新能源汽車制動能量收回系統(tǒng)第8章

新能源汽車制動能量收回，又稱能量再生制動（簡稱再生制動)，是指在車輛減速或制動時，使驅動電機作于發(fā)電機工況，將車輛的一部分慣性動能轉化為電能并回饋至電源的過程。新能源汽車制動能量收回概述8.1

新能源汽車制動能量回收概述8.1.1城市公交車工況純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。純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，以延長其續(xù)行駛里程。8.1.2制動中的能量損耗

汽車在制動期間，消耗了較多的能量。例如，將1500kg車輛從100km/h車速制動到零車速，在幾十米距離內約消耗了0.16kW·h的能量。如果能量消耗在僅克服阻力（滾動阻力和空氣阻力)而沒有制動的慣性滑行中，則該車輛將行駛約2km，如圖所示。圖展示了不同城市公交車工況的比例。表8-2列出了在不同的行駛工況下,1500kg客車的最高車速、平均車速、驅動輪上的總牽引能量,以及每100km行程因阻力和制動所消耗的總能量。8.1.3新能源汽車制動能量收回方法1．飛輪儲能飛輪儲能是利用高速旋轉的飛輪來儲存和釋放能量，其基本工作原理是：當車輛制動或減速時，先將車輛在制動或減速過程中的動能轉換為飛輪高速旋轉的動能;當車輛再次起動或加速時，高速旋轉的飛輪又將存儲的動能通過傳動裝置轉化為車輛行駛的驅動力。飛輪儲能式制動能量再生系統(tǒng)構成如圖所示,主要由發(fā)動機、高速儲能飛輪、增速齒輪、飛輪離合器和驅動橋組成。發(fā)動機用來提供驅動車輛的主要動力,高速儲能飛輪用來回收制動能量以及作為負荷平衡裝置,為發(fā)動機提供輔助的功率以滿足峰值功率要求。2．液壓儲能

其工作原理是：先將車輛在制動或減速過程中的動能轉換成液壓能，并將液壓能儲藏在液壓儲能器中;當車輛再次起動或加速時，儲能系統(tǒng)又將儲能器中的液壓能以機械能的形式反作用于車輛，以增加車輛的驅動力。

圖所示為利用液壓儲能原理設計的一種制動能量再生回收系統(tǒng)。系統(tǒng)由發(fā)動機、液壓泵、液壓儲能器、聯(lián)動變速箱、驅動橋、液控離合器和液壓控制系統(tǒng)組成。3．電化學儲能

其工作原理是：首先將車輛在制動或減速過程中的動能，通過發(fā)電機轉化為電能并以化學能的形式存儲在儲能器中;當車輛需要起動或加速時，再將存儲器中的化學能通過電動機轉化為車輛行駛的動能。一種用于前輪驅動轎車的電化學儲能式制動能量再生系統(tǒng)如圖所示。8.2電動汽車制動模式8.2.1汽車的制動要求及電動汽車的復合制動1.汽車的制動要求一方面，在緊急制動狀態(tài)下，必須有足夠的制動力，能使汽車在最短可能的距離中停止;另一方面，必須滿足汽車的操控穩(wěn)定性要求，即要保證駕駛人對汽車方向的控制，不能失控。2.電動汽車的復合制動電動機制動的方法可分為機械制動和電氣制動兩大類。電氣制動又可分為反接制動、能耗制動和回饋發(fā)電制動三種形式，其中的回饋發(fā)電制動（即再生制動)就是制動能量回收的最有效方法。另一方面，從電動汽車的角度來看，再生制動產生的制動力矩通常不能像傳統(tǒng)燃油車中的制動系統(tǒng)一樣提供足夠的制動減速度。圖示了再生制動與機械摩擦制動結合的復合制動系統(tǒng)情況。8.2.2電動汽車的制動模式1.急剎車

急剎車對應于制動減速度大于2m／s2的過程。2.中輕度剎車

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。3.汽車下長坡時的剎車

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電荷狀態(tài)和接受能力。8.2.3電動汽車制動能力收回要求(1)滿足制動的安全要求，符合駕駛時的制動習慣

