纯电动汽车液压再生制动能量回收系统的研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

制动再生系统就是指汽车的制动能量回收再利用，有多种能量回收形式，如电能量回收、液压能量回收等。在纯电动汽车中，使用电机再生制动系统进行能量回收有显著效果 ，但是还存在-些缺点 ：①电储能由于能量密度低，回收制动能量的能力有限，影响了电动汽车的续驶里程；②电机再生制动属于电子系统 ，由于制动因素较多，运行可靠性比机械动力系统低口 。在纯电动汽车中采用液压制动能量回收，由于液压能量回收功率密度比电能量回收要高 ]，同等条件下，能在相同时间内回收和释放更多的能量 ，即能较好地提高电动汽车续驶里程。此外，采用液压能量回收对汽车动力传动系统改动较小，相对于电能量回收控制环节相对简单，可靠性更高。

目前，国外研究开发的液压节能汽车有不同的形式，依据其动力传动系统配置及组合方式的不同，主要可分为：①串联结构形式，典型代表是美国EPA的收稿日期：2013-叭-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(51145015)作者简介：周翎霄(1989-)，男，浙江衢州人，主要从事液压制动能量回收方面的研究工作.E-mail：282809692###qq.corn通信联系人：宁晓斌，男，剐教授，硕士生导师.E-mail：nxb###zjut.edu.cn第6期 周翎霄，等 ：纯电动汽车液压再生制动能量回收系统的研究 ·665 ·全液压混合动力系统口 ，其结构简单 ，容易实现对系统不同参数的控制；②并联结构形式，如瑞典Volvo公司的Cumulo驱动系统 ，它对汽车改动较小，能量利用率高；③混联结构形式，如日本上世纪90年代研发的定压源(constant pressure source，CPS)液压驱动系统，由于其节能效果好，结构简单，已成为目前汽车能量回收系统的主要形式之-5]。CPS系统通过发动机和飞轮的混合驱动为系统提供动力，采用定压源液压系统进行能量传递。

本研究将采用后置式并联结构，提出定压源飞轮液压再生制动系统。该系统能量利用率高，控制环节较为简单，汽车动力系统改动小，成本相对较低。

1 电动汽车液压再生制动系统根据CPS的特点，本研究提出了电动汽车再生制动液压系统方案(简称ECPS)，与动力系统进行并联，确定 了传动系统方案为后置型并联式驱动系统。

7图1 ESPS液压系统结构图1-油箱；2-单向阀；3-与驱动桥相连的变量泵/马达；4-压力计；5-与飞轮相连的变量泵/马达 ；6--离合 器；7-飞轮 ；8-三位四通换向阀；9-蓄能器；lO-溢流阀；1l-总离合器图1中，汽车在减速制动行驶时，连接驱动轮的泵/马达(3)作为泵工作，产生的阻力通过传动系对车轮进行制动，同时将汽车制动的机械能转化为液压能，回收制动时的能量。制动力的大小通过调节3的排量来实现。高压油经过3的上方出口到连接飞轮的泵/马达(5)中，离合器(6)连接飞轮(7与5)，5此时作为马达带动飞轮转动，将液压能转化为飞轮的动能储存起来。

如果汽车回收的能量大于飞轮设定的最大动能时，离合器断开。此时电磁换向阀8通电，多余的能量储存到蓄能器中，如果超过系统压力上限值，将通过溢流阀将剩余的能量释放。汽车在加速行驶时，泵/马达(3)作为马达工作，消耗高压油为车轮提供动力，系统压力降低。此时由飞轮和蓄能器提供动力。泵/马达(5)作为泵工作，使系统压力保持到-定程度，高压油经过5的下方出口到3下方人口。当飞轮的转速到容许的最低转速时，离合器(6)和连接传动系的总离合器(11)断开，ECPS系统不提供动力。蓄能器(9)防止系统压力波动太大，保持系统压力的基本恒定。

2 EPCS再生制动系统原理性试验该试验验证了ECPS再生制动能量回收系统的能量回收效率，试验标准以整车系统所能提供最大制动扭矩的1/16～1/8为计算标准。ECPS等效原理试验的试验装置构成如图2所示。

图2 液压再生制动系统试验装置不意图1- 电磁 离合器；2-飞轮 ；3-油箱；4- 变量泵/马达；5-压力计 ；6-单向阀；7～节流 阀；8-液压蓄能器；9-溢流阀；10-轮速传感器其等效原理为：当电机驱动飞轮，飞轮与电机之间的离合器断开后，此时飞轮相当于供能元件 ，为液压系统提供能量。泵/马达作为泵工作 ，回收制动能量，将机械能转化为液压能储存到蓄能器中，直至飞轮停转；当蓄能器作压力稳定后开始释放能量，泵/马达作为马达工作，将液压能转化为机械能储存到飞轮中。飞轮作为储能元件，在实际纯电动汽车中，与液压系统-起和电动力系统并联布置于车身底盘。其对应的过程分别为汽车在加速时的行驶工况和汽车在制动时的行驶工况。本研究以泵/马达的排量为实验变量，分别测得蓄能器最终压力与飞轮最终转速，计算得到蓄能器储能效率、飞轮储能效率和液压再生制动系统的能量利用率，试验结果如表 1所示。

