第7章再生制動(dòng)的基本原理

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1、第7章再生制動(dòng)的基本原理 郵箱：gdtst99@ 網(wǎng)上教學(xué)資源： 7.1概述 l=] in： |= 制動(dòng)能量回收問題對(duì)于提高E V的能量利用率具有重要意義。電動(dòng)汽 車釆用電制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動(dòng)能回饋給蓄 電池以對(duì)其充電，對(duì)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛距離是至關(guān)重要的。國(guó)外有關(guān)研 究表明，在存在較頻繁的制動(dòng)與起動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下，有效地回收 制動(dòng)能量，可使電動(dòng)汽車的行駛距離延長(zhǎng)百分之十到百分之三十。目前國(guó) 內(nèi)關(guān)于制動(dòng)能量回收的研究還處在初級(jí)階段。制動(dòng)能量回收要綜合考慮汽 車動(dòng)力學(xué)特性、電機(jī)發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。 研制一種既具有實(shí)際效用

2、、又符合司機(jī)操作習(xí)慣的系統(tǒng)是有一定難度的。 電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車最重要特性之一是其顯著回收制動(dòng)能量的能 力。在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中電動(dòng)機(jī)可被控制作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行， 從而將車輛的動(dòng)能或位能變換為電能，并儲(chǔ)存在能量存儲(chǔ)裝置（各種蓄電 池、超級(jí)電容、超高速飛輪或者它們之間的復(fù)合）之中，得以再次利用， 以延長(zhǎng)其續(xù)行駛里程。 表T-1城市公交車工況參考數(shù)據(jù) 工況 時(shí)間比 功率范田 加 速 25% 80- 150 kW 減 速 24% 一 50- 一 100 kW 勻速 26% 15-25 kW 怠 速 25% 0 kW 加人功率 < 1 (YA *

3、150 LW 平均功率 / 30 kW 論高速度 (50 km/h) 60 kW T均速度 1： 1* kin / h) 團(tuán)7-1再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)Q 電動(dòng)汽車制動(dòng)可分為以下三種模式，分述 如下： 1 ?急剎車 急剎車對(duì)應(yīng)于制動(dòng)加速度大于2 m/ s 2 的過程。出于安全性方面的考慮，急剎車 應(yīng)以機(jī)械為主，電剎車同時(shí)作用。在急剎 車時(shí)，可根據(jù)初始速度的不同，由車上A B S控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動(dòng)力。 2沖輕度剎車 中輕度剎車對(duì)應(yīng)于汽車在正常工況下的制 動(dòng)過程，可分為減速過程與停止過程。電 剎車負(fù)責(zé)減速過程，停止過程由機(jī)械剎車 完成。兩種剎車的切換

4、點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性 確定。 3 ?汽車下長(zhǎng)坡時(shí)的剎車 圖再生制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng) 汽車下長(zhǎng)坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時(shí)。 在制動(dòng)力要求不大時(shí)，可完全由電剎車提 供。其充電特點(diǎn)表現(xiàn)為回饋電流較小但充 電時(shí)間較長(zhǎng)。限制因素主要為電池的最大 可充電時(shí)間。 7.2制動(dòng)中的能量損耗 *3 5* SO6O4O2O 8 0-0 50 100 130 200 ItfrWffl (>) 圖7-2慣性渭行的車速和距高4 7.2制動(dòng)中的能量損耗 I ■奠期科 ■家京 □華沙 ■巴製 理紐釣 也我閑城區(qū) 口我國(guó)快連 S 7-4世界各大城市公交車行駛模式比較"

5、 7.2制動(dòng)中的能量損耗 2<7-2在不同行駛循環(huán)下消耗的能量 車速與能量 FTP75 市區(qū) FTP75 高速公路 US06 ECE-1 最高(k>/h) 86.4 97.7 128 120 44.6 平均車速(km/h) 27.9 79.3 77.5 49.9 12.2 總牽引能量(kWh)(在驅(qū)動(dòng)輪上) 10.47 10. 45 17. 03 11.79 15. 51 阻力所消耗的總能量(kWh)(在驅(qū)動(dòng)輪上) 5. 95 9.47 11.73 8. 74 4.69 制動(dòng)所消耗的總能量(kWh)(在驅(qū)動(dòng)輪上) 4.52