(2)考慮驅動電動機的發(fā)電工作特性和輸出能力

(3)確保電池組在充電過程中的安全，防止過充

由以上分析可發(fā)現(xiàn)電動汽車制動能量的回收約束條件為：①根據電池放電深度，即電池的荷電狀態(tài)SOC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;③能量回收停止時電動機轉速，以及與此相對應的充電電流值。8.3.1制動能量回收基本原理再生制動系統(tǒng)的發(fā)電電壓總是低于蓄電池的電壓,為了使再生制動產生的電能存儲在儲能裝置中,必須采用電子制動控制系統(tǒng)使電機工作于發(fā)電狀態(tài)。制動能量回收的基本原理如圖所示。8.3永磁電動機再生制動感應電動勢E與感應電流i隨時間t的變化有如下關系：E=?L_x001A_di_x001B_dt_x001B_(8-1)

當開關K閉合后，電機感應電動勢引起的感應電流經過開關K形成回路，感應電流i1為制動電流，其大小為_x001A_i_x001B_1_x001B_=?_x001A_E_x001B__x001A_R_x001B_2_x001B_+_x001A_R_x001B_3_x001B__x001B_（8-2)

當開關K斷開后，_x001A_di

_x001B_dt_x001B_的絕對值迅速增大，由公式（8-1)知感應電動勢E會相應地快速增大，當感應電動勢大于蓄電池的電壓，即E>U時，能量實現(xiàn)回收，則能量收時的電流大小i2為_x001A_i_x001B_2_x001B_=_x001A_E?U_x001B__x001A_R_x001B_1_x001B_+_x001A_R_x001B_3_x001B__x001B_(8-3)8.3.2永磁電機再生制動電路

電動汽車所用的永磁電動機一般為永磁直流電動機和永磁交流電動機。永磁直流電動機和永磁交流電動機本質統(tǒng)一,永磁交流電動機常等效成相應的直流電動機進行分析。永磁直流電動機再生制動電路原理圖如圖所示。8.3.3IGBT緩沖吸收電路的設計主要考慮以下幾個方面:1.過電壓產生的原因大功率IGBT使用的驅動電路板上一般提供IGBT的驅動電路、過電流保護、軟降柵壓和軟關斷驅動保護電路，這些保護措施是一種逐個脈沖保護。該-di/dt在主回路的布線上引起較大的-Ldi/dt，如圖所示。

2.緩沖吸收電路的工作原理抑制過電壓的有效方法是采用緩沖吸收電路(SnubberCircuit)。IGBT的關斷緩沖吸收回路分為充放電型和放電阻止型兩類。

阻止型高效緩沖吸收電路有三種類型:C型放電阻止型、RCD型放電阻止型和雙RCD型放電阻止型吸收回路，如圖所示。3.緩沖吸收電路的設計要點為保證每次關斷前吸收電容的過電壓放完，Rs應滿足:_x001A_R_x001B_s_x001B_<_x001A_1_x001B_6_x001A_C_x001B_s_x001B_f_x001B_(8-4)式中，f為開關器件的工作頻率。同時，為防止Cs的放電引起振蕩，_x001A_R_x001B_s_x001B_還應滿足:_x001A_R_x001B_s_x001B_>_x001A_1_x001B_2_x001A__x001B__x001A__x001A_L_x001B_s_x001B__x001B__x001A_C_x001B_s_x001B__x001B__x001B__x001B_(8-5)8.3.4永磁電機再生制動策略1.最大回饋功率制動方式當制動電流_x001A_I_x001B_m_x001B_=_x001A__x001A_V_x001B_m_x001B__x001B__x001A_2r_x001B_m_x001B_

