廣告
新能源汽車制動能量收回系統(tǒng)
2021-11-15 19:59:57· 來源：驅(qū)動視界
1. 新能源汽車制動能量回收概述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(shí)，使驅(qū)動電機(jī)作于發(fā)電機(jī)工況，將車輛的一部
1. 新能源汽車制動能量回收概述
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(shí)，使驅(qū)動電機(jī)作于發(fā)電機(jī)工況，將車輛的一部分慣性動能轉(zhuǎn)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
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(jī)可被控制作為發(fā)電機(jī)運(yùn)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(fù)合）之中，以延長其續(xù)行駛里程。
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(nèi)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(qū)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。
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(zhuǎn)的飛輪來儲存和釋放能量，其基本工作原理是：當(dāng)車輛制動或減速時(shí)，先將車輛在制動或減速過程中的動能轉(zhuǎn)換為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動能；當(dāng)車輛再次起動或加速時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪又將存儲的動能通過傳動裝置轉(zhuǎn)化為車輛行駛的驅(qū)動力。
飛輪儲能式制動能量再生系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示，主要由發(fā)動機(jī)、高速儲能飛輪、增速齒輪、飛輪離合器和驅(qū)動橋組成。發(fā)動機(jī)用來提供驅(qū)動車輛的主要?jiǎng)恿?，高速儲能飛輪用來回收制動能量以及作為負(fù)荷平衡裝置，為發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)換成液壓能，并將液壓能儲藏在液壓儲能器中；當(dāng)車輛再次起動或加速時(shí)，儲能系統(tǒng)又將儲能器中的液壓能以機(jī)械能的形式反作用于車輛，以增加車輛的驅(qū)動力。
圖所示為利用液壓儲能原理設(shè)計(jì)的一種制動能量再生回收系統(tǒng)。系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓儲能器、聯(lián)動變速箱、驅(qū)動橋、液控離合器和液壓控制系統(tǒng)組成。
3．電化學(xué)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(jī)轉(zhuǎn)化為電能并以化學(xué)能的形式存儲在儲能器中；當(dāng)車輛需要起動或加速時(shí)，再將存儲器中的化學(xué)能通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為車輛行駛的動能。
一種用于前輪驅(qū)動轎車的電化學(xué)儲能式制動能量再生系統(tǒng)如圖所示。
2. 電動汽車制動模式
2.1 汽車的制動要求及電動汽車的復(fù)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?cè)藢ζ嚪较虻目刂疲荒苁Э亍?/span>
2.電動汽車的復(fù)合制動
電動機(jī)制動的方法可分為機(jī)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(chǎn)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(jī)械摩擦制動結(jié)合的復(fù)合制動系統(tǒng)情況。
2.2 電動汽車的制動模式
1．急剎車
急剎車對應(yīng)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(yīng)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(shí)的剎車
汽車下長坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時(shí)。在制動力要求不大時(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。限制因素主要為電池的電荷狀態(tài)和接受能力。
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(shí)的制動習(xí)慣
(2)考慮驅(qū)動電動機(jī)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(jù)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(shí)間；③能量回收停止時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，以及與此相對應(yīng)的充電電流值。
3. 永磁電動機(jī)再生制動
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(chǎn)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(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。制動能量回收的基本原理如圖所示。
3.2 永磁電機(jī)再生制動電路
電動汽車所用的永磁電動機(jī)一般為永磁直流電動機(jī)和永磁交流電動機(jī)。永磁直流電動機(jī)和永磁交流電動機(jī)本質(zhì)統(tǒng)一，永磁交流電動機(jī)常等效成相應(yīng)的直流電動機(jī)進(jìn)行分析。
永磁直流電動機(jī)再生制動電路原理圖如圖所示。
3.3 IGBT緩沖吸收電路的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：
1. 過電壓產(chǎn)生的原因
大功率IGBT使用的驅(qū)動電路板上一般提供IGBT的驅(qū)動電路、過電流保護(hù)、軟降柵壓和軟關(guān)斷驅(qū)動保護(hù)電路，這些保護(hù)措施是一種逐個(gè)脈沖保護(hù)。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(Snubber Circuit)。IGBT的關(guān)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。
3.4 永磁電機(jī)再生制動策略
1.最大回饋功率制動方式
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(jī)反電動勢的降低而減小，其初始值（也是最大值）不應(yīng)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(jī)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ib和電動機(jī)電樞電流im的關(guān)系。由圖可知，控制系統(tǒng)在車輛制動過程中維持電池充電電流40A，而隨著車輛的減速，電動機(jī)反電動勢持續(xù)下降，電樞電流持續(xù)上升，其峰值達(dá)到130A左右。
5. 恒定充電功率制動方式