6、 0. 98 5. 30 3. 05 10. 82 制動(dòng)能量對(duì)于總牽引能量的百分?jǐn)?shù)(%) 43.17 9. 38 31.12 25. 87 69. 76 7.3前后輪上的制動(dòng)功率和能量 制動(dòng)能量回收要受到一些條件的約束，實(shí)用的能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求： 1 ?滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習(xí)慣 剎車過程中，對(duì)安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機(jī)械剎車的最佳覆蓋區(qū)間, 在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的剎車過 程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似，這將保證在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)有吸引力，可以 為大眾所接受。 2 ?考

7、慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力 電動(dòng)汽車中常用的是永磁直流電機(jī)或感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)針對(duì)不同的電機(jī)的發(fā)電效率特 性，采取相應(yīng)的控制手段。 3?確保電池組在充電過程中的安全，防止過充 電動(dòng)汽車中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時(shí)，避免因充電電流過 大或充電時(shí)間過長(zhǎng)而損害電池（這也是限制內(nèi)燃機(jī)汽車應(yīng)用電制動(dòng)回收制動(dòng)能量的一 個(gè)難點(diǎn)）。 7.3前后輪上的制動(dòng)功率和能量 7.3前后輪上的制動(dòng)功率和能量 制動(dòng)踽報(bào)力 0 7-5再生制動(dòng)力矩與機(jī)械摩攝制動(dòng)力矩的分配亠

8、 7.3前后輪上的制動(dòng)功率和能量 由以上分析可得能量回收的約束條件： ① 根據(jù)電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。 ② 電池可接受的最大充電時(shí)間。 能量回收停止時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及與此相對(duì)應(yīng)的充電電流值。 7.3前后輪上的制動(dòng)功率和能量 7.3前后輪上的制動(dòng)功率和能量 最初：假定任甬后輪上的制胡力分布jl循I曲找：幷忽略不計(jì)粗力，則施加于削后輪 上的制動(dòng)力可表達(dá)為:d （7-1） （7-2） 式中：J為車輛的負(fù)加速度加/宀；L為車輛的輪距J和匚分別為車輛重心

9、至前后輪 中心之間的水平距離；％為車輛重心至地面的高度，團(tuán)7—6展示了按FTP75市區(qū)循環(huán)運(yùn)行 的車輛的車速?，及其加/減速度。卜 7.4電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的制動(dòng)系統(tǒng) 具有最佳制動(dòng)感覺的串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)控制器組成，該制動(dòng)控制器 用以控制施加于前后輪上的制動(dòng)力，其控制冃標(biāo)在于使制動(dòng)距離趨于 最小值，且優(yōu)化駕駛者的感覺。最短的制動(dòng)距離和良好的制動(dòng)感覺要 求施加在前后輪上的制動(dòng)力遵循理想的希lj動(dòng)力分布曲妥I o 0 圖7?10對(duì)應(yīng)于串聯(lián)制動(dòng)施枷在前后輪上制動(dòng)力的圖解心 0 圖7?10對(duì)應(yīng)于串聯(lián)制動(dòng)施枷在前后輪上制動(dòng)力的圖解心 2 10 12

10、 14 袒倫上的機(jī)動(dòng)力＜kN) 6 5 4 3 0 圖7?10對(duì)應(yīng)于串聯(lián)制動(dòng)施枷在前后輪上制動(dòng)力的圖解心 744永磁直流無刷電機(jī)用于發(fā)電機(jī) 時(shí)的控制電路 0 7-13三相全橋驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的電路團(tuán)d S 7-14三相反電動(dòng)勢(shì)及其在換相區(qū)間內(nèi)各開關(guān)管導(dǎo)通情況心 744永磁直流無刷電機(jī)用于發(fā)電機(jī) 時(shí)的控制電路 （：!= * 603 k 120 * 180 * 2403 300= * 360 = 再生電圧 璋主制動(dòng)能量回收系統(tǒng) S 7-14三相反電動(dòng)勢(shì)及