_x001B_時(_x001A_r_x001B_m_x001B_為電樞電阻,_x001A_V_x001B_m_x001B_為電動機反電動勢),電動機系統(tǒng)處于最大回饋功率再生制動狀態(tài),并將最大功率制動方式應用于電動機車上。2.最大回饋效率制動方式最大回饋效率制動方式定義回饋效率為_x001A_η_x001B_p_x001B_=_x001A__x001A_V_x001B_b_x001B__x001A_i_x001B_b_x001B__x001B__x001A__x001A_T_x001B_L_x001B_+_x001A_K_x001B_e_x001B__x001A_i_x001B_m_x001B__x001B_Ω_x001B_=_x001A__x001A__x001A_K_x001B_e_x001B__x001A_i_x001B_m_x001B__x001B_Ω?_x001A_i_x001B_m_x001B_2_x001B__x001A_r_x001B_m_x001B__x001B__x001A__x001A_T_x001B_L_x001B_+_x001A_K_x001B_e_x001B__x001A_i_x001B_m_x001B__x001B_Ω_x001B_(8-6)式中，_x001A_T_x001B_L_x001B_為負荷力矩；_x001A_V_x001B_b_x001B_為電源電壓；_x001A_i_x001B_b_x001B_為蓄電池充電電流；_x001A_K_x001B_e_x001B_為渦流損耗系數(shù)；_x001A_i_x001B_m_x001B_為電樞電流；_x001A_r_x001B_m_x001B_為電樞電阻；Ω為平均轉速。以_x001A_i_x001B_m_x001B_為自變量，即_x001A_d_x001A_η_x001B_p_x001B__x001B_d_x001A_i_x001B_m_x001B__x001B_=0（8-7)得到最大回饋效率再生制動時的電動機電樞電流為_x001A_i_x001B_m_x001B_=_x001A__x001A__x001B__x001A_r_x001B_m_x001B_2_x001B__x001A_T_x001B_L_x001B_2_x001B_+_x001A_K_x001B_e_x001B_2_x001B_Ω_x001A_r_x001B_m_x001B__x001A_T_x001B_L_x001B_?_x001A_i_x001B_m_x001B__x001A_T_x001B_L_x001B__x001B__x001B__x001A_K_x001B_e_x001B__x001A_i_x001B_m_x001B__x001B_（8-8)3．恒定力矩制動方式

在制動力矩（電樞電流)不變的情況下，回饋到電池的電流將隨電動機反電動勢的降低而減小，其初始值（也是最大值)不應超過電池允許充電電流，否則在制動過程中能最不能得到有效的回收。4.恒定充電電流制動方式

電動機初始反電動勢為100V，電池電壓為120V，蓄電池充電電流為40A情況下的蓄電池充電電流_x001A_i_x001B_b_x001B_和電動機電樞電流_x001A_i_x001B_m_x001B_的關系。由圖可知，控制系統(tǒng)在車輛制動過程中維持蓄電池充電電流40A，而隨著車輛的減速，電動機反電動勢持續(xù)下降，電樞電流持續(xù)上升，其峰值達到130A左右。5.恒定充電功率制動方式

復合電源系統(tǒng),分別采用恒定充電電流和恒定充電功率制動方式下的超級電容充電電流和電樞電流實測結果。和恒定充電電流制動方式相比,恒定充電功率制動方式更實用,而且由于蓄電池端電壓變化緩慢,其充電電流恒等效于充電功率恒定,因此可以說恒定充電電流制動方式是恒定充電功率制動方式在以蓄電池作為電動機回饋能量儲存器件的系統(tǒng)中的一個實例。8.4前后輪的制動功率和制動能量8.4.1電動汽車制動力的分類通常有再生制動的電動汽車還存在機械制動系統(tǒng)，其制動系統(tǒng)是機械和再生制動（電制動)的復合。它們之間的分配比例關系可以用圖來表示，這只是一種三者之間的分配關系，目的是保持最大的再生制動力矩的同時為駕駛人提供與燃油車相同的制動感。

