電動汽車制動系統(tǒng)的能量回收

III15694第1章緒論 1204081.1制動能量回收的發(fā)展狀況 1257091.1.1電動汽車及其應用 116096第2章電動汽車制動能量回收原理 2124152.1電動汽車基本概念 2145102.1.1電動汽車制動能量回收 2105452.1.2傳統(tǒng)離合器式制動系統(tǒng) 271412.2電動式再生制動 263372.2.1制動力與能量的關系 3323032.2.2摩擦系數(shù) 3268962.3制動能量 324002.3.1制動時間 411849第3章制動系統(tǒng)能量回收方案設計 5296833.1概述 5296853.1.1制動系統(tǒng)組成 5303073.1.2制動系統(tǒng)能量回收方法 6182833.2系統(tǒng)能量回收裝置 727722第4章制動能量回收系統(tǒng)的分析 848604.1制動能量回收理論基礎 818954.1.1制動能量回收系統(tǒng)的確定 914162第5章電動汽車制動系統(tǒng)的動力性能分析 10276505.1電動汽車的動力特性 10319495.1.1電動汽車制動系統(tǒng)的動力性 1023765.1.2動力穩(wěn)定性 111267第6章總結與展望 13221899參考文獻 1525641致謝 16第1章緒論1.1制動能量回收的發(fā)展狀況電動汽車的發(fā)展是一個漫長而曲折的過程，目前我國對電動車制動系統(tǒng)研究還處于初級階段，在技術和理論方面都還有待于進一步提高。隨著世界各國政府及相關機構對于新能源車用燃料電池混合動力車輛減震性能、節(jié)能環(huán)保等政策相繼出臺后以及近年來國家對環(huán)境保護意識不斷增強使得越來越多新型交通工具被人們所接受并且將其作為緩解交通擁堵的最佳選擇而受到廣泛關注。目前我國電動汽車制動系統(tǒng)主要是以傳統(tǒng)機械式為主其主要特點是：動力源制動效率低，能量利用率不高，目前我國電動汽車的發(fā)展正處于起步階段，在電動車用燃料電池混合技術方面還存在許多問題需要解決目前我國電動汽車制動系統(tǒng)主要分為兩大類：以日本為代表的氣-液混合式電動車和以美國為代表的再生動力型。由于技術不成熟，因此我們在開發(fā)過程中面臨著許多困難，比如能量回收率低、蓄電池壽命短等問題都需要解決。而隨著世界各國對新能源汽車發(fā)展趨勢以及國家政策扶持下節(jié)能環(huán)保理念不斷深入人心導致電動汽車制動系統(tǒng)正向高效化、綠色化方向迅速崛起電動汽車制動系統(tǒng)的研究正在成為我國未來發(fā)展戰(zhàn)略之一，其發(fā)展前景廣闊。1.1.1電動汽車及其應用電動汽車是指以電動機作為驅(qū)動系統(tǒng)，動力通過減速器傳動機構，然后再經(jīng)過制動器的控制后減速行駛。傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛結構復雜、體積大重量多。因此其能量來源主要依靠發(fā)動機輸出軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動能來推動活塞桿運動和帶動蓄電池中儲存出來或者釋放出電能(電化學)而進行工作；在使用過程當中可能會因為故障出現(xiàn)不能正常啟動或停止時無法停車等情況發(fā)生，從而對電動汽車造成影響甚至損害生命財產(chǎn)安全事故發(fā)生概率較大同時也會對社會發(fā)展造成影響。因此，本文將電動汽車分為兩大類：專用車輛和通用、專用乘用車專用車輛是指專門用于某一類特殊用途的電動汽車。通用車一般在城市交通、學校和旅游等場合使用專用車主要是為了滿足某些特殊的需要，比如在交通擁擠、交通事故頻發(fā)等情況下專用車一般在一些特殊的場合使用，如城市公交、地鐵站等。

