??? 摘? 要： 介紹了一種新的基于超級電容的電動車制動能量回收技術和裝置，裝置由機械式能量轉換裝置、超級電容蓄能裝置和升壓監控電路3部分構成。升壓監控電路采用PWM斬波升壓原理實現了電能從超級電容緩沖器到蓄電池的回饋。對電動車制動能量回收系統進行了理論分析、建模和仿真，介紹了電動車制動能量回收系統的路面實驗。實驗表明運用該技術，能量回收率可達9%，城市路況下一次續行里程平均可提高24.6%。?
??? 關鍵詞： 制動能量回收； 超級電容； 脈寬調制
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??? 電動車誕生以來，其續航性能一直是人們關注的重點。除了改進蓄能和驅動方式外，制動能量回收裝置是一大發展方向。制動能量回收是指車輛制動時，將動能依靠發電機儲存在電動車的儲能裝置中重新加以回收利用。現在大部分電動汽車都已安裝了類似的裝置以節約制動能、回收部分制動動能，為駕駛者提供常規制動性能[1]。研究表明，在行駛工況變化比較頻繁的路段，采用制動能量回收可增加續駛里程約20%[2]。?
??? 使用能量回收裝置有如下優點：(1)延長電動車續行里程;(2)避免類似傳統制動器的抱死，減少制動噪音;(3)延長鉛酸蓄電池使用壽命，緩解其對環境的影響。?
??? 現有的能量回收方案通常采用直接向蓄電池充電來吸收再生制動回饋的能量[3-4], 其缺點是蓄電池難以實現短時間大功率充電以及充放電循環次數有限、成本高。目前電動汽車領域已開始嘗試使用超級電容儲能元件進行能量回收[5]。超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件, 具有很高的功率密度, 適合用作短時間功率輸出源。具有比功率高、比能量大、一次儲能多等優點，亦可平滑動力電池充放電電流，使動力電池的使用壽命有較大延長。現有方案的另一個問題是基本都使用電動機再生制動，這對原電動的性能要求過高且難以實現制動力矩的任意調節，不符合人們對于傳統制動器的操作習慣。?
1 電動車制動能量回收裝置設計?
1.1 能量循環工作原理?
??? 系統整體方案和能量循環如圖1所示，由超級電容器(28 V/3 F)、升壓監控電路、直流發電機(額定電壓28 V)、免維護鉛酸蓄電池(36 V)、制動手把、摩擦離合機構組成。?
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??? 電動車在正常運行過程中，車載蓄電池的能量消耗于加速以及行駛阻力。制動時，手把將切斷電機驅動回路，同時帶動摩擦離合機構，將機械運動傳至發電機，實現機械能到電能的轉化。顯然，制動瞬間將形成很大的電樞電流，如果直接反饋回蓄電池容易對其壽命產生影響[6]。因此考慮使用超級電容作為能量緩沖器，通過Boost斬波升壓電路將電容中的電能逐步泵升回蓄電池。回收監控電路還能根據不同的控制策略進行充電電壓和電流的脈寬調制，以達到保護電池延長其使用壽命的目的。?
1.2 機械能轉換系統簡介?
??? 按功能可將電動車制動能量回收裝置劃分為機械能量轉化及回收與監控電路兩大模塊。?
??? 機電能量轉化模塊使用了一套摩擦球與車輪嚙合傳動一級升速的方案，如圖2所示。摩擦球在傳動升速的同時一方面實現了制動器的離合，另一方面，通過改變轉把力度調整下壓的力量以控制彈性球的變徑比，從而改變傳動速度，實現制動速度無級可控，并有效防止了升速卡死。?
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??? 另外，根據平行四邊形法則可知，離合器下壓過程中，桿組出力逐漸增大，緩解了球變形壓力的非線性。實驗表明，制動過程中使用者不會感到轉把扭力的明顯變化。?
1.3 回收與監控電路模塊設計?
??? 圖3所示為回收與監控電路模塊。因電動車短時間內制動所產生的電能被暫存到超級電容中，因此本模塊使用Boost斬波升壓電路將電容電壓變換到UDC-DC(滿足UDC-DC>Ubat，Ubat為電池電壓)，同時使用PWM技術來適應寬范圍的輸入電壓波動。在微處理器(MCU)控制下，進行回饋電壓與電流的滯環控制，同時將能量回收利用狀況輸出到顯示界面。 ?
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??? 升壓電路使用了MAX668 PWM控制器。MAX668是MAXIM公司的PWM控制芯片，具有輸入電壓范圍廣、低功耗的特點，轉換效率可達90%以上。根據PWM原理，通過控制圖3中MOSFET1一周期內的通斷，即可對電路的升壓比進行調節。在理想情況下：?
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??? 如圖3所示，升壓電路輸出的UDC-DC再經過外部單片機和功率場效應管進行電壓和電流滯環控制，使用的控制策略如下:?
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式中，Uout為電壓滯環控制后的輸出; Q為MOSFET 2狀態，1為開通，0為關斷; Q-為兩開關管前一狀態，由(2)可知電路在環寬范圍內維持原開閉狀態; h為環寬; Uref為根據鉛蓄電池充電特性曲線和能量回收策略設定的參考電壓，設定于微處理器中; Iout為反饋回路電流; Imax為反饋允許的最大電流。?
