第7章再生制動的基本原理

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1、第7章再生制動的基本原理 郵箱：gdtst99@ 網(wǎng)上教學資源： 7.1概述 l=] in： |= 制動能量回收問題對于提高E V的能量利用率具有重要意義。電動汽 車釆用電制動時，驅(qū)動電機運行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車的部分動能回饋給蓄 電池以對其充電，對延長電動汽車的行駛距離是至關重要的。國外有關研 究表明，在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運行條件下，有效地回收 制動能量，可使電動汽車的行駛距離延長百分之十到百分之三十。目前國 內(nèi)關于制動能量回收的研究還處在初級階段。制動能量回收要綜合考慮汽 車動力學特性、電機發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問題。 研制一種既具有實際效用

2、、又符合司機操作習慣的系統(tǒng)是有一定難度的。 電動汽車和混合動力電動汽車最重要特性之一是其顯著回收制動能量的能 力。在電動汽車和混合動力電動汽車中電動機可被控制作為發(fā)電機運行， 從而將車輛的動能或位能變換為電能，并儲存在能量存儲裝置（各種蓄電 池、超級電容、超高速飛輪或者它們之間的復合）之中，得以再次利用， 以延長其續(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7-1再生制動和機械摩擦制動Q 電動汽車制動可分為以下三種模式，分述 如下： 1 ?急剎車 急剎車對應于制動加速度大于2 m/ s 2 的過程。出于安全性方面的考慮，急剎車 應以機械為主，電剎車同時作用。在急剎 車時，可根據(jù)初始速度的不同，由車上A B S控制提供相應的機械制動力。 2沖輕度剎車 中輕度剎車對應于汽車在正常工況下的制 動過程，可分為減速過程與停止過程。電 剎車負責減速過程，停止過程由機械剎車 完成。兩種剎車的切換

4、點由電機發(fā)電特性 確定。 3 ?汽車下長坡時的剎車 圖再生制動和機械摩擦制動 汽車下長坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時。 在制動力要求不大時，可完全由電剎車提 供。其充電特點表現(xiàn)為回饋電流較小但充 電時間較長。限制因素主要為電池的最大 可充電時間。 7.2制動中的能量損耗 *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)動輪上) 5. 95 9.47 11.73 8. 74 4.69 制動所消耗的總能量(kWh)(在驅(qū)動輪上) 4.52

6、 0. 98 5. 30 3. 05 10. 82 制動能量對于總牽引能量的百分數(shù)(%) 43.17 9. 38 31.12 25. 87 69. 76 7.3前后輪上的制動功率和能量 制動能量回收要受到一些條件的約束，實用的能量回收系統(tǒng)應滿足以下要求： 1 ?滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習慣 剎車過程中，對安全的要求是第一位的。需要找到電剎車和機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)的電動汽車的剎車過 程應盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似，這將保證在實際應用中，系統(tǒng)有吸引力，可以 為大眾所接受。 2 ?考

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

8、 7.3前后輪上的制動功率和能量 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間。 能量回收停止時電機的轉(zhuǎn)速及與此相對應的充電電流值。 7.3前后輪上的制動功率和能量 7.3前后輪上的制動功率和能量 最初：假定任甬后輪上的制胡力分布jl循I曲找：幷忽略不計粗力，則施加于削后輪 上的制動力可表達為:d （7-1） （7-2） 式中：J為車輛的負加速度加/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7—6展示了按FTP75市區(qū)循環(huán)運行 的車輛的車速?，及其加/減速度。卜 7.4電動汽車和混合動力電動汽車的制動系統(tǒng) 具有最佳制動感覺的串聯(lián)制動系統(tǒng)由制動控制器組成，該制動控制器 用以控制施加于前后輪上的制動力，其控制冃標在于使制動距離趨于 最小值，且優(yōu)化駕駛者的感覺。最短的制動距離和良好的制動感覺要 求施加在前后輪上的制動力遵循理想的希lj動力分布曲妥I o 0 圖7?10對應于串聯(lián)制動施枷在前后輪上制動力的圖解心 0 圖7?10對應于串聯(lián)制動施枷在前后輪上制動力的圖解心 2 10 12

10、 14 袒倫上的機動力＜kN) 6 5 4 3 0 圖7?10對應于串聯(lián)制動施枷在前后輪上制動力的圖解心 744永磁直流無刷電機用于發(fā)電機 時的控制電路 0 7-13三相全橋驅(qū)動無刷直流電機的電路團d S 7-14三相反電動勢及其在換相區(qū)間內(nèi)各開關管導通情況心 744永磁直流無刷電機用于發(fā)電機 時的控制電路 （：!= * 603 k 120 * 180 * 2403 300= * 360 = 再生電圧 璋主制動能量回收系統(tǒng) S 7-14三相反電動勢及