復(fù)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(shí)測結(jié)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(shí)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(jī)回饋能量儲存器件的系統(tǒng)中的一個(gè)實(shí)例。
4. 前后輪的制動功率和制動能量
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(jī)械制動系統(tǒng)，其制動系統(tǒng)是機(jī)械和再生制動（電制動）的復(fù)合。
它們之間的分配比例關(guān)系可以用圖來表示，這只是一種三者之間的分配關(guān)系，目的是保持最大的再生制動力矩的同時(shí)為駕駛?cè)颂峁┡c燃油車相同的制動感。
4.2 理想的前后輪制動力分配
由汽車設(shè)計(jì)理論可知，前、后輪同時(shí)抱死拖滑時(shí)附著條件利用得最好。當(dāng)汽車前、后車輪同時(shí)抱死時(shí)，此時(shí)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(biāo)繪制Fμ1和Fμ2的關(guān)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。
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，并忽略不及阻力，則施加于前后輪上的制動力可表達(dá)為
式中，j為車輛的負(fù)加速度（m/s2）；L為車輛的輪距；La和Lb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(zhì)量。
按FTP75市區(qū)循環(huán)運(yùn)行的車輛的車速及其加/減速度。
這一實(shí)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(gè)軸上實(shí)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(nèi)，制動力幾乎為一恒值，且當(dāng)車速大于40km/h時(shí)，其值減小。
3）從汽車?yán)碚撝R可知，如果前輪先于后輪抱死，雖然失去了轉(zhuǎn)向能力，但整車還是穩(wěn)定的；如果后輪先于前輪抱死，將導(dǎo)致整車失去控制，極易發(fā)生嚴(yán)重交通事故。
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(shè)計(jì)添加了一些復(fù)雜性，呈現(xiàn)出兩個(gè)基本問題：一是如何在再生制動和機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的制動狀態(tài)。
5.1 電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
電動汽車制動能量回收系統(tǒng)主要由兩部分組成：電機(jī)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(jī)電復(fù)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(jī)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(xí)慣大小，同時(shí)具有一定的制動腳感。
制動過程中，制動控制器根據(jù)制動踏板的開度（實(shí)際為主缸壓力），判斷整車的制動強(qiáng)度，確定相應(yīng)的摩擦制動和再生制動的分配關(guān)系。
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(jié)構(gòu)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(jī)再生制動協(xié)調(diào)作用完成的。再生制動系統(tǒng)主要是由輪轂電機(jī)、電機(jī)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(shí)現(xiàn)過程如下：
1）在制動開始時(shí)，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(dāng)SOC>0.8時(shí)，取消能量回收；當(dāng)0.7≤SOC≤0.8時(shí)，制動能量回收受電池允許的最大充電電流制約；當(dāng)SOC<0.7時(shí)，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(jì)算出需求的電機(jī)再生制動強(qiáng)度上限。
3）制動控制器根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算電機(jī)實(shí)際能夠提供的制動強(qiáng)度。
4）比較需求的電機(jī)再生制動強(qiáng)度上限和電機(jī)實(shí)際能夠提供的制動強(qiáng)度，并將結(jié)果作為電信號發(fā)送給電機(jī)控制器。
5）此時(shí)的電動機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下，可以提供電壓恒定流向的電流，再通過逆變器限制電機(jī)產(chǎn)生的最高電壓和對電壓進(jìn)行升壓，以便滿足電流輸出要求，充到動力蓄電池組中。
6）為了保護(hù)電池，能量管理系統(tǒng)需要時(shí)刻監(jiān)測電池溫度，溫度過高則停止制動能量回收。
5.3 電動汽車制動能量回收控制策略
1. 前后軸制動力理想分配時(shí)的控制策略
如圖所示，當(dāng)給出的減速指令（由制動踏板提供）小于0.2g設(shè)定值時(shí)，僅電機(jī)再生制動系統(tǒng)工作，它模擬了傳動車輛中發(fā)動機(jī)延遲點(diǎn)火作用。隨著制動減速度逐漸增大，前后軸制動力將被控制在理想制動力分配曲線（I曲線上）。
2. 前后軸制動力比例分配時(shí)的控制策略
并聯(lián)制動控制策略如圖所示。需要的總制動力較小時(shí)，全部由再生制動力提供；當(dāng)需要的減速度增大時(shí)，電機(jī)再生制動力所占的比例逐漸減小，機(jī)械制動力開始起作用；當(dāng)總制動力大于一定值時(shí)意味著這是一個(gè)緊急制動，再生制動力減小到零，機(jī)械制動提供所有的制動力；當(dāng)所需的制動減速度在兩者之間時(shí)，再生制動與機(jī)械制動共同作用。
3. 最優(yōu)能量回收控制策略
在對應(yīng)于給負(fù)加速度指令的總制動力情況下，盡可能多地回收制動能量。當(dāng)給出的減速度率指令j/g比路面附著系數(shù)μ小得多，且再生制動力滿足要去時(shí)，只應(yīng)用再生制動，而無需在前后輪施加機(jī)械制動。
4. ABS防抱死制動策略
具有ABS防抱死制動策略在混合動力再生制動能量回收中具有較大優(yōu)勢，尤其是在四個(gè)車輪上都安置有電動機(jī)的車輛。圖概念性地展示了防抱死制動系統(tǒng)功能的再生制動系統(tǒng)圖。它效仿了傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)的控制感受。當(dāng)接收到制動信號后，總制動器單元將根據(jù)牽引電動機(jī)的特性和控制法則，給出前后輪的制動轉(zhuǎn)矩、再生制動轉(zhuǎn)矩和機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩。
電動汽車三種常見再生制動控制策略進(jìn)行比較結(jié)構(gòu)
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
國內(nèi)首個(gè)“路空一體”國家質(zhì)檢中心落戶廣東
2026-03-04 09:06
-
全國156個(gè)！IAE智行眾維入選！工信部2025年
2026-03-04 09:05
-
瓦力大作戰(zhàn)｜輕科普——誤碼儀（BERT）架構(gòu)
2026-03-04 09:03
-
是德科技推出適用于AI數(shù)據(jù)中心的Scale-Up驗(yàn)
2026-03-04 09:03
-
“汽車爬坡試驗(yàn)方法”將有國家標(biāo)準(zhǔn)
2026-03-03 12:44
