??? 摘? 要： 介紹了一種新的基于超級(jí)電容的電動(dòng)車制動(dòng)能量回收技術(shù)和裝置，裝置由機(jī)械式能量轉(zhuǎn)換裝置、超級(jí)電容蓄能裝置和升壓監(jiān)控電路3部分構(gòu)成。升壓監(jiān)控電路采用PWM斬波升壓原理實(shí)現(xiàn)了電能從超級(jí)電容緩沖器到蓄電池的回饋。對(duì)電動(dòng)車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析、建模和仿真，介紹了電動(dòng)車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的路面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明運(yùn)用該技術(shù)，能量回收率可達(dá)9%，城市路況下一次續(xù)行里程平均可提高24.6%。?

??? 關(guān)鍵詞： 制動(dòng)能量回收； 超級(jí)電容； 脈寬調(diào)制

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??? 電動(dòng)車誕生以來(lái)，其續(xù)航性能一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。除了改進(jìn)蓄能和驅(qū)動(dòng)方式外，制動(dòng)能量回收裝置是一大發(fā)展方向。制動(dòng)能量回收是指車輛制動(dòng)時(shí)，將動(dòng)能依靠發(fā)電機(jī)儲(chǔ)存在電動(dòng)車的儲(chǔ)能裝置中重新加以回收利用。現(xiàn)在大部分電動(dòng)汽車都已安裝了類似的裝置以節(jié)約制動(dòng)能、回收部分制動(dòng)動(dòng)能，為駕駛者提供常規(guī)制動(dòng)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(dòng)能量回收可增加續(xù)駛里程約20%^[2]。?

??? 使用能量回收裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)延長(zhǎng)電動(dòng)車?yán)m(xù)行里程;(2)避免類似傳統(tǒng)制動(dòng)器的抱死，減少制動(dòng)噪音;(3)延長(zhǎng)鉛酸蓄電池使用壽命，緩解其對(duì)環(huán)境的影響。?

??? 現(xiàn)有的能量回收方案通常采用直接向蓄電池充電來(lái)吸收再生制動(dòng)回饋的能量^[3-4], 其缺點(diǎn)是蓄電池難以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大功率充電以及充放電循環(huán)次數(shù)有限、成本高。目前電動(dòng)汽車領(lǐng)域已開始嘗試使用超級(jí)電容儲(chǔ)能元件進(jìn)行能量回收^[5]。超級(jí)電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件, 具有很高的功率密度, 適合用作短時(shí)間功率輸出源。具有比功率高、比能量大、一次儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)，亦可平滑動(dòng)力電池充放電電流，使動(dòng)力電池的使用壽命有較大延長(zhǎng)。現(xiàn)有方案的另一個(gè)問(wèn)題是基本都使用電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)，這對(duì)原電動(dòng)的性能要求過(guò)高且難以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩的任意調(diào)節(jié)，不符合人們對(duì)于傳統(tǒng)制動(dòng)器的操作習(xí)慣。?

1 電動(dòng)車制動(dòng)能量回收裝置設(shè)計(jì)?

1.1 能量循環(huán)工作原理?

??? 系統(tǒng)整體方案和能量循環(huán)如圖1所示，由超級(jí)電容器(28 V/3 F)、升壓監(jiān)控電路、直流發(fā)電機(jī)(額定電壓28 V)、免維護(hù)鉛酸蓄電池(36 V)、制動(dòng)手把、摩擦離合機(jī)構(gòu)組成。?

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??? 電動(dòng)車在正常運(yùn)行過(guò)程中，車載蓄電池的能量消耗于加速以及行駛阻力。制動(dòng)時(shí)，手把將切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路，同時(shí)帶動(dòng)摩擦離合機(jī)構(gòu)，將機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳至發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。顯然，制動(dòng)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(duì)其壽命產(chǎn)生影響^[6]。因此考慮使用超級(jí)電容作為能量緩沖器，通過(guò)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(jiān)控電路還能根據(jù)不同的控制策略進(jìn)行充電電壓和電流的脈寬調(diào)制，以達(dá)到保護(hù)電池延長(zhǎng)其使用壽命的目的。?

1.2 機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)簡(jiǎn)介?

