基于超级电容的电动车制动能量回收技术研究
作者：杨 寅， 熊 鹏， 陈统卓， 陈
发布日期：2009-06-16
摘 要： 介绍了一种新的基于超级电容的电动车制动能量回收技术和装置，装置由机械式能量转换装置、超级电容蓄能装置和升压监控电路3部分构成。升压监控电路采用PWM斩波升压原理实现了电能从超级电容缓冲器到蓄电池的回馈。对电动车制动能量回收系统进行了理论分析、建模和仿真，介绍了电动车制动能量回收系统的路面实验。实验表明运用该技术，能量回收率可达9%，城市路况下一次续行里程平均可提高24.6%。
关键词： 制动能量回收； 超级电容； 脉宽调制
电动车诞生以来，其续航性能一直是人们关注的重点。除了改进蓄能和驱动方式外，制动能量回收装置是一大发展方向。制动能量回收是指车辆制动时，将动能依靠发电机储存在电动车的储能装置中重新加以回收利用。现在大部分电动汽车都已安装了类似的装置以节约制动能、回收部分制动动能，为驾驶者提供常规制动性能[1]。研究表明，在行驶工况变化比较频繁的路段，采用制动能量回收可增加续驶里程约20%[2]。
使用能量回收装置有如下优点：(1)延长电动车续行里程;(2)避免类似传统制动器的抱死，减少制动噪音;(3)延长铅酸蓄电池使用寿命，缓解其对环境的影响。
现有的能量回收方案通常采用直接向蓄电池充电来吸收再生制动回馈的能量[3-4], 其缺点是蓄电池难以实现短时间大功率充电以及充放电循环次数有限、成本高。目前电动汽车领域已开始尝试使用超级电容储能元件进行能量回收[5]。超级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件, 具有很高的功率密度, 适合用作短时间功率输出源。具有比功率高、比能量大、一次储能多等优点，亦可平滑动力电池充放电电流，使动力电池的使用寿命有较大延长。现有方案的另一个问题是基本都使用电动机再生制动，这对原电动的性能要求过高且难以实现制动力矩的任意调节，不符合人们对于传统制动器的操作习惯。
1 电动车制动能量回收装置设计
1.1 能量循环工作原理
系统整体方案和能量循环如图1所示，由超级电容器(28 V/3 F)、升压监控电路、直流发电机(额定电压28 V)、免维护铅酸蓄电池(36 V)、制动手把、摩擦离合机构组成。
电动车在正常运行过程中，车载蓄电池的能量消耗于加速以及行驶阻力。制动时，手把将切断电机驱动回路，同时带动摩擦离合机构，将机械运动传至发电机，实现机械能到电能的转化。显然，制动瞬间将形成很大的电枢电流，如果直接反馈回蓄电池容易对其寿命产生影响[6]。因此考虑使用超级电容作为能量缓冲器，通过Boost斩波升压电路将电容中的电能逐步泵升回蓄电池。回收监控电路还能根据不同的控制策略进行充电电压和电流的脉宽调制，以达到保护电池延长其使用寿命的目的。
1.2 机械能转换系统简介
按功能可将电动车制动能量回收装置划分为机械能量转化及回收与监控电路两大模块。
机电能量转化模块使用了一套摩擦球与车轮啮合传动一级升速的方案，如图2所示。摩擦球在传动升速的同时一方面实现了制动器的离合，另一方面，通过改变转把力度调整下压的力量以控制弹性球的变径比，从而改变传动速度，实现制动速度无级可控，并有效防止了升速卡死。
另外，根据平行四边形法则可知，离合器下压过程中，杆组出力逐渐增大，缓解了球变形压力的非线性。实验表明，制动过程中使用者不会感到转把扭力的明显变化。
1.3 回收与监控电路模块设计
图3所示为回收与监控电路模块。因电动车短时间内制动所产生的电能被暂存到超级电容中，因此本模块使用Boost斩波升压电路将电容电压变换到UDC-DC(满足UDC-DC>Ubat，Ubat为电池电压)，同时使用PWM技术来适应宽范围的输入电压波动。在微处理器(MCU)控制下，进行回馈电压与电流的滞环控制，同时将能量回收利用状况输出到显示界面。
升压电路使用了MAX668 PWM控制器。MAX668是MAXIM公司的PWM控制芯片，具有输入电压范围广、低功耗的特点，转换效率可达90%以上。根据PWM原理，通过控制图3中MOSFET1一周期内的通断，即可对电路的升压比进行调节。在理想情况下：
如图3所示，升压电路输出的UDC-DC再经过外部单片机和功率场效应管进行电压和电流滞环控制，使用的控制策略如下:
式中，Uout为电压滞环控制后的输出; Q为MOSFET 2状态，1为开通，0为关断; Q-为两开关管前一状态，由(2)可知电路在环宽范围内维持原开闭状态; h为环宽; Uref为根据铅蓄电池充电特性曲线和能量回收策略设定的参考电压，设定于微处理器中; Iout为反馈回路电流; Imax为反馈允许的最大电流。
最后根据蓄电池充电曲线和路况制定相应的控制参数，一方面提高了能量回收的效率，另一方面根据放电深度的不同选择Uref、h和Imax，有利于延长电池的使用寿命。
2 系统建模与仿真
使用MATLAB/Simulink构造了制动能量回收装置的仿真模型，为简化起见，这里对模型作以下假设：
(1) 制动过程中超级电容不对电池充电,即其中能量不会转移到电池中。
(2) 发电机为线性模型，忽略磁饱和等非线性现象。
