电动汽车机械动力回收系统的效率优化研究

电动汽车机械动力回收系统的效率优化研究

王资群

江苏悦达起亚汽车有限公司   江苏省盐城市224000

摘要：在全球对环境保护和可持续发展的强烈诉求下，电动汽车已然成为交通运输领域的关键发展方向。机械动力回收系统作为提升电动汽车能源利用效率的核心技术之一，其效率的优化已成为当下研究的重点。本论文全方位剖析了电动汽车机械动力回收系统的运作原理，细致探讨了影响其效率的多重因素，涵盖机械结构设计、控制策略、能量传递损耗等方面。通过严谨的理论分析与深入的实验研究，提出了一系列切实可行的优化方案，并借助仿真手段进行了充分验证。研究成果清晰表明，所拟定的优化策略能够显著增强机械动力回收系统的效率，为电动汽车的续航里程延伸和整体性能提升提供了坚实的支撑。

关键词：电动汽车；机械动力回收；效率优化；控制策略

引言：在全球能源危机不断加剧以及环境污染问题日益严峻的大背景下，电动汽车凭借其出色的环保性能和能源利用效率，逐渐从汽车行业的新兴力量发展成为主流趋势。在电动汽车的众多关键技术中，机械动力回收系统因其能够有效回收车辆制动和滑行过程中浪费的动能，并将其转化为电能储存以供后续使用，从而显著提升了电动汽车的能源利用率和续航里程，成为了电动汽车技术研发的焦点领域。对电动汽车机械动力回收系统的效率优化展开深入研究，不仅有助于进一步挖掘电动汽车的节能潜力，降低用户的使用成本，增强电动汽车在市场上的竞争力，更能为缓解能源短缺和环境污染问题贡献重要力量。因此，本论文旨在通过系统的研究和分析，为电动汽车机械动力回收系统的效率提升提供理论依据和实践指导。

一、电动汽车机械动力回收系统的工作原理

电动汽车机械动力回收系统主要由电机、变速器、传动轴、电池以及相关的控制单元等部件共同构成。当车辆处于制动或滑行状态时，电机迅速切换工作模式，从电动机转变为发电机。此时，车轮的转动动能通过传动轴传递至电机，电机在磁场的作用下产生感应电动势，将机械能转化为电能。随后，经过逆变器的整流和调制，电能被以合适的电压和电流形式存储到电池中。而当车辆需要加速或正常行驶时，电机则再次转换角色，成为电动机，从电池中获取电能，并将其转化为机械能，通过变速器和传动轴驱动车轮转动。这一能量的转换和回收过程并非简单的直线传递，而是涉及到多个部件之间的精密协同工作。例如，变速器的挡位选择和传动比调整，对于确保电机在不同车速下能够高效地进行能量回收和输出至关重要。传动轴的设计和制造质量也直接影响到能量传递的效率和损耗。

二、影响机械动力回收系统效率的因素

（一）机械结构设计

1. 传动比的选择

传动比的设定对于机械动力回收系统的效率有着显著影响。若传动比过大，电机在回收能量时可能会因转速过高而进入低效工作区域，导致能量回收效率降低；反之，若传动比过小，电机的转矩可能无法充分发挥，同样会影响能量回收效果。因此，需要根据车辆的性能要求、电机的特性以及行驶工况等因素，通过精确的计算和仿真分析，确定最为合理的传动比，使电机在回收能量时能够工作在高效区间。对于城市通勤型电动汽车，由于频繁启停和低速行驶工况较多，通常需要选择较小的传动比，以保证在低速时电机能够高效回收能量；而对于高速长途行驶的电动汽车，则需要较大的传动比，以适应高速时的能量回收需求。

2. 机械部件的摩擦损耗

在机械动力回收系统中，传动轴、变速器等机械部件在运转过程中不可避免地会产生摩擦损耗。这些摩擦损耗不仅会降低能量传递效率，还会导致系统发热，增加能量损失。为了减少摩擦损耗，可以采用先进的润滑技术、选用低摩擦系数的材料以及优化机械部件的加工精度和装配工艺。使用高性能的润滑油可以有效降低传动轴和变速器齿轮之间的摩擦；采用陶瓷材料制造轴承或齿轮，可以显著降低摩擦系数，提高能量传递效率。