??? 按功能可將電動(dòng)車制動(dòng)能量回收裝置劃分為機(jī)械能量轉(zhuǎn)化及回收與監(jiān)控電路兩大模塊。?

??? 機(jī)電能量轉(zhuǎn)化模塊使用了一套摩擦球與車輪嚙合傳動(dòng)一級(jí)升速的方案，如圖2所示。摩擦球在傳動(dòng)升速的同時(shí)一方面實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)器的離合，另一方面，通過(guò)改變轉(zhuǎn)把力度調(diào)整下壓的力量以控制彈性球的變徑比，從而改變傳動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)速度無(wú)級(jí)可控，并有效防止了升速卡死。?

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??? 另外，根據(jù)平行四邊形法則可知，離合器下壓過(guò)程中，桿組出力逐漸增大，緩解了球變形壓力的非線性。實(shí)驗(yàn)表明，制動(dòng)過(guò)程中使用者不會(huì)感到轉(zhuǎn)把扭力的明顯變化。?

1.3 回收與監(jiān)控電路模塊設(shè)計(jì)?

??? 圖3所示為回收與監(jiān)控電路模塊。因電動(dòng)車短時(shí)間內(nèi)制動(dòng)所產(chǎn)生的電能被暫存到超級(jí)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U_DC-DC(滿足U_DC-DC>U_bat，U_bat為電池電壓)，同時(shí)使用PWM技術(shù)來(lái)適應(yīng)寬范圍的輸入電壓波動(dòng)。在微處理器(MCU)控制下，進(jìn)行回饋電壓與電流的滯環(huán)控制，同時(shí)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(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上。根據(jù)PWM原理，通過(guò)控制圖3中MOSFET1一周期內(nèi)的通斷，即可對(duì)電路的升壓比進(jìn)行調(diào)節(jié)。在理想情況下：?

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??? 如圖3所示，升壓電路輸出的U_DC-DC再經(jīng)過(guò)外部單片機(jī)和功率場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行電壓和電流滯環(huán)控制，使用的控制策略如下:?

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式中，U_out為電壓滯環(huán)控制后的輸出; Q為MOSFET 2狀態(tài)，1為開通，0為關(guān)斷; Q^-為兩開關(guān)管前一狀態(tài)，由(2)可知電路在環(huán)寬范圍內(nèi)維持原開閉狀態(tài); h為環(huán)寬; U_ref為根據(jù)鉛蓄電池充電特性曲線和能量回收策略設(shè)定的參考電壓，設(shè)定于微處理器中; I_out為反饋回路電流; I_max為反饋允許的最大電流。?

??? 最后根據(jù)蓄電池充電曲線和路況制定相應(yīng)的控制參數(shù)，一方面提高了能量回收的效率，另一方面根據(jù)放電深度的不同選擇U_ref、h和I_max，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。?

2 系統(tǒng)建模與仿真?

??? 使用MATLAB/Simulink構(gòu)造了制動(dòng)能量回收裝置的仿真模型，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，這里對(duì)模型作以下假設(shè)：?

??? (1) 制動(dòng)過(guò)程中超級(jí)電容不對(duì)電池充電,即其中能量不會(huì)轉(zhuǎn)移到電池中。?

??? (2) 發(fā)電機(jī)為線性模型，忽略磁飽和等非線性現(xiàn)象。?

??? (3) 不考慮齒輪和帶輪上的機(jī)械能損失。?

??? (4) 假定輪與球之間的滑動(dòng)摩擦力在制動(dòng)過(guò)程中不隨摩擦球壓力變化，為恒定值。?

??? 仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中，Mech模塊為摩擦輪與車輪的機(jī)械組件。?

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??? 選擇電容初始電壓為零、電動(dòng)車轉(zhuǎn)速為160 r/min進(jìn)行仿真， 得到車輪轉(zhuǎn)速和電容電壓變化如圖5所示。?

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??? 仿真中，電動(dòng)車的最大減速度約為0.72 m/s²，其動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，后者實(shí)現(xiàn)了該制動(dòng)系統(tǒng)的能量緩存。其中存儲(chǔ)的能量由其初末電壓值確定，為此，這里對(duì)不同的電容初電壓的情況進(jìn)行了仿真分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖6所示。?

