在快速发展期。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。例如奇瑞瑞麒M1-EV纯电动汽车，技术路线上采用矢量控制的永磁同步电机作为驱动源，并进一步改进电池管理系统，利用电池均衡器对电池的充放电过程进行控制。不仅达到保护电池的目的，还有效地提高了制动能量回收效率。美国对电动汽车的实际运行测试结果表明，再生制动给作为储能动力源的蓄电池补充的能量，能使电动汽车一次充电后行驶的里程增10％-25％。

申请号为:CN201210074396.5《一种车辆势能回收系统》发明专利，采用电机和发动机通过耦合器并联方式将汽车制动能量回收转变为电能储存到蓄电池中。造成该系统结构复杂，控制困难；同时直接向蓄电池充电，回收效率偏低；仅仅是能量的回收，没有把电机转化的能量直接利用。

申请号为:CN201010281272.5《一种电动汽车制动能量回收系统及能量回收控制方法》发明专利，采用超级电容储能单元与化学电池作为储能单元，通过储能单元管理系统并联连接。该种连接方式不能充分发挥超级电容的充电功率大、效率高的优点；没有把制动能量回收与利用相结合，回收利用效率不高。

申请号为:CN201210087300.9《一种电动汽车再生制动能量储存装置》发明专利，由超级电容模组储存电动汽车再生制动回馈能量，在电动汽车起动和加速时与蓄电池并联给电动机供电；超级电容充放电控制器与超级电容模组电连通实现控制充放电过程。该系统利用了超级电容器充放电快，比功率大的优点。然而城市工况下，汽车经常频繁的再生制动，需要有较大电容量的储能装置。该专利仅仅使用超级电容作为制动能量存储单元，由于超级电容器自身能量密度低、自放电速率等，易导致超级电容体积加大、重量增加。

电动汽车制动能量回收效率偏低是仍亟待解决的问题。现有的制动能量回收方案普遍采用直接向蓄电池充电来吸收电机回馈的能量，这也是导致制动能量回收效率偏低的重要原因。上述的发明专利中，采用蓄电池作为制动能量存储装置。由于蓄电池本身的特性，车载蓄电池的充电性能有限；同时存在能量二次转化现象；不仅如此，制动时间短暂，导致瞬时电流过大、产生急充电现象，会对车载电池的性能和使用寿命有一定的影响。因此，蓄电池难以实现短时间大功率充电、且成本高，这些都直接导致了能量回收和利用效率偏低。

目前电动汽车领域已开始尝试使用超级电容储能元件进行能量回收。超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件,适合用作短时间功率输出源。具有比功率高、充放电速率快、绿色环保等优点，亦可平滑动力电池充放电电流，使动力电池的使用寿命有较大延长。但是超级电容器也存在着能量密度低、自放电速率高不易长时间储能、电压低等缺点。上述发明专利中，只是利用了超级电容器充放电快，比功率大的优点。电动汽车经常会出现频繁的再生制动，需要有较高电容量的储能装置。然而上述发明专利中，仅仅使用超级电容作为制动能量存储单元，由于超级电容器自身能量密度低等，导致超级电容体积加大、重量增加、自放电速率提高等现象。会严重影响电动汽车的空间布置、运行性能以及成本价格。

发明内容

根据上述发明专利存在的缺陷和不足，本发明的目的是针对电动汽车制动能量回收效率偏低的难题，提供了一种电动汽车制动能量回收装置及方法，即把超级电容器与车载蓄电池特点相结合，扬长避短，最大限度的回收制动能量，并兼顾回收与利用。

技术解决方案是：一种电动汽车制动能量回收装置，包括：超级电容器；其中超级电容器通过电机控制器与ISG同步电机相连，并暂时存储ISG同步电机回收的电能；超级电容器通过第一DC/DC变换器与车载电器相连接；同时超级电容器通过动力电池组和辅助锂电池相连接。

