汽車制動(dòng)能量回收 文獻(xiàn)綜述

1、汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)綜述引言進(jìn)入21世紀(jì)以來,能源和環(huán)境對人類生活、社會(huì)發(fā)展的影響越來越大，節(jié)能環(huán)保已成為未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，這也是對未來工業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的重大考驗(yàn)。其中,交通工具在給人類帶來方便的同時(shí),也給環(huán)境造成極大負(fù)擔(dān)。隨著地球環(huán)境的變化，有限的石油資源和日益提高的環(huán)保意識促使世界各國制定了一系列嚴(yán)格的法律法規(guī)限制尾氣排放。為此,交通運(yùn)輸工具的節(jié)能減排技術(shù)日益突出,車輛的能量回收技術(shù)受到充分重視, 文獻(xiàn)1表明,在城市工況下,制動(dòng)能量占總驅(qū)動(dòng)能量的50%左右。但是目前,制動(dòng)能量還不能被充分的回收利用,只能任大量的制動(dòng)動(dòng)能通過摩擦轉(zhuǎn)變成熱能耗散掉,還造成車輛制動(dòng)系統(tǒng)過早磨損。因此

2、,采用先進(jìn)的能量回收技術(shù),應(yīng)用現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)方法和手段,對汽車的制動(dòng)能量回收進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。汽車制動(dòng)能量至今已被開發(fā)利川,如電動(dòng)車,但還需進(jìn)一步改進(jìn)，從再生制動(dòng)原理、能量轉(zhuǎn)換與存儲、控制策略及關(guān)鍵技術(shù)等方面對汽車再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行綜述,提出汽車再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)墾待解決的問題。1傳統(tǒng)汽車制動(dòng)簡介目前車輛制動(dòng)裝置的品種繁多,形式多樣,如機(jī)械式、液壓式、氣動(dòng)式、氣液混合式等,其制動(dòng)原理基本相同,都是利用制動(dòng)裝置工作時(shí)產(chǎn)生摩擦熱的方式來逐漸消耗車輛所具有的動(dòng)能,以達(dá)到車輛減速制動(dòng)的目的,但存在如下缺點(diǎn): 制動(dòng)過程中不能將車輛行駛時(shí)所具有的能量(動(dòng)能回收,而是將這部分動(dòng)能通過車輪

3、與路面、制動(dòng)裝置與剎車轂之間的相互摩擦轉(zhuǎn)換成熱能的形式損失掉,增加了車輛行駛過程中的功率損失,降低了車輛的功率利用率。在路況較復(fù)雜的情況下,行駛的車輛往往需要長時(shí)間的頻繁制動(dòng)或連續(xù)較長時(shí)間的制動(dòng),因而在有關(guān)的制動(dòng)副表面將會(huì)產(chǎn)生大量熱量,使制動(dòng)裝置的摩擦副表面溫度急劇升高,導(dǎo)致制動(dòng)裝置的制動(dòng)效果明顯減弱,甚至失效,使車輛行駛的安全性大大降低。在這種情況下人們常常采用往制動(dòng)裝置的摩擦副表面注入冷卻水的方法來減少溫升。車輛行駛過程中制動(dòng)裝置的頻繁工作加劇了車輪和制動(dòng)裝置中摩擦片的磨損,因而需要經(jīng)常更換車輪和剎車片,由此增加了車輛的維修保養(yǎng)費(fèi)用。2汽車再生制動(dòng)原理再生制動(dòng)是指汽車在減速或制動(dòng)過程中,在

4、保證車輛制動(dòng)性能的條件下,通過與驅(qū)動(dòng)輪(軸相連的能量轉(zhuǎn)換裝置,把汽車的一部分動(dòng)能或位能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量,并儲存在能量儲存裝置中,然后在汽車起步或加速時(shí)釋放能量,如圖1所示,以增加驅(qū)動(dòng)輪(軸上的驅(qū)動(dòng)力或增加混合動(dòng)力汽車及電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程.既實(shí)現(xiàn)了車輛的減速和制動(dòng),又有效地降低了整車的燃油消耗和污染物排放,還減少了制動(dòng)器摩擦片的磨損。21能量轉(zhuǎn)換裝置再生制動(dòng)技術(shù)中,能量轉(zhuǎn)換是第一步車輛制動(dòng)的過程,其作用是進(jìn)行制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變換, 從車輛上吸收動(dòng)能然后將其轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。單從能量轉(zhuǎn)換角度來考慮:(1制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成飛輪旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,是直接的機(jī)械能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換,只有中間軸承處較小的摩擦損耗,轉(zhuǎn)