8.4.2理想的前后輪制動力分配由汽車設計理論可知,前、后輪同時抱死拖滑時附著條件利用得最好。當汽車前、后車輪同時抱死時,此時的前后軸車輪的制動器制動力Fμ1和Fμ2是理想的前、后輪制動器制動力,并且是輪胎與地面間的附著系數(shù)φ的函數(shù)。以理想的前、后輪制動器制動力Fμ1和Fμ2為坐標繪制Fμ1和Fμ2的關系曲線,即為理想的前、后輪制動器制動力分配曲線,簡稱I曲線。8.4.3前后輪的制動功率和能量假定在最初前后輪上的制動力分布遵循I曲線，并忽略不計阻力，則施加于前后輪上的制動力可表達為_x001A_F_x001B_μ1_x001B_=_x001A_jm_x001B_L_x001B__x001A__x001A_L_x001B_b_x001B_+_x001A__x001A_h_x001B_g_x001B__x001B_g_x001B_j_x001B_(8-9)_x001A_F_x001B_μ2_x001B_=_x001A_jm_x001B_L_x001B__x001A__x001A_L_x001B_a_x001B_?_x001A__x001A_h_x001B_g_x001B__x001B_g_x001B_j_x001B_(8-10)式中，j為車輛的負加速度(m/s2);L為車輛的輪距;La和_x001A_L_x001B_b_x001B_分別為車輛重心至前后輪中心之間的水平距離;hg為車輛重心至地面的高度，m為電動汽車質量。按FTP75市區(qū)循環(huán)運行的車輛的車速及其加/減速度。這一實例的參數(shù)為L=2.7m，La=0.4L，Lb=0.6L和hg=0.55m。從圖中可以看出：1)前輪消耗約65%的總制動功率和能量，因此，若僅在一個軸上實施再生制動，則在前輪上的再生制動比后輪上的再生制動將更為有效。

2)在車速小于50km/h的范圍內，制動力幾乎為一恒值，且當車速大于40km/h時，其值減小。3)從汽車理論知識可知，如果前輪先于后輪抱死，雖然失去了轉向能力，但整車還是穩(wěn)定的；如果后輪先于前輪抱死，將導致整車失去控制，極易發(fā)生嚴重交通事故。8.5電動汽車的制動系統(tǒng)電動汽車的再生制動給制動系統(tǒng)的設計添加了一些復雜性，呈現(xiàn)出兩個基本問題：一是如何在再生制動和機械摩擦制動之間分配所需的總制動力，以回收盡可能多的車輛的動能;二是如何在前后輪軸上分配總制動力，以實現(xiàn)穩(wěn)定的制動狀態(tài)。8.5.1電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的結構

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)主要由兩部分組成：電機再生制動部分和傳統(tǒng)液壓摩擦制動部分。所以，該制動系統(tǒng)可以視為機電復合制動系統(tǒng)。

電動汽車的制動系統(tǒng)為雙回路液壓制動系統(tǒng)+電動真空助力+電機再生制動。

電動汽車的制動助力采用電動真空助力，保證踏板力符合習慣大小，同時具有一定的制動腳感。

制動過程中，制動控制器根據制動踏板的開度（實際為主缸壓力)，判斷整車的制動強度，確定相應的摩擦制動和再生制動的分配關系。8.5.2電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的原理

電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的結構原理圖，如圖所示。電動汽車的制動過程是由液壓摩擦制動與電機再生制動協(xié)調作用完成的。再生制動系統(tǒng)主要是由輪轂電機、電機控制器、逆變器、制動控制器和動力蓄電池等主要部件組成。制動能量回收的實現(xiàn)過程如下：1)在制動開始時，能量管理系統(tǒng)將動力蓄電池SOC值發(fā)送給制動控制器，當SOC>0.8時，取消能量回收；當0.7≤SOC≤0.8時，制動能量回收受電池允許的最大充電電流制約；當SOC<0.7時，制動能量回收不受電池允許的最大充電電流制約。2)制動控制器接收由壓力傳感器傳送的主缸壓力信號，并計算出需求的電機再生制動強度上限。3)制動控制器根據電動機轉速，計算電機實際能夠提供的制動強度。4)比較需求的電機再生制動強度上限和電機實際能夠提供的制動強度，并