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??? 根據(jù)假設(shè)，制動(dòng)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(dòng)摩擦力，r_b為摩擦球的半徑，T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，K_t是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，ω_m為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，I_m為電動(dòng)車等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K_w為電機(jī)的電壓系數(shù)，U_c為超級(jí)電容的電壓，R_a為發(fā)電機(jī)電樞電阻, C為超級(jí)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U_int為電容初始電壓，A、B、D為常數(shù)。當(dāng)電流降為零時(shí)，制動(dòng)裝置停止向超級(jí)電容充電，滿足ω_m· K_w=U_c。?

??? 結(jié)合(3)式，在停止充電時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足A·e^-Bt+D=0。?

??? 故U_c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(guān)系。?

??? 故電容中的電勢(shì)能可以表示為：?

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??? 由于動(dòng)能E_k保持不變，效率與初末電壓理論上為二次關(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)可得電容初電壓U_int=7.26 V時(shí)系統(tǒng)達(dá)到最大效率點(diǎn)，如圖7所示。?

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??? 除了效率，需要考慮的另外一個(gè)因素是制動(dòng)加速度。隨著初電壓升高，發(fā)電機(jī)向電容充電的時(shí)間和電流都相應(yīng)減小，于是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的減速阻力矩的作用會(huì)相應(yīng)削弱，導(dǎo)致剎車效果不明顯。如圖8 所示，仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再次同時(shí)證明此結(jié)論。

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??? 綜合考慮效率和加速度的影響，可以在監(jiān)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(jìn)行了路面實(shí)驗(yàn)。?

3? 路面實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析?

??? 路面實(shí)驗(yàn)采用總重量(含負(fù)重) 110 kg的電動(dòng)車， 以初始速度約7.75 m/s在平直路面上運(yùn)行。出于對(duì)比的需要，選擇了不同制動(dòng)方式和初始電壓，多次測(cè)試平均數(shù)據(jù)如表1所示。其中純能量回收式制動(dòng)方式根據(jù)無(wú)級(jí)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑换旌现苿?dòng)即傳統(tǒng)制動(dòng)器和能量回收制動(dòng)器同時(shí)使用的制動(dòng)方式。制動(dòng)時(shí)間按車速記錄。?

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??? 如表1所示，不同制動(dòng)方式適應(yīng)場(chǎng)合不同，同時(shí)也對(duì)應(yīng)于不同的加速度和能量回收效率。相對(duì)一般偏急的純能量回收制動(dòng)模式，偏緩模式加速度較小，適用于行駛過(guò)程中的速度控制，但效率也相對(duì)較低。混合制動(dòng)適用于緊急制動(dòng)場(chǎng)合，減速效果甚至優(yōu)于傳統(tǒng)制動(dòng)器，同時(shí)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初始電壓平均為7.3 V時(shí)能量回收效率最高（達(dá)9.0 %）。?

??? 最后選擇坡度為1.5°的長(zhǎng)直坡道往復(fù)行駛，模擬城市路況實(shí)驗(yàn)。與充足電量下電動(dòng)車正常行駛里程相比，使用制動(dòng)能量回收裝置后的行駛里程平均增加了24.6 %，實(shí)驗(yàn)者反映測(cè)試過(guò)程平穩(wěn)舒適，能量回收制動(dòng)器與傳統(tǒng)制動(dòng)器協(xié)同性較好，且制動(dòng)控制器完全符合正常使用習(xí)慣。?

??? 本文介紹了一種在PWM控制下結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)與超級(jí)電容蓄能優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)車制動(dòng)能量回收技術(shù)。新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)使制動(dòng)加速度可控，同時(shí)確保不會(huì)卡死；而超級(jí)電容和能量回饋電路的使用是本方案的核心。一方面實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換緩沖，另一方面在電能監(jiān)控下合理配置電壓電流滯環(huán)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了回收策略的優(yōu)化，有助于延長(zhǎng)電池壽命。制動(dòng)能量回收裝置的理論分析和仿真指出了效率最優(yōu)的回收策略。最后，開展了路面實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置的實(shí)用性和理論最佳回收策略。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)分析，一次能量回收率可以達(dá)到9 %，城市路況下一次續(xù)行里程平均提高24.6 %。?

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