图3 ECPS试验装置1-电机；2-转速表；3-飞轮4-变量泵/马达；5-油箱；6蓄能器；7-电磁 离合器；8-转速传感器；9-管道 ；1 压力袁2.1 试验研究当液压泵/马达的排量为5 L时，根据图3，接合飞轮与电机的离合器1，断开柱塞泵/马达(4)与飞轮的离· 666 · 机 电 工 程 第30卷合器，关闭节流阀，电机将飞轮的转速驱动到1 500 r/rain后，转速稳定 1 min。然后连接柱塞泵/马达与飞轮的离合器，断开 1，此时4作为泵工作，将系统高压油储存在蓄能器中。飞轮停转时 ，蓄能器压力为 3.61MPa。蓄能器储存的能量E ：3 638 J，系统初始动能E。7 395 J，蓄能器的回收效率 7。49.2%。

改变泵/马达排量，按照同样试验方法，测得其他7组数据结果如表1所示。

当蓄能器的压力3.61 MPa稳定之后 ，打开节流阀，将飞轮与柱塞泵/马达4的离合器接合，断开 1，利用蓄能器储存的能量驱动飞轮转动，此时4作为马达工作，轮速传感器记录飞轮在该过程中达到的最高转速为755 r/rain，飞轮的动能 E：1 784 J，飞轮的能量回收效率为51.5%。

飞轮的最终动能与最初动能的比值，即为液压再生制动系统总的能量利用率 ，计算公式如下：卵： ：25 叼 %按照同样试验方法，测得的其他6组数据结果如表 1所示。

2.2 试验结果分析试验结果表明：液压泵/马达的排量不同，蓄能器和飞轮最终回收的能量以及回收效率是不同的，排量越大则回收的能量越多。但当泵/马达排量高于-定值的时候 ，由于泵/马达上的阻力增加，液压制动能量回收系统能量回收效率会下降；此外，数据表明蓄能器的能量回收效率低于飞轮的回收效率。液压系统各元件之间需要良好的匹配才能获得最优的能量回收效果。

3 系统仿真分析系统仿真分析基于如图1所示的液压再生制动能量回收系统，本研究在 AMESim上建立了仿真所需的整车系统模型。整车仿真模型如图4所示，其中液压能量回收系统如图5所示∝制系统的参数分为加速控制参数和制动控制参数，控制类型为PID控制随 。

图4 带液压再生制动系统的整车动力传动系统的仿真模型油箱图5 ECPS液压系统模型本研究以某款电动汽车为研究平台，确定液压再生装置系统参数。①变量泵冯达，假设车辆直线行驶，泵/马达单独驱动，泵冯达排量计算后得出。②确定飞轮尺寸参数为：飞轮半径250 mm，飞轮厚度30 mm，飞轮最高转速2 500 r/min。③液压蓄能器，由于系统压力基本恒定，在20 MPa～25 MPa之间波动。本研究选择蓄能器最小充气压力为1 8 MPa[9]，计算出蓄能器的总容积为1O L。

3.1 复合再生制动系统的制动工况根据如图4所示的仿真模型和计算得到的整车仿真参数 ，本研究对车辆进行制动工况的仿真。满载时汽车的行驶工况：蓄能器初始压力设定18 MPa，混合电动汽车在20 S内加速至50 km/h，30 s时开始制动停车。仿真 目的是验证ECPS系统及其控制系统的可行性；改变泵/马达排量，计算不同泵/马达排量下系统的制动能量回收效率，并与相应试验结果作对比。当制动强度为0< ≤0.3时，仿真结果如图6所示。

第6期 周翎霄，等：纯电动汽车液压再生制动能量回收系统的研究 ·667 -O 5 lO l5 20 25 3O 35 40 45t/s(a)车速对比图x lO'0 5 10 15 20 25 30 35 40 45tls(b)后轴扭矩图6 0< ≤0.3时汽车制动工况当制动强度 0