所述ISG同步电机位于靠近驱动轴的底盘上，超级电容器位于靠近ISG同步电机的两侧。

所述动力电池组和辅助锂电池位于后座下部或后备箱位置。

电动汽车制动能量回收装置的回收方法如下：当电动汽车制动时，驱动轮带动驱动轴旋转将转矩输向ISG同步电机，并拖动ISG同步电机转动，ISG同步电机转子成为一个旋转磁场，ISG同步电机定子线圈做切割磁力线运动，从而产生感应电动势；所述感应电动势形成的感应电流经电机控制器向超级电容器充电，ISG同步电机进入发电状态进行制动能量回收；当制动能量回收过程完成后，存储在超级电容器的一部分电能通过第一DC/DC变换器的升降压作用，同时向动力电池组和辅助锂电池充电；当电控开关开启时，存储在超级电容器的另一部分感应电流经过第二DC/DC变换器置换成12V的车用直流电，经过稳压后输送给车载电器，此时辅助锂电池和超级电容器处于并联供电模式下。

所述电机控制器内预设ISG同步电机临界转速；当ISG同步电机转速达到所述临界转速时，完全由辅助锂电池为车载电器提供电能，制动能量回收和利用结束。

上述技术方案中所用车载电器(加热座垫、制动灯、散热风扇等)性能稳定，分别安装在车内座椅、车辆尾部和驾驶室内。由电控开关控制其开启和关停，并能在超级电容器和辅助电池组之间切换。

附图说明

图1为本发明的电动汽车制动能量回收装置示意图；

图中图号标识：1.驱动轴2.主减速器3.驱动轮4.自动变速箱5.ISG同步电机6.电机控制器7.超级电容器8.第一DC/DC变换器9.电控开关10.第二DC/DC变换器(12V)11.辅助锂电池12.制动灯13.动力电池组14.整车控制管理系统15.传感器模块16.加热座垫。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的电动汽车制动能量回收装置示意图，其中ISG同步电机(5)、超级电容器(7)、蓄电池都与整车控制管理系统相互连接；电动汽车匀速或加速行驶时，由传感器模块(15)把轮速传感器和加速踏板位置传感器信号传向整车控制管理系统(14)，经过判断和计算来控制动力电池组(13)的通断和输出电流大小，进而调节ISG同步电机(5)的转速和转矩为汽车提供动力。

当电动汽车制动时，由于车身及其负载的惯性，驱动轮(3)带动驱动轴(1)旋转、通过主减速器(2)等传动装置的传动和调速作用，将转矩输向ISG同步电机(5)，并拖动电机转动，电机转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线运动，从而产生感应电动势，感应电流经电机控制器(6)向超级电容器(7)充电，ISG同步电机(5)进入发电状态。当制动能量回收过程完成后，存储在超级电容器(7)的一部分电能通过第一DC/DC变换器(8)的升降压作用，同时向动力电池组和辅助电池组充电。电控开关(9)开启时，一部分感应电流经过第一DC/DC变换器(8)置换成12V的车用直流电，经过稳压器输送给车载电器(加热座垫(16)、制动灯(12)、散热风扇等)。此时辅助锂电池(11)和超级电容器(7)处于并联供电模式下。

随着车速、电机转速的减小，ISG同步电机5的输出功率减小，向车载电池组和车载电器输送功率减小。当车速、电机转速降到某一数值区后，由感应电动势转换的充电电压小于车载电池组的实际电压时，ISG同步电机(5)就无法向车载电池组充电。而可以继续向额定电压为12V的加热座垫(16)、制动灯(12)、散热风扇等车载电器输送功率。直到车速、电机转速达到某一临界转速时，ISG电同步机(5)不再向外输出电能，加热座垫(16)、制动灯(12)、散热风扇等停止利用超级电容器回收的电能，切换到完全由车载辅助电池组为其提供电能，制动能量回收和利用结束。