(3) 不考虑齿轮和带轮上的机械能损失。
(4) 假定轮与球之间的滑动摩擦力在制动过程中不随摩擦球压力变化，为恒定值。
仿真模型的结构如图4 所示。其中，Mech模块为摩擦轮与车轮的机械组件。
选择电容初始电压为零、电动车转速为160 r/min进行仿真， 得到车轮转速和电容电压变化如图5所示。
仿真中，电动车的最大减速度约为0.72 m/s2，其动能有效地转化为电势能存储在超级电容中，后者实现了该制动系统的能量缓存。其中存储的能量由其初末电压值确定，为此，这里对不同的电容初电压的情况进行了仿真分析，并与实验结果对比，如图6所示。
根据假设，制动能量回收装置满足如下方程组:
式中，f为球与轮之间的滑动摩擦力，rb为摩擦球的半径，Te为电磁转矩，Kt是电机的转矩系数，ωm为电机的转速，Im为电动车等效转动惯量，Kw为电机的电压系数，Uc为超级电容的电压，Ra为发电机电枢电阻, C为超级电容容值，I为电容缓冲回路电流。
整理得微分方程:
由上式可解得
其中Uint为电容初始电压，A、B、D为常数。当电流降为零时，制动装置停止向超级电容充电，满足ωm· Kw=Uc。
结合(3)式，在停止充电时，应当满足A·e-Bt+D=0。
故Uc的最终电压为：
由此可知，电容的初末电压满足线性关系。
故电容中的电势能可以表示为：
由于动能Ek保持不变，效率
与初末电压理论上为二次关系，且由于k≤1，故能量回收效率在某初电压可取得最大值。本文选取k=0.697 1，b=5.354 9，由仿真和实验结果证实可得电容初电压Uint=7.26 V时系统达到最大效率点，如图7所示。
除了效率，需要考虑的另外一个因素是制动加速度。随着初电压升高，发电机向电容充电的时间和电流都相应减小，于是发电机产生的减速阻力矩的作用会相应削弱，导致刹车效果不明显。如图8 所示，仿真和实验数据再次同时证明此结论。
综合考虑效率和加速度的影响，可以在监控电路的控制策略中选择能量回馈电路的开启电压并控制回馈的合理速度范围。基于这一理论的最佳回收策略进行了路面实验。
3 路面实验及实验结果分析
路面实验采用总重量(含负重) 110 kg的电动车， 以初始速度约7.75 m/s在平直路面上运行。出于对比的需要，选择了不同制动方式和初始电压，多次测试平均数据如表1所示。其中纯能量回收式制动方式根据无级变速器变速比分为急(最高变速比×100 %)、缓(最高变速比×50 %)两种实验模式；混合制动即传统制动器和能量回收制动器同时使用的制动方式。制动时间按车速记录。
如表1所示，不同制动方式适应场合不同，同时也对应于不同的加速度和能量回收效率。相对一般偏急的纯能量回收制动模式，偏缓模式加速度较小，适用于行驶过程中的速度控制，但效率也相对较低。混合制动适用于紧急制动场合，减速效果甚至优于传统制动器，同时也能得到少量能量回馈。值得指出的是,减速效果与仿真分析及实验室测试数据基本一致，实验系统初始电压平均为7.3 V时能量回收效率最高（达9.0 %）。
最后选择坡度为1.5°的长直坡道往复行驶，模拟城市路况实验。与充足电量下电动车正常行驶里程相比，使用制动能量回收装置后的行驶里程平均增加了24.6 %，实验者反映测试过程平稳舒适，能量回收制动器与传统制动器协同性较好，且制动控制器完全符合正常使用习惯。
本文介绍了一种在PWM控制下结合机械传动与超级电容蓄能优势的电动车制动能量回收技术。新颖的机械结构使制动加速度可控，同时确保不会卡死；而超级电容和能量回馈电路的使用是本方案的核心。一方面实现了能量转换缓冲，另一方面在电能监控下合理配置电压电流滞环参数，实现了回收策略的优化，有助于延长电池寿命。制动能量回收装置的理论分析和仿真指出了效率最优的回收策略。最后，开展了路面实验，验证了装置的实用性和理论最佳回收策略。根据初步实验分析，一次能量回收率可以达到9 %，城市路况下一次续行里程平均提高24.6 %。
参考文献
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[2] 仇斌,陈全世,张开斌. 北京市区电动轻型客车制动能量回收潜力. 机械工程学报，2005,41(12):87-91.
[3] 陈家新,江建中,汪信尧. 电动车能量再生控制及其可靠性研究. 电气传动自动化, 2002,24(6): 30-33.
[4] 刘龙江,白志峰,曹秉刚. 一种电动车再生制动试验台的研制. 机床与液压,2005(5):100-102.
[5] FAGGIOLI E, RENA P, DANEL V, et al. Supercapacitors for the energy management of electric vehicles.Journal of Power Sources,1999,84(12):261-69.
[6] JUAN W B, MICAH E O. Ultracapacitors + DC-DC converter in regenerative braking system. IEEE AESS Systems Magazine, 2002(8):16-18.