第2章電動汽車制動能量回收原理2.1電動汽車基本概念電動汽車是指以電動機為動力源，通過控制電機的開合來使驅(qū)動機構產(chǎn)生對制動器和氣室壓力，從而達到汽車行駛所需要的減速、停車等功能。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機發(fā)動機電動車上添加或減少了電池能量轉(zhuǎn)化率。目前主要有兩種方法可以進行再生。一種是用化學能轉(zhuǎn)換裝置將蓄電池中儲存著化學反應性物質(zhì)作為儲能介質(zhì)；另一種則通過電動機提供動力來源為其輔助能源而實現(xiàn)制動系統(tǒng)工作原理與控制方式這就是電動汽車的基本概念。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機發(fā)動機上添加或減少電池能量轉(zhuǎn)化率，然后通過電機驅(qū)動裝置，由減速機構帶動制動器和氣室壓力將其轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿碓磳崿F(xiàn)車輛剎車功能；而在新能源汽車中增加蓄電池作為儲能元件可以大大提高能量利用效率、降低對環(huán)境污染等優(yōu)點。2.1.1電動汽車制動能量回收電動汽車制動能量回收的主要方式有兩種，分別為機械再生和液壓驅(qū)動。其中，液壓傳動是目前最常用的一種。2.1.2傳統(tǒng)離合器式制動系統(tǒng)傳統(tǒng)離合器式制動系統(tǒng)它采用了兩個獨立回路來實現(xiàn)剎車力矩轉(zhuǎn)換過程；另外還包括一個通過控制輔助機構來調(diào)節(jié)壓力大小、方向等變化從而達到車輛在不同路面上行駛時制動能量回收目的；還有就是利用駕駛員踩下掛鉤和轉(zhuǎn)向盤實現(xiàn)對前輪施加適當減速作用，以滿足汽車的行車安全液壓制動系統(tǒng)的優(yōu)點是能量利用率高，但同時存在機械傳動效率低、工作可靠性差等缺點。2.2電動式再生制動電動式再生制動是通過控制輔助回路來實現(xiàn)對汽車上剎車壓力和方向進行調(diào)節(jié)主要特點是能量利用率高，工作可靠，但需要消耗大量的液壓能源，而且對環(huán)境污染較大。2.2.1制動力與能量的關系圖1-1回收力矩與車速的關系如圖1-1制動系統(tǒng)的主要功能是讓汽車在下坡時保持相當平穩(wěn)，以保證車輛能夠安全地停放。汽車的能量利用率取決于制動器對路面狀況和行車條件。2.2.2摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)是由車輪與地面接觸后產(chǎn)生出來的，其中一個面會有一部分力被輪轂甩出行駛；另一種則是因為輪胎內(nèi)產(chǎn)生了少量變形形成一定厚度的彈性形變材料而具有減震性。2.3制動能量制動能量是由摩擦元件產(chǎn)生的熱量，是汽車在下坡時需要一定時間才能釋放出來。在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)中，汽車的動能是由機械能轉(zhuǎn)化而來，而將其轉(zhuǎn)換成為電能則需要一定得時間。由于能量存儲裝置和傳動機構都是采用摩擦發(fā)熱來實現(xiàn)熱量傳遞。所以當車輛經(jīng)過坡道或者后輪拖動時都會產(chǎn)生大量消耗掉制動器所需動力資源且效率很低、耗電量大等問題；同時在剎車之后還存在著一個輔助能源-電力儲能(EPS)，它是通過將電能轉(zhuǎn)化為動能而不是儲存起來的能量存儲裝置和傳動機構。2.3.1制動時間制動時間汽車在下坡的時候，需要一定的剎車距離，以確保車輛能有足夠充分和適當?shù)乃俣刃旭?。而制動能量是由發(fā)動機產(chǎn)生能量的產(chǎn)生是由于制動器與傳動系統(tǒng)之間存在摩擦，使汽車在下坡行駛過程中維持一定車速，但如果不能有效利用這些熱量則會導致剎車距離過短汽車制動時，車輛的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使摩擦面中產(chǎn)生大量變形，從而導致了能量損失。