当车轮滑动、抱死时，ISG同步电机(5)转子转速为零，不能提供制动力矩，汽车总制动力矩主要由路面提供。

当电动汽车启动、加速时，利用超级电容器放电功率大的特点，把存储一定制动能量的超级电容器(7)与动力电池组(13)联合，共同向ISG电机提供电能。当车轮达到一定转速，超级电容器断路，停止起动、加速过程,由动力电池组(13)为ISG同步电机(5)提供电能。

制动能量回收时，由于ISG同步电机(5)输出电压变化范围较大，所以变换器以及第二DC/DC变换器(10)(12V)需要有较大的电压调节范围，以便在发电机输出电压变化较大的情况下，能够向车载电池和车载电器提供适当的充电电压和工作电流。电控开关分别与加热座垫和制动灯连接。之所以选用车载加热座垫、制动灯、散热风扇，是因为它们具有良好的工作特性，稳定性要求较低。即使在低速的制动能量回收状态下，也能有效的利用ISG同步电机(5)回收的电能。从而实现对电动汽车ISG同步电机在高速、中速、低速三种典型工况下的制动能量回收与利用。

当进行制动能量回收时，整车控制管理系统(14)可以根据车辆制动工况设置不同的数值，模拟出不同制动力条件下，发电机运转状况。高精转速测量仪实时测量发电机转速，数显电压、功率表实时测量发电机输入超级电容器的功率。经过第一DC/DC变换器(8)把超级电容器的一部分电流为动力电池组和辅助电池组充电的同时，另一部分电流经第二DC/DC变换器(10)和电控开关(9)置换为12V、50V稳压电源，分别提供给特定的车用电器(加热座垫(16)、制动灯(12)、散热风扇等)和动力电池组(13)。

实验结果表明，在制动器制动力一定时(地面附着系数Φ＝0.7，制动强度Z＝0.2)，制动能量回收利用率提高了10.01％，验证了能量回收利用新方法的可行性与有效性。

Claims (3)

1.一种电动汽车制动能量回收装置，包括超级电容器(7)，所述超级电容器(7)通过电机控制器(6)与ISG同步电机(5)相连，并暂时存储ISG同步电机(5)回收的电能；超级电容器(7)通过第一DC/DC变换器(8)与车载电器相连接；其特征在于，所述超级电容器(7)还通过动力电池组(13)和辅助锂电池(11)相连接；所述ISG同步电机(5)位于靠近驱动轴(1)的底盘上，超级电容器(7)位于靠近ISG同步电机(5)的两侧；所述动力电池组(13)和辅助锂电池(11)位于后座下部或后备箱位置。

2.一种基于权利要求1所述的电动汽车制动能量回收装置的回收方法，其特征在于所述方法如下：当电动汽车制动时，驱动轮(3)带动驱动轴(1)旋转将转矩输向ISG同步电机(5)，并拖动ISG同步电机(5)转动，ISG同步电机(5)转子成为一个旋转磁场，ISG同步电机(5)定子线圈做切割磁力线运动，从而产生感应电动势；所述感应电动势形成的感应电流经电机控制器(6)向超级电容器(7)充电，ISG同步电机(5)进入发电状态进行制动能量回收；

当制动能量回收过程完成后，存储在超级电容器(7)的一部分电能通过第一DC/DC变换器(8)的升降压作用，同时向动力电池组(13)和辅助锂电池(11)充电；

当电控开关(9)开启时，存储在超级电容器(7)的另一部分感应电流经过第一DC/DC变换器(8)置换成12V的车用直流电，经过稳压后输送给车载电器，此时辅助锂电池(11)和超级电容器(7)处于并联供电模式下。

3.根据权利要求2所述的电动汽车制动能量回收装置的回收方法，其特征在于所述电机控制器(6)内预设ISG同步电机(5)临界转速；当ISG同步电机(5)转速达到所述临界转速时，完全由辅助锂电池(11)为车载电器提供电能，制动能量回收和利用结束。