第7章再生制动的基本原理

1、第第7章章 再生制动的基本原理再生制动的基本原理邮箱：网上教学资源：http:/7.1 概述概述 制动能量回收问题对于提高的能量利用率具有重要意义。电动汽制动能量回收问题对于提高的能量利用率具有重要意义。电动汽车采用电制动时，驱动电机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄车采用电制动时，驱动电机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。国外有关研电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。国外有关研究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收制动能

2、量，可使电动汽车的行驶距离延长百分之十到百分之三十。目前国制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长百分之十到百分之三十。目前国内关于制动能量回收的研究还处在初级阶段。制动能量回收要综合考虑汽内关于制动能量回收的研究还处在初级阶段。制动能量回收要综合考虑汽车动力学特性、电机发电特性、电池安全保证与充电特性等多方面的问题。车动力学特性、电机发电特性、电池安全保证与充电特性等多方面的问题。研制一种既具有实际效用、又符合司机操作习惯的系统是有一定难度的。研制一种既具有实际效用、又符合司机操作习惯的系统是有一定难度的。电动汽车和混合动力电动汽车最重要特性之一是其显著回收制动能量的能电动汽车和混合动力电动汽车

3、最重要特性之一是其显著回收制动能量的能力。在电动汽车和混合动力电动汽车中电动机可被控制作为发电机运行，力。在电动汽车和混合动力电动汽车中电动机可被控制作为发电机运行，从而将车辆的动能或位能变换为电能，并储存在能量存储装置（各种蓄电从而将车辆的动能或位能变换为电能，并储存在能量存储装置（各种蓄电池、超级电容、超高速飞轮或者它们之间的复合）之中，得以再次利用，池、超级电容、超高速飞轮或者它们之间的复合）之中，得以再次利用，以延长其续行驶里程。以延长其续行驶里程。 电动汽车制动可分为以下三种模式，分述如下： 急刹车急刹车急刹车对应于制动加速度大于的过程。出于安全性方面的考虑，急刹车应以机械为主，电刹

4、车同时作用。在急刹车时，可根据初始速度的不同，由车上控制提供相应的机械制动力。中轻度刹车中轻度刹车中轻度刹车对应于汽车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电刹车负责减速过程，停止过程由机械刹车完成。两种刹车的切换点由电机发电特性确定。汽车下长坡时的刹车汽车下长坡时的刹车图7-1 再生制动和机械摩擦制动汽车下长坡一般发生在盘山公路下缓坡时。在制动力要求不大时，可完全由电刹车提供。其充电特点表现为回馈电流较小但充电时间较长。限制因素主要为电池的最大可充电时间。7.2 制动中的能量损耗制动中的能量损耗7.2 制动中的能量损耗制动中的能量损耗7.2 制动中的能量损耗制动中的能量损耗表7-

5、2 在不同行驶循环下消耗的能量车速与能量FTP75市区FTP75高速公路US06ECE-1纽约城市最高（km/h）86.497.712812044.6平均车速（km/h）27.979.377.549.912.2总牵引能量（kWh）（在驱动轮上）10.4710.4517.0311.7915.51阻力所消耗的总能量（kWh）（在驱动轮上）5.959.4711.738.744.69制动所消耗的总能量（kWh）（在驱动轮上）4.520.985.303.0510.82制动能量对于总牵引能量的百分数（%）43.179.3831.1225.8769.767.3 前后轮上的制动功率和能量前后轮上的制动功率和能

6、量制动能量回收要受到一些条件的约束，实用的能量回收系统应满足以下要求：满足刹车的安全要求，符合驾驶员的刹车习惯满足刹车的安全要求，符合驾驶员的刹车习惯刹车过程中，对安全的要求是第一位的。需要找到电刹车和机械刹车的最佳覆盖区间，在确保安全的前提下，尽可能多地回收能量。具有能量回收系统的电动汽车的刹车过程应尽可能地与传统的刹车过程近似，这将保证在实际应用中，系统有吸引力，可以为大众所接受。考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力电动汽车中常用的是永磁直流电机或感应异步电机，应针对不同的电机的发电效率特性，采取相应的控制手段。确保电池组在充电过程中的安全，防止过充确保