第3章制動系統(tǒng)能量回收方案設計3.1概述電動汽車制動系統(tǒng)的性能直接關系到車輛在行駛過程中安全與否，因此需要對其進行研究。目前的主要有兩種類型：一種是機械式液壓制動器；另一種就是氣動式液壓(也稱雙作用)和電氣方式下電控開關。由于這兩類裝置結構簡單、造價低廉且安裝方便等優(yōu)點而被廣泛使用著.其中機械式制動器又分為兩部分，即氣壓盤管和鼓輪盤管，后者則包括電動液力剎車系統(tǒng)及電磁離合閘機構而電控液壓制動器又分為兩種類型：雙作用式和全動式汽車制動系統(tǒng)的機械式液壓制動器是利用駕駛員在駕駛時踩剎車踏板產(chǎn)生的離合與慣性力來實現(xiàn)控制。這種方式能讓司機有很大程度上得自由度，可以使汽車保持平穩(wěn)，而且還具有較大地剛度，但是它對環(huán)境和行駛條件都不太敏感。3.1.1制動系統(tǒng)組成制動系統(tǒng)主要由控制元件、執(zhí)行部件和輔助部分組成。(1)控制系統(tǒng)是指通過駕駛員操作指令來實現(xiàn)對汽車的制動。控制機構包括：行車按鈕，安全鉗，限位開關，緊急停止裝置等；(2)操縱組件是用來完成車輛在行駛中對于車速以及方向所施加到車輪上的力矩大小變化而形成制動信號輸出設備主要由液壓系統(tǒng)和氣壓傳動機構組成；(3)輔助部分是用于使駕駛員能夠根據(jù)駕駛過程當中出現(xiàn)的意外情況對汽車進行控制在制動的過程當中，駕駛員要根據(jù)駕駛操作指令，對于汽車進行一些動作，比如說踩剎車或換方向。3.1.2制動系統(tǒng)能量回收方法圖SEQ表\*ARABIC1-2能量回收方式能量回收方法主要有以下幾種：1.利用電動汽車蓄電池來進行制動。因為其本身具有的獨特優(yōu)點，我們可以通過對制動系統(tǒng)內(nèi)部結構和外部負載等因素的考慮，將其在整個傳動裝置中所占比重降低。這樣就會使整個驅(qū)動橋得到更加合理化、緊湊性以及輕量化；同時也能夠減少電機功率消耗從而達到節(jié)能減排目的；還能提高能量回收率并延長循環(huán)時間來實現(xiàn)汽車自身動力性能上更好地自愈好。2.利用電動汽車用電機來進行制動。因為其本身的優(yōu)點，我們可以將它和蓄電池配合使用，這樣就能使整個驅(qū)動橋得到更多能量。3.采用電動機作為動力源來對再生制動過程加以回收并再次循環(huán)使用通過以上各種方法都能夠達到理想效果的目的：一是提高了系統(tǒng)效率并且減少了成本；二是在一定程度上降低了能源消耗量從而節(jié)約資源、保護環(huán)境；三是還可以減輕污染和浪費制動系統(tǒng)是電動汽車的重要組成部分，它在整個傳動裝置中占據(jù)非常大比重。而其能量回收過程也對電動車進行再生制動有著很大的影響，所以我們要充分利用好這一系列措施。3.2系統(tǒng)能量回收裝置能量回收裝置主要是由電動機、減速器和動力電池組成，其工作原理如下：(1)電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本功能就是將發(fā)動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換成電能。(2)動力制動系通過控制內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速達到減速汽車速度調(diào)節(jié)目的；(3)在汽車行進過程中，由于外界環(huán)境因素影響而使蓄電池組容量不能充分發(fā)揮作用時進行能量補充或停止充電操作后再使用就可以避免了對電動車輛造成損壞當電動機帶動動力制動器工作時，在其驅(qū)動力作用下，電機的動能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過控制器控制電路使發(fā)電機和傳動系統(tǒng)中產(chǎn)生電流。第4章制動能量回收系統(tǒng)的分析4.1制動能量回收理論基礎圖SEQ圖\*ARABIC1-3能量回收原理汽車制動能量回收的主要來源是來自于各種可再生資源，例如蓄電池、電動勢場效應管等。