（二）控制策略

1. 制动能量分配策略

在车辆制动过程中，合理分配机械制动和电机制动的比例对于最大限度地回收能量至关重要。如果机械制动占比过大，电机制动的能量回收潜力就无法得到充分发挥；反之，如果电机制动力过大，可能会导致车轮抱死，影响制动稳定性和安全性。因此，需要根据车辆的速度、制动强度、电池的充电状态等多种因素，实时调整机械制动和电机制动的比例，以实现能量回收的最大化。以一辆正在减速的电动汽车为例，当车速较高且制动强度较小时，可以主要依靠电机制动进行能量回收；而当车速较低或制动强度较大时，则需要适当增加机械制动的比例，以保证制动的可靠性。

2. 电机控制算法

电机的转矩控制和转速控制算法直接影响到能量转换的效率。先进的电机控制算法，如矢量控制和直接转矩控制，能够更加精确地控制电机的运行状态，使其在能量回收和输出过程中始终保持高效工作。

（三）能量传递损耗

1. 导线电阻

连接电机和电池的导线存在电阻，当电流通过时会产生焦耳热，导致能量损耗。为了降低导线电阻，需要选用电阻率低、截面积大的导线材料，并合理设计导线的布局和长度，以减少能量在传输过程中的损失。

2. 逆变器效率

逆变器作为将直流电转换为交流电的关键部件，其工作效率对整个系统的能量损耗有着重要影响。提高逆变器的开关频率、优化电路拓扑结构以及采用高效的功率器件，都可以提升逆变器的效率，减少能量转换过程中的损失。

 三、机械动力回收系统效率优化措施

（一）优化机械结构

1. 采用新型材料和制造工艺

为了降低机械部件的重量和摩擦系数，可以选用高强度、轻量化的材料，如碳纤维复合材料、铝合金等。同时，采用先进的制造工艺，如 3D 打印、激光焊接等，不仅能够提高部件的精度和质量，还能进一步优化部件的结构设计，减少不必要的冗余部分，从而降低整体重量和摩擦损耗。

2. 对传动系统进行优化设计

通过建立精确的数学模型和仿真分析，综合考虑车辆的动力性能需求、电机的工作特性以及不同行驶工况，对传动系统的参数进行优化，确定最佳的传动比、齿轮齿数、轴径等参数。此外，还可以采用无级变速技术，实现传动比的连续变化，使电机始终工作在高效区间。

（二）改进控制策略

1. 基于车辆行驶状态和路况信息，实时调整制动能量分配比例

借助先进的传感器技术，如车速传感器、制动踏板行程传感器、加速度传感器等，实时采集车辆的行驶状态信息。同时，利用车联网技术获取路况信息，如道路坡度、交通拥堵情况等。基于这些信息，通过智能控制算法，实时调整机械制动和电机制动的比例，以实现能量回收的最大化。

2. 采用先进的电机控制算法

不断探索和应用新的电机控制算法，如模型预测控制、自适应控制等。这些算法能够更好地应对电机运行过程中的非线性和时变特性，提高控制的精度和鲁棒性，从而进一步优化电机的能量转换效率。

（三）降低能量传递损耗

1. 选用低电阻的导线和连接器

在导线和连接器的选材上，优先选择电阻率低、导电性能好的材料，如纯铜、银等。同时，加大导线的截面积，降低电流密度，减少电阻发热损耗。此外，优化连接器的设计，确保良好的接触性能，降低接触电阻。

2. 优化逆变器的电路设计和控制参数

采用软开关技术、多电平逆变技术等先进的电路拓扑结构，降低逆变器的开关损耗和导通损耗。同时，通过优化控制参数，如开关频率、调制方式等，使逆变器在不同负载条件下都能保持较高的效率。

结论：本文针对电动汽车机械动力回收系统的效率优化进行了全面、深入的研究。通过对系统工作原理的剖析，明确了影响效率的关键因素，并提出了一系列针对性的优化措施。经过实验研究和仿真分析的充分验证，这些优化措施能够显著提升机械动力回收系统的效率，为电动汽车的性能提升和可持续发展提供了重要的技术支撑。

参考文献：

[1]谢文科.电动汽车制动能量回馈控制策略研究[D].福州大学,2017.

[2]马春明.多轮毂电机电动汽车动力系统匹配及制动能量回收控制策略研究[D].长安大学,2021.

[3]崔本清.基于模糊控制的电动汽车再生制动能量回收策略的研究[D].桂林电子科技大学,2021.