5、換最直接,轉(zhuǎn)換率也較高;(2制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成液壓能,是不同形式能量間的轉(zhuǎn)換,需要液壓泵-馬達(dá)裝置,不可避免的存在摩擦和熱的損失,能量轉(zhuǎn)換率降低;(3制動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能,需要經(jīng)過發(fā)電機(jī)裝置,能量有損耗,能量轉(zhuǎn)化率目前最高可達(dá)30%2。其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠性高。22能量儲存裝置及其比較基本原理:先將汽車在制動(dòng)或減速時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能;當(dāng)汽車再次起動(dòng)或加速時(shí),再將儲存的能量通過傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)化為汽車的驅(qū)動(dòng)力,以增加汽車的續(xù)駛里程。主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、高速儲能飛輪、增速齒輪、離合器、變速器和驅(qū)動(dòng)橋組成,見圖2所示。工作原理:先將汽車在制動(dòng)或減速過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液壓能,并貯存在液壓蓄能器中;當(dāng)

6、汽車再次起動(dòng)或加速時(shí),又將蓄能器中的液壓能以機(jī)械能的形式反作用于汽車,如圖3所示。圖2飛輪儲能再生系統(tǒng)示意圖圖3 液壓儲能再生系統(tǒng)示意圖工作原理:先將汽車制動(dòng)或減速過程中的動(dòng)能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能并儲存在儲能器中。汽車需要起動(dòng)或加速時(shí)再將儲能器中的電能轉(zhuǎn)化為汽車行駛的動(dòng)能。儲能器使用蓄電池或超級電容器,由發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)還包括ECU部分,用來控制蓄電池或超級電容器的充放電狀態(tài),并保證蓄電池剩余電量在規(guī)定的范圍內(nèi),如圖4所示。圖4 電儲能再生系統(tǒng)示意圖圖5 各種儲能方式的比較從圖5表可以看出,最具有發(fā)展前景的是電儲能再生制動(dòng)系統(tǒng),它具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活準(zhǔn)確、可實(shí)現(xiàn)多種功能等

7、優(yōu)點(diǎn),是再生制動(dòng)的趨勢。3控制策略和方案的研究現(xiàn)狀3.1國外再生制動(dòng)控制策略的研究現(xiàn)狀國外再生制動(dòng)技術(shù)的研究比較深入。除了大量的理論研究成果,實(shí)車應(yīng)用也比較成熟。日本本田公司的Prius、Estima和豐田公司的Insight轎車就是成功應(yīng)用再生制動(dòng)技術(shù)的典范。豐田公司Prius的再生制動(dòng)系統(tǒng)通過電液比例控制單元調(diào)節(jié)液壓制動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的綜合控制,在豐田HTS-Ò混合系統(tǒng)下,能提高整車能量利用率達(dá)20%以上,同時(shí)確保制動(dòng)安全。豐田公司在混合動(dòng)力汽車Estima中采用了電控柔性制動(dòng)系統(tǒng),并將再生制動(dòng)納入整車動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制,通過CVT控制,提高了制動(dòng)能量回收率。美

8、國福特公司的Escape應(yīng)用了線傳電液系列再生制動(dòng)系統(tǒng)(線傳操控技術(shù)、電子系統(tǒng)和機(jī)械制動(dòng)器代替機(jī)械及液壓制動(dòng)系統(tǒng),把來自駕駛者的命令轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?以驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)所需的操作,顯著提高了制動(dòng)能量回收效率、汽車制動(dòng)方向穩(wěn)定性和汽車舒適性。制動(dòng)力分配是再生制動(dòng)控制策略研究中的關(guān)鍵問題,其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高能量回收率和優(yōu)化駕駛員感覺。美國TexasA&M大學(xué)Yimin Gao等提出了評價(jià)再生制動(dòng)能量回收效率的三種制動(dòng)力分配控制策略。HoonYeo采用I曲線3作為前、后輪制動(dòng)力分配策略。Yimin Gao和Mehrdad Ehsani提出一種基于再生制動(dòng)系統(tǒng)的純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車ABS系統(tǒng)的控制策

9、略,通過精確設(shè)計(jì)電機(jī)制動(dòng)力門限值,制動(dòng)能量回收系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)可兼容工作。圖6表就是這幾種制動(dòng)力分配控制策略的性能比較。圖6 Yimin Gao等提出的四種制動(dòng)力分配控制策略的性能比較國外的研究所等機(jī)構(gòu)也做了大量研究。美國Michahian大學(xué)的Panagiotidis等建立了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)模型,對再生制動(dòng)的效果進(jìn)行仿真計(jì)算和影響因素的分析比較4。美國Union學(xué)院的W icks等建立了城市客車在市區(qū)行駛循環(huán)工況下的數(shù)學(xué)模型,研究再生制動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能效果5。美國TexasA&M大學(xué)的HongweiGao等提出了混合動(dòng)力汽車基于開關(guān)磁阻電機(jī)再生制動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),并在行駛