(1)儲能裝置：目前世界各國對儲存和分配電能都有很多辦法。比如美國通過建立超級電容存儲系統(tǒng)來提高其發(fā)電容量；日本則將其運用于充電寶以及電表上，而我國還處于起步階段。(2)電機制動能量回收技術：由于汽車的行駛車速很快且在下坡時需要頻繁啟動并消耗大量能源所以目前世界各國都在研究如何高效回收電能量。制動系統(tǒng)的效率主要體現(xiàn)在其再生能量能否得到充分利用。汽車行駛過程中需要頻繁停車，因此必須采用各種措施使車輛減速或剎車時產(chǎn)生大量熱能來維持車速穩(wěn)定運行；而當車輛停止后由于慣性作用不能及時吸收動能導致失去穩(wěn)定性并引發(fā)故障等意外事故就會造成嚴重后果甚至危及生命財產(chǎn)安全時應回收制動能量。(3)電動勢場效應管：目前世界各國都在研究如何使電池充電效率達到最優(yōu)，其主要是利用蓄電池中的電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而將動能轉(zhuǎn)換成化學能儲存起來；此外還有一些方法來儲存在電路上如地鐵、輕軌上也運用了這種技術制動能量回收主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）對蓄電池進行充分利用，提高其放電率，從而使其充電效率達到最大值。目前世界各國所采用的技術有：電磁隔離、循環(huán)再生等；(2)通過改進現(xiàn)有儲能裝置來延長充電站或在有限空間內(nèi)將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存起來并提供動力來源。4.1.1制動能量回收系統(tǒng)的確定在設計制動能量回收系統(tǒng)時，我們需要考慮到以下問題：(1)要保證車輛的安全行駛。在對電動汽車進行制動過程中，如果出現(xiàn)意外情況造成了不可彌補損失或者影響其他因素發(fā)生改變。則可以通過提高蓄電池容量來實現(xiàn)這一目的；(2)盡可能減少能源損耗和污染產(chǎn)生量；當汽車處于停車狀態(tài)下或緊急剎車狀況下時，為了能夠及時回收能量并避免其帶來危害而需要采用儲能裝置因此，在汽車制動時，必須設計一個儲能裝置來儲存能量并使其能夠及時回收。本文采用的方案是：將再生制動、升壓貯存和直接充電三種方式結合起來進行研究；其中前者為利用電池存儲電能而獲得的動能轉(zhuǎn)化成為新能源產(chǎn)生動力后再由蓄電池提供使用；后者通過改變電機定子電壓控制電動車內(nèi)部部件工作狀態(tài)，從而達到對汽車內(nèi)零部件進行儲存能量這一目的方法都屬于間接性儲能制動能量回收系統(tǒng)是指將再生制動、升壓貯存和直接充電三種方式結合起來的一種裝置。本文采用的是間接式儲能技術，即通過改變電機定子電壓控制電動車內(nèi)部部件工作狀態(tài)；在汽車行駛過程中釋放出大量電能來儲存這部分剩余電量使其能夠進行長距離傳輸以實現(xiàn)對蓄電池容量及溫度較高部位的保護效果；然后由電動機驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力后再經(jīng)過降壓貯存在整個制動系統(tǒng)之中從而達到能量回收利用制動能量回收系統(tǒng)是通過對現(xiàn)有的技術進行改造從而形成了新型高效、可靠且安全地將再生制動和升壓貯存起來作為輔助功能，并在汽車行駛過程中，利用電機定子電壓控制電動車內(nèi)部部件工作狀態(tài)；再由電動機驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電力后經(jīng)降壓裝置使其能夠儲存大部分剩余電能給需要被停止或下一輛車使用。第5章電動汽車制動系統(tǒng)的動力性能分析5.1電動汽車的動力特性電動汽車的工作過程主要是由電動機、傳動系統(tǒng)和制動器三大部分組成。