11、其在換相區(qū)間內(nèi)各開關管導通情況心 7.4.4永磁直流無刷電機用于發(fā)電機 時的控制電路 再生電圧 璋主制動能量回收系統(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，延長電池組的使用壽命。當電 池組之間差異過大時，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”。 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：均衡效率低，能耗 大，且電阻發(fā)熱對系統(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, 從而實現(xiàn)電池組內(nèi) 單體電池電量的均 衡。 缺點：有電弧或干 擾；耗時長。 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：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， 均衡控制策略復雜, 能耗較大。

13、 ?分散式直流變換模塊 獨立直流變換器均 衡充電方案就是在電 池組內(nèi)每個單體兩端 接上獨立的直流DC-DC 變換器。 6雙向隔離反激DC/DC變換均衡器 缺點：需要的元器件 數(shù)量多，且控制信號 眾多，電路復雜，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 個線圈對應一節(jié)辜 體電池。有單體到 組、組到華體、雙 向三種模式。 缺點:變比有差異, 均衡誤差大;布線 復雜等。 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、在無源均衡的基礎上, 通過外接電源，可以 實現(xiàn)電池組在充電基 礎上的實時均衡。 缺點：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。 ?其估計有四個方面的意義: 1、以保持電池性能的均勻性，最終達到延長 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、預測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。 ?動力電池SOC估計問題屬于非線性、精度要求 高的估計問題，給實時在線估算帶來很大的困 難。 7.5電源管理系統(tǒng) ?放電實驗法 放電實驗法是最可靠的估計方法，采用 恒定電流進行連續(xù)放電，放電電流與時間 的乘積即為剩余電量。 缺點是需要大量時間；電池進行的工作要 被迫中斷。放電實驗法不適合行駛中的電 動汽車，可用于電動汽車電池的檢修。 ?安時計量法 安時計量法是最常用的估計方法。它以安 培小時簡單計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)值上接近電池電動勢。 鋰離子電池的開路電壓與關系踏線性度 不如鉛酸電池好，但其對應關系也可以估計， 尤其在充電初期和末期效果較好，常與安時計 量法結合使用。 缺點是需要長時靜置，以達到電壓穩(wěn)定；靜 置時間如何確定也是一個問題,所以該方法單 獨使用只適于電動汽車駐車狀態(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、電壓和上一個時閥黒 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\ 為克腫時刻的 值， 為於 與為通過最小二乘法得到的擬 和 為當前時刻的電壓和電 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儲卩與 有密切關系。 交流阻抗受溫度影響大，是對電池處于靜置 后的開路狀態(tài),還是在充放電過程中進行交流阻 抗測量，存在爭議，所以很少用于實車上。 直流內(nèi)阻表示電池對直流電的反抗能力，等 于在同一很短的時間段內(nèi)，電池電壓變化量與電 流變化量的比值。缺點是準確測量電池單體內(nèi)阻 比較困難。內(nèi)阻法適用于放電后期電

18、池的估計， 可與安時計量法組合使用。 ?卡爾曼濾波法 對動力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的 最優(yōu)估計，應用于電池倍釬，電池被看成動 力系纟恕C 是系統(tǒng)的一個內(nèi)部狀態(tài)。 狀態(tài)方程：耳+1 = AkXk + Bkuk + % = f（Xk，uQ + 叭 觀測方程：巳（""）+弘 ,SOC 一 估計 算法的核心，是一套包括估計值 和反映估計誤差的、協(xié)方差矩陣的遞歸方程， 協(xié)方差矩陣用來給出估計誤差范圍。 ?神經(jīng)網(wǎng)絡法 由于電池是高度非線性的系統(tǒng)，對其充放 電過程很難建立準確的數(shù)學模型。神經(jīng)網(wǎng)絡 方法具有非線性的基本特性，具有并行結構和 學習能力，對于外部激勵,能給出相應的輸出， 故能夠模擬電池動態(tài)特腔來估計 。神經(jīng) 網(wǎng)絡法適用于各種電池。 小結 在現(xiàn)有電池基礎上電池管理系統(tǒng)目標是: ?較少時間能充滿電； ?延長使用壽命； ?估計SOC要準確。