11、其在換相區(qū)間內(nèi)各開關(guān)管導(dǎo)通情況心 7.4.4永磁直流無刷電機(jī)用于發(fā)電機(jī) 時(shí)的控制電路 再生電圧 璋主制動(dòng)能量回收系統(tǒng) 7.5電源管理系統(tǒng) ?電池之間的不一致性雖然不可以完全消除，尤 其這種不一致性是在其生產(chǎn)之初便已存在，但 是，我們可以通過均衡充電的方法，盡量減少 這種不一致性，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。當(dāng)電 池組之間差異過大時(shí)，有效地均衡充電可以將 電池組內(nèi)各電池重新拉回至“同一起點(diǎn)”。 7.5電源管理系統(tǒng) ?耗散型均衡方案 充電電源 這種均衡方案利用電池 組內(nèi)單體電池自消耗放電, 實(shí)現(xiàn)單體電壓過高電池的 能量消耗來平衡電池組內(nèi) 各單體間容量差的目的

12、。 缺點(diǎn)：均衡效率低，能耗 大，且電阻發(fā)熱對(duì)系統(tǒng)造 成惡劣影響。 圖5耗散型均衡充電方案 7.5 ?電容均衡法 利用電容作為能量 的載體）將能量從 能量高的單體轉(zhuǎn)移 到能量低的單體上, 從而實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi) 單體電池電量的均 衡。 缺點(diǎn)：有電弧或干 擾；耗時(shí)長(zhǎng)。 電源管理系統(tǒng) 圖9電容均衡 7.5電源管理系統(tǒng) 7.5電源管理系統(tǒng) ?非耗散型分流器 非耗散型分流均衡 方式可將充電電流 從充滿的單體電池 轉(zhuǎn)移至相鄰單體。 缺點(diǎn)：這種均衡方法 直接釋放過充單體 能量5但是能量的 轉(zhuǎn)移路徑跨度小， 均衡控制策略復(fù)雜, 能耗較大。

13、 ?分散式直流變換模塊 獨(dú)立直流變換器均 衡充電方案就是在電 池組內(nèi)每個(gè)單體兩端 接上獨(dú)立的直流DC-DC 變換器。 6雙向隔離反激DC/DC變換均衡器 缺點(diǎn)：需要的元器件 數(shù)量多，且控制信號(hào) 眾多，電路復(fù)雜，成 本較高。 ?集中式均衡變換器 變壓器原邊接電池 組兩側(cè)，副邊側(cè)每 個(gè)線圈對(duì)應(yīng)一節(jié)辜 體電池。有單體到 組、組到華體、雙 向三種模式。 缺點(diǎn):變比有差異, 均衡誤差大;布線 復(fù)雜等。 7.5電源管理系統(tǒng) 7.5電源管理系統(tǒng) 圖7 同軸多副邊繞組變壓器均衡器 7.5電源管理系統(tǒng) ?集屮式有源均衡 圖10集中式有源均衡

14、在無源均衡的基礎(chǔ)上, 通過外接電源，可以 實(shí)現(xiàn)電池組在充電基 礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)均衡。 缺點(diǎn)：如果電池單體 性能本身存在差異， 以相同電流和電壓充 電反而會(huì)加大電池之 間的差異。 ? SOC ( State of Charge )定義為在一定放電倍 率下，電池剩余電量與相同條件下額定容量的 比值。 ?其估計(jì)有四個(gè)方面的意義: 1、以保持電池性能的均勻性，最終達(dá)到延長(zhǎng) 電池壽命的目的。 2、避免電池出現(xiàn)過放電、過充電; 合理的能量分配, 更有效地利用有限能量; 4、預(yù)測(cè)車輛的剩余行駛里程。 ?影響電池SOC的因素，歸納起來主要有： 充放電倍率、充放電次數(shù)、溫度、自放電、電 池老化