??? 最后根據蓄電池充電曲線和路況制定相應的控制參數，一方面提高了能量回收的效率，另一方面根據放電深度的不同選擇Uref、h和Imax，有利于延長電池的使用壽命。?
2 系統建模與仿真?
??? 使用MATLAB/Simulink構造了制動能量回收裝置的仿真模型，為簡化起見，這里對模型作以下假設：?
??? (1) 制動過程中超級電容不對電池充電,即其中能量不會轉移到電池中。?
??? (2) 發電機為線性模型，忽略磁飽和等非線性現象。?
??? (3) 不考慮齒輪和帶輪上的機械能損失。?
??? (4) 假定輪與球之間的滑動摩擦力在制動過程中不隨摩擦球壓力變化，為恒定值。?
??? 仿真模型的結構如圖4 所示。其中，Mech模塊為摩擦輪與車輪的機械組件。?
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??? 選擇電容初始電壓為零、電動車轉速為160 r/min進行仿真， 得到車輪轉速和電容電壓變化如圖5所示。?
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??? 仿真中，電動車的最大減速度約為0.72 m/s2，其動能有效地轉化為電勢能存儲在超級電容中，后者實現了該制動系統的能量緩存。其中存儲的能量由其初末電壓值確定，為此，這里對不同的電容初電壓的情況進行了仿真分析，并與實驗結果對比，如圖6所示。?
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??? 根據假設，制動能量回收裝置滿足如下方程組:?
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式中，f為球與輪之間的滑動摩擦力，rb為摩擦球的半徑，Te為電磁轉矩，Kt是電機的轉矩系數，ωm為電機的轉速，Im為電動車等效轉動慣量，Kw為電機的電壓系數，Uc為超級電容的電壓，Ra為發電機電樞電阻, C為超級電容容值，I為電容緩沖回路電流。?
??? 整理得微分方程:?
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??? 由上式可解得
其中Uint為電容初始電壓，A、B、D為常數。當電流降為零時，制動裝置停止向超級電容充電，滿足ωm· Kw=Uc。?
??? 結合(3)式，在停止充電時，應當滿足A·e-Bt+D=0。?
??? 故Uc的最終電壓為：?
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??? 由此可知，電容的初末電壓滿足線性關系。?
??? 故電容中的電勢能可以表示為：?
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??? 由于動能Ek保持不變，效率
與初末電壓理論上為二次關系，且由于k≤1，故能量回收效率在某初電壓可取得最大值。本文選取k=0.697 1，b=5.354 9，由仿真和實驗結果證實可得電容初電壓Uint=7.26 V時系統達到最大效率點，如圖7所示。?
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??? 除了效率，需要考慮的另外一個因素是制動加速度。隨著初電壓升高，發電機向電容充電的時間和電流都相應減小，于是發電機產生的減速阻力矩的作用會相應削弱，導致剎車效果不明顯。如圖8 所示，仿真和實驗數據再次同時證明此結論。
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??? 綜合考慮效率和加速度的影響，可以在監控電路的控制策略中選擇能量回饋電路的開啟電壓并控制回饋的合理速度范圍。基于這一理論的最佳回收策略進行了路面實驗。?
3? 路面實驗及實驗結果分析?
??? 路面實驗采用總重量(含負重) 110 kg的電動車， 以初始速度約7.75 m/s在平直路面上運行。出于對比的需要，選擇了不同制動方式和初始電壓，多次測試平均數據如表1所示。其中純能量回收式制動方式根據無級變速器變速比分為急(最高變速比×100 %)、緩(最高變速比×50 %)兩種實驗模式；混合制動即傳統制動器和能量回收制動器同時使用的制動方式。制動時間按車速記錄。?
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??? 如表1所示，不同制動方式適應場合不同，同時也對應于不同的加速度和能量回收效率。相對一般偏急的純能量回收制動模式，偏緩模式加速度較小，適用于行駛過程中的速度控制，但效率也相對較低。混合制動適用于緊急制動場合，減速效果甚至優于傳統制動器，同時也能得到少量能量回饋。值得指出的是,減速效果與仿真分析及實驗室測試數據基本一致，實驗系統初始電壓平均為7.3 V時能量回收效率最高（達9.0 %）。?
??? 最后選擇坡度為1.5°的長直坡道往復行駛，模擬城市路況實驗。與充足電量下電動車正常行駛里程相比，使用制動能量回收裝置后的行駛里程平均增加了24.6 %，實驗者反映測試過程平穩舒適，能量回收制動器與傳統制動器協同性較好，且制動控制器完全符合正常使用習慣。?
??? 本文介紹了一種在PWM控制下結合機械傳動與超級電容蓄能優勢的電動車制動能量回收技術。新穎的機械結構使制動加速度可控，同時確保不會卡死；而超級電容和能量回饋電路的使用是本方案的核心。一方面實現了能量轉換緩沖，另一方面在電能監控下合理配置電壓電流滯環參數，實現了回收策略的優化，有助于延長電池壽命。制動能量回收裝置的理論分析和仿真指出了效率最優的回收策略。最后，開展了路面實驗，驗證了裝置的實用性和理論最佳回收策略。根據初步實驗分析，一次能量回收率可以達到9 %，城市路況下一次續行里程平均提高24.6 %。?
參考文獻?
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