后轴扭矩之和在0 30 s时为电机扭矩，在3O s～45 s时为二次元件扭矩乘以传动比之后的扭矩。

泵/马达排量在75 L～145 L之间变化时，飞轮的转速变化情况如图7所示。

×l0 5 10 15 2O 25 30 35 40 45t/s图7 飞轮的转速变化由图7可知，飞轮的转速受到泵/马达排量大小的影响。当泵/马达排量较小时，飞轮转速随着排量的增大而增加，储存的能量也越多；当泵/马达排量高于-定值的时候，飞轮会随着泵/马达排量的增加而转速降低，回收的能量也在减少。由飞轮的转速变化可以得到飞轮储存能量的大小，根据汽车的初始动能可以求得液压再生制动系统的能量回收效率，其结果如表2所示。

表2 液压再生制动系统能量回收效率如图6(a)所示，仿真工况由加速和制动两个工况组成，分别对应ECPS系统释放能量和回收制动能量的过程。由于试验参数为整车仿真参数按照-定比例缩放所得 ，本研究在仿真过程中和试验过程中将泵/马达排量作为变量，可分别得到泵/马达排量对再生制动系统能量利用率的影响(分别如表2和表 1中的ECPS系统的能量利用率所示)，试验结果与仿真结果可以相互验证。在试验中，泵/马达变量变化范围为5 L～l5 L；在仿真研究中，泵/马达变量变化范围为75 L-145 L。

通过对比表 1和表2可得，当泵/马达排量较小时，飞轮转速随着排量的增大而增加 ，储存的能量也越多；当泵/马达排量高于-定值的时候(在表1试验中，这个值为11 L左右；在表2仿真时，这个值为125 L左右)，飞轮会随着泵/马达排量的增加而转速降低，回收的能量也在减少。主要原因是由于泵/马达上的阻力增加，高于-定值后能量回收效率会下降，说明二次元件的参数需要良好的匹配才能获得最优的能量回收效果。

该试验虽然可以验证系统能回收制动时部分能量(如表 l所示 ，ECPS系统的能量利用率最高为30%左右)，但是能量回收效率与仿真结果有-定差距(如表2所示，ECPS系统的能量利用率最高为75%左右)，其主要原因为：①飞轮高速转动过程中空气阻力与轴承阻力造成能量损耗，在低速转动时，轴承阻力占能量损耗的比例较大；②高压管路存在泄露，节流阀调节为人工调节，存在-定误差；③各液压元件需要优化匹配。

3.2 复合再生制动系统的循环工况仿真为了检验ECPS系统的能量回收效果 ，本研究按照GB/T 18386-2005中的里规定的市区循环工况仿真(ECE-15工况)进行工况仿真 ，进行800 S的城市工况仿真。系统仿真结果如图8所示。

4 2 O 8 6 4 2 O f-s自0 0 O 0 O ∞-日.苔∞ 枷 锄- Ⅲ日.'I· 668 · 机 电 工 程 第30卷营暮0 100 20o 300 4OO 50o 600 700 800tIs(a)循环l：况速度对比0 l0o 20o 300 4OO 500 6OO 700 800tIs(b)蓄电池放电深度对比35Oloo5。

Ots(c)电机输出扭矩对比llS(d)系统压力对比图8 ECE-15循环工况仿真结果由图8(a)可知，电液混合汽车的速度曲线已基本接近ECE-15工况的速度曲线，表明ECPS系统的制动效能稳定。

由图8(b)可知 ，ECPS电液混合动力汽车的放电深度比纯电动汽车中要低(ECPS电液混合动力汽车的放 电深度为 5.11%，纯 电动汽车 的放 电深度为6.88%)，蓄电池的寿命也得到相应提高。如按百分比进行计算，ECPS电液混合动力汽车相比纯电动汽车，续驶里程能提高大约25%左右。

由图8(C)可知 ，ECPS电液混合汽车电机负载与负载变化较小，电机基本工作在额定转矩左右，很少需要峰值转矩输出；由图8(d)可知，ECPS系统的系统压力稳定，液压元件避免受到高压的冲击，系统动态性能好。

4 结束语为了提高纯电动汽车制动时的再生制动能量回收效率，本研究提出了定压源飞轮液压再生制动系统。

研究结果表明，采用ECPS电液混合动力汽车，相对于不带ECPS的电动汽车，续驶里程提高了25%左右；由于电机负载减小，蓄电池放电深度降低，蓄电池的寿命也得以延长；影响ECPS制动能量回收效率的主要因素是泵/马达的排量，针对在各种制动强度下如何控制泵/马达的排量，以实现能量高效回收，该研究结果具有借鉴价值。