15、等。 ?動(dòng)力電池SOC估計(jì)問題屬于非線性、精度要求 高的估計(jì)問題，給實(shí)時(shí)在線估算帶來很大的困 難。 7.5電源管理系統(tǒng) ?放電實(shí)驗(yàn)法 放電實(shí)驗(yàn)法是最可靠的估計(jì)方法，采用 恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流與時(shí)間 的乘積即為剩余電量。 缺點(diǎn)是需要大量時(shí)間；電池進(jìn)行的工作要 被迫中斷。放電實(shí)驗(yàn)法不適合行駛中的電 動(dòng)汽車，可用于電動(dòng)汽車電池的檢修。 ?安時(shí)計(jì)量法 安時(shí)計(jì)量法是最常用的估計(jì)方法。它以安 培小時(shí)簡(jiǎn)單計(jì)算出從蓄電池輸出的能量或者 輸入蓄電池的能量。如果充放電起始鍥悠 為 ，那么彗第狀態(tài)的 為： SOC = SOC0+-^-\(Ibatt-Iloss)dr 0 其中「

16、為額定容量］為電池電龍；為損 耗反應(yīng)過程中消耗的電流。 ?開路電壓法 電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池電動(dòng)勢(shì)。 鋰離子電池的開路電壓與關(guān)系踏線性度 不如鉛酸電池好，但其對(duì)應(yīng)關(guān)系也可以估計(jì)， 尤其在充電初期和末期效果較好，常與安時(shí)計(jì) 量法結(jié)合使用。 缺點(diǎn)是需要長(zhǎng)時(shí)靜置，以達(dá)到電壓穩(wěn)定；靜 置時(shí)間如何確定也是一個(gè)問題,所以該方法單 獨(dú)使用只適于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)。 ?線性模型法 C.Ehret等提出用線性模型法估譜c 。該方法 是基絞 變化量、電流、電壓和上一個(gè)時(shí)閥黒 值 ，建立的線性方程 △SOC(i) = 0o + 0W) + 角 W) + fi3SOC(i-l) SOC(i)

17、= SOC(i-l) + ASOC(i) SOC(i) m U(i) 化事， 流， , SOC ASOC(i) SOC 卩\ 為克腫時(shí)刻的 值， 為於 與為通過最小二乘法得到的擬 和 為當(dāng)前時(shí)刻的電壓和電 合系數(shù)。 ?內(nèi)阻法 電池內(nèi)阻有交流阻抗和直流內(nèi)阻之分，它們 SO儲(chǔ)卩與 有密切關(guān)系。 交流阻抗受溫度影響大，是對(duì)電池處于靜置 后的開路狀態(tài),還是在充放電過程中進(jìn)行交流阻 抗測(cè)量，存在爭(zhēng)議，所以很少用于實(shí)車上。 直流內(nèi)阻表示電池對(duì)直流電的反抗能力，等 于在同一很短的時(shí)間段內(nèi)，電池電壓變化量與電 流變化量的比值。缺點(diǎn)是準(zhǔn)確測(cè)量電池單體內(nèi)阻 比較困難。內(nèi)阻法適用于放電后期電

18、池的估計(jì)， 可與安時(shí)計(jì)量法組合使用。 ?卡爾曼濾波法 對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的 最優(yōu)估計(jì)，應(yīng)用于電池倍釬，電池被看成動(dòng) 力系纟恕C 是系統(tǒng)的一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)。 狀態(tài)方程：耳+1 = AkXk + Bkuk + % = f（Xk，uQ + 叭 觀測(cè)方程：巳（""）+弘 ,SOC 一 估計(jì) 算法的核心，是一套包括估計(jì)值 和反映估計(jì)誤差的、協(xié)方差矩陣的遞歸方程， 協(xié)方差矩陣用來給出估計(jì)誤差范圍。 ?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 由于電池是高度非線性的系統(tǒng)，對(duì)其充放 電過程很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 方法具有非線性的基本特性，具有并行結(jié)構(gòu)和 學(xué)習(xí)能力，對(duì)于外部激勵(lì),能給出相應(yīng)的輸出， 故能夠模擬電池動(dòng)態(tài)特腔來估計(jì) 。神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)法適用于各種電池。 小結(jié) 在現(xiàn)有電池基礎(chǔ)上電池管理系統(tǒng)目標(biāo)是: ?較少時(shí)間能充滿電； ?延長(zhǎng)使用壽命； ?估計(jì)SOC要準(zhǔn)確。