10、循環(huán)工況下進(jìn)行了能量回收效率的分析6。美國福特研究所,日本交通研究所以及荷蘭大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了這方面的大量研究。3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)再生制動(dòng)技術(shù)研究目前處于起步階段。各高校、汽車廠商、科研院所都在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究并取得了初步的結(jié)果,但是大部分研究都停留在理論分析和建模仿真階段,實(shí)車應(yīng)用不多,表1是對國內(nèi)再生制動(dòng)控制策略研究現(xiàn)狀的總結(jié)7-18。表1 國內(nèi)再生制動(dòng)控制策略研究成果表研究單位研究者控制策略所得結(jié)果清華大學(xué)羅禹貢 李蓬等研究對象 混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)目標(biāo) 駕駛員制動(dòng)意圖&能量回收率思想 基于最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)了制動(dòng)力分配模型顯著提高汽車制動(dòng)響應(yīng)速度提高制動(dòng)能量回收率10%北京理

11、工李玉芳 林逸等分析對象 獨(dú)立式制動(dòng)控制系統(tǒng)的制動(dòng)力前提 滿足車輛制動(dòng)性能保證車輛制動(dòng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)目標(biāo) 最大限度地回收再生制動(dòng)能量得到再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力的分配與控制規(guī)律華南理工羅玉濤 吳誥珪等研究對象 I給定的PWM調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的各制動(dòng)狀態(tài)思想 在能量回饋原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)混合勵(lì)磁無刷電動(dòng)機(jī)在車輛制動(dòng)時(shí)的能量反饋控制系統(tǒng)安裝在EV6 600上試驗(yàn)可達(dá)到10%左右的能量回收率武漢理工過學(xué)訊 張靖針對 HEV上實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)的必要性和可行性思想 應(yīng)用線控再生制動(dòng)策略具體工作 并聯(lián)式制動(dòng)能量回收的仿真研究建立HEV7200的系統(tǒng)仿真模型得到一定的能量回收率重慶大學(xué)詹迅 秦大同等針對 輕度HEV在典型城

12、市驅(qū)動(dòng)循環(huán)工況下工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo) 制動(dòng)安全性&高效制動(dòng)能量回收思想 基于傳統(tǒng)汽車制動(dòng)理論提出簡單有效的分配策略能滿足整車制動(dòng)力分配的要求能量回收率達(dá)到12.5%北京交大耿聰 劉溧 張欣依據(jù) 城市公交車車速變化大制動(dòng)頻繁強(qiáng)度低思想 低制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)再生制動(dòng)高強(qiáng)度時(shí)復(fù)合摩擦制動(dòng)目標(biāo) 保證了低強(qiáng)度時(shí)制動(dòng)能量再生&制動(dòng)效能安全性針對EQ6110HEV仿真節(jié)能效果良好可降低能耗10% 20%上海交大王保華 張建武等建立 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力學(xué)模型仿真 對純電機(jī)制動(dòng)模式和機(jī)電混合模式下動(dòng)力汽車能量再生制動(dòng)進(jìn)行了仿真純電機(jī)制動(dòng)效能高能量回收率29%機(jī)電混合反之(僅2% 西安交大白志峰 曹秉剛等

13、分析 當(dāng)前幾種再生制動(dòng)方式的不足考慮 防止過大的充電電流對蓄電池造成損害思想 以蓄電池充電電流為控制對象的再生制動(dòng)方案即可保證制動(dòng)安全制動(dòng)性能又保護(hù)蓄電池清華大學(xué)仇斌 陳全世等 針對 影響汽車制動(dòng)能量回收潛力的各種主要因素分析 在不同車速下最大制動(dòng)功率的分布特征工作 研究不同車速下最大制動(dòng)功率的分布特征在長安街上,采用制動(dòng)能量回收可增加蓄駛里程24.4%吉林大學(xué)王鵬宇 王慶年等針對 并行再生制動(dòng)系統(tǒng)的缺陷提出策略 基于理想制動(dòng)力分配的制動(dòng)力分配系數(shù)計(jì)算法方法 通過ABS調(diào)節(jié)機(jī)械制動(dòng)力調(diào)節(jié)制動(dòng)力分配在AMEsim下仿真帶ABS的氣壓制動(dòng)模型各方面都較優(yōu)4小結(jié)汽車再生制動(dòng)技術(shù)對我國而言還是一項(xiàng)新穎

14、技術(shù), 再生制動(dòng)與常規(guī)制動(dòng)的結(jié)合技術(shù)是目前解決再生制動(dòng)的最關(guān)鍵問題之一。同時(shí)制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)、能量回收技術(shù)等許多關(guān)鍵性問題也都函待解決。未來汽車的制動(dòng)系統(tǒng)裝備制動(dòng)能量回收裝置，把制動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為一定形式能量儲存下來，以供車輛儲備使用。這種方案性價(jià)比極高，可行性良好，將會(huì)是未來一種趨勢。相信隨著各種形式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，我們的汽車將變得更加環(huán)保節(jié)能。參考文獻(xiàn)1 EIJ INakamura, MASAYUKI Soga, AKRA SakaiDevelopment of Electronically Controlled Brake System for Hybrid Vehicle J

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