其中，動力特性就是指驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩大小與輸入軸輸出角速度關系。在實際應用中一般用單位功率來表征電瓶內(nèi)氣壓變化率(即轉(zhuǎn)速)以及動力響應時間等性能指標；而對電池組來說，通常情況下只需考慮能量消耗率這一性能參數(shù)就可以表示電動汽車的效率特性：1.額定電壓、峰值電流及平均充放電次數(shù)；2.電機轉(zhuǎn)矩與制動器最大負荷之比。5.1.1電動汽車制動系統(tǒng)的動力性在電動汽車制動系統(tǒng)中，主要有液壓式、電機—液力耦合器和電動機傳動的三種形式。(1)機械式：液壓能驅(qū)動。制動時由發(fā)動機產(chǎn)生動力使車輪減速行駛至停車；機械摩擦離合器控制離合裝置來實現(xiàn)其能量儲存與傳遞；電動車作為內(nèi)燃機工作則具有很高的可靠性及穩(wěn)定性等特點。(2)氣動-氣壓式：是通過壓縮空氣、彈簧力或電磁換向閥推動活塞桿運動，從而帶動汽車輪壓緊或者松開。(3)液壓傳動：是通過壓縮空氣來驅(qū)動制動系統(tǒng)，具有較高的可靠性及穩(wěn)定性。由于目前電動汽車的發(fā)展迅速，其技術也在不斷地成熟。因此對電動車進行研究和開發(fā)勢在必行。本文主要針對機械式中傳統(tǒng)離合器、液壓助力彈簧以及電磁換向閥組成制動控制系統(tǒng)設計了一種基于單片機控制的雙回路摩擦再生裝置(ABS)來提高能量利用率并滿足市場需求，從而達到電動汽車發(fā)展快速這一目標。5.1.2動力穩(wěn)定性動力穩(wěn)定性是指電動汽車制動能量利用的性能。目前，電動汽車主要采用的是液壓式、電力驅(qū)動系統(tǒng)。在電傳動技術中，電機與電動機相比具有較高的轉(zhuǎn)矩和較大牽引力等優(yōu)點；但是其缺點也非常明顯：(1)由于摩擦損失大而導致效率低且功率因數(shù)不高；(2)動力電池工作溫度過高或過小都會對制動性能產(chǎn)生影響從而降低了能量利用率，使電動汽車不適合使用目前，動力穩(wěn)定性主要通過制動性能和能量回收來評價。在電動汽車上，當電動機工作時的動能轉(zhuǎn)化為熱能后將驅(qū)動電機運作。但這種方法會導致傳動系效率降低并且使整車重量增加；而如果采用液壓系統(tǒng)作為電傳動裝置的話則可以提高制動器的機械強度從而延長使用壽命并能有效地防止因電流過大產(chǎn)生危險事故本文研究了一種再生制動能量回收技術—動力穩(wěn)定性差和利用率低，因此我們需要從其他方面入手對其進行改進。

結論隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，汽車行業(yè)也在飛速地進步、前進。電動汽車作為一種新型交通工具，其優(yōu)點是節(jié)能環(huán)保。但是由于目前技術還不成熟完善和市場推廣等多方面原因?qū)е码娭苿酉到y(tǒng)仍存在一些缺陷：(1)電池消耗量大；傳統(tǒng)動力乘用車多采用鉛酸蓄電池進行充電或者直接更換電機驅(qū)動齒輪箱來降低耗能的同時也增加了使用電能成本、且對環(huán)境污染嚴重；電動汽車續(xù)駛里程短，需要大量電力作為能源基礎(2)電動汽車的制動性能差，需要大量電力作為動力來源，這也導致了電制動系統(tǒng)能量回收率低；目前我國使用的電池主要是鉛酸蓄電池和鋰離子蓄能。這些傳統(tǒng)能源雖然有一定優(yōu)點但其成本高且對環(huán)境造成污染嚴重。因此開發(fā)一種新型高效、環(huán)保節(jié)能型電動汽車具有重要意義并且很可能解決上述問題：(1)采用新能源作為動力來源，可以降低充電費用、提高車輛運行穩(wěn)定性以及節(jié)約資源；(2)采用新能源作為動力來源，可以降低制動系統(tǒng)的能量回收率，減少汽車排放量；(3)用電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油燃料。參考文獻[1]周翎霄.電動汽車液壓再生制動系統(tǒng)能量回收效率研究[D].