7、电池组在充电过程中的安全，防止过充电动汽车中常用的电池为镍氢电池、锂电池和铅酸电池。充电时，避免因充电电流过大或充电时间过长而损害电池（这也是限制内燃机汽车应用电制动回收制动能量的一个难点）。7.3 前后轮上的制动功率和能量前后轮上的制动功率和能量7.3 前后轮上的制动功率和能量前后轮上的制动功率和能量由以上分析可得能量回收的约束条件：由以上分析可得能量回收的约束条件：根据电池放电深度的不同，电池可接受的最大充电电流。根据电池放电深度的不同，电池可接受的最大充电电流。电池可接受的最大充电时间。电池可接受的最大充电时间。能量回收停止时电机的转速及与此相对应的充电电流值。能量回收停止时电机的转速及

8、与此相对应的充电电流值。7.3 前后轮上的制动功率和能量前后轮上的制动功率和能量7.4电动汽车和混合动力电动汽车的制动系统电动汽车和混合动力电动汽车的制动系统具有最佳制动感觉的串联制动系统由制动控制器组成，该制动控制器用以控制施加于前后轮上的制动力，其控制目标在于使制动距离趋于最小值，且优化驾驶者的感觉。最短的制动距离和良好的制动感觉要求施加在前后轮上的制动力遵循理想的制动力分布曲线。7.4.4永磁直流无刷电机用于发电机永磁直流无刷电机用于发电机时的控制电路时的控制电路7.4.4永磁直流无刷电机用于发电机永磁直流无刷电机用于发电机时的控制电路时的控制电路7.4.4永磁直流无刷电机用于发电机永磁

9、直流无刷电机用于发电机时的控制电路时的控制电路7.4.4永磁直流无刷电机用于发电机永磁直流无刷电机用于发电机时的控制电路时的控制电路7.5电源管理系统 电池之间的不一致性虽然不可以完全消除，尤其这种不一致性是在其生产之初便已存在，但是，我们可以通过均衡充电的方法，尽量减少这种不一致性，延长电池组的使用寿命。当电池组之间差异过大时，有效地均衡充电可以将电池组内各电池重新拉回至“同一起点”。7.5电源管理系统 耗散型均衡方案这种均衡方案利用电池组内单体电池自消耗放电，实现单体电压过高电池的能量消耗来平衡电池组内各单体间容量差的目的。缺点：均衡效率低，能耗大，且电阻发热对系统造成恶劣影响。图 耗散型

10、均衡充电方案7.5电源管理系统 电容均衡法 利用电容作为能量的载体，将能量从能量高的单体转移到能量低的单体上，从而实现电池组内单体电池电量的均衡 。缺点：有电弧或干扰；耗时长。图 电容均衡7.5电源管理系统 非耗散型分流器 非耗散型分流均衡方式可将充电电流从充满的单体电池转移至相邻单体。缺点:这种均衡方法直接释放过充单体能量，但是能量的转移路径跨度小，均衡控制策略复杂，能耗较大。图双向非耗散型电流分流器7.5电源管理系统 分散式直流变换模块独立直流变换器均衡充电方案就是在电池组内每个单体两端接上独立的直流DC-DC变换器。缺点：需要的元器件数量多，且控制信号众多， 电路复杂，成本较高。图 双向

11、隔离反激 DC/DC 变换均衡器7.5电源管理系统 集中式均衡变换器变压器原边接电池组两侧，副边侧每个线圈对应一节单体电池。有单体到组、组到单体、双向三种模式。缺点:变比有差异，均衡误差大;布线复杂 等。图同轴多副边绕组变压器均衡器7.5电源管理系统 集中式有源均衡 在无源均衡的基础上，通过外接电源，可以实现电池组在充电基础上的实时均衡 。缺点:如果电池单体性能本身存在差异，以相同电流和电压充电反而会加大电池之间的差异。 图1 集中式有源均衡7.5电源管理系统 SOC（State of Charge）定义为在一定放电倍率下，电池剩余电量与相同条件下额定容量的比值。 其估计有四个方面的意义：、以

12、保持电池性能的均匀性，最终达到延长电池寿命的目的。、避免电池出现过放电、过充电；、合理的能量分配，更有效地利用有限能量；、预测车辆的剩余行驶里程。7.5电源管理系统 影响电池SOC的因素,归纳起来主要有：充放电倍率、充放电次数、温度、自放电、电池老化等。 动力电池SOC估计问题属于非线性、精度要求高的估计问题，给实时在线估算带来很大的困难。 7.5电源管理系统 放电实验法 放电实验法是最可靠的估计方法，采用恒定电流进行连续放电，放电电流与时间的乘积即为剩余电量。 缺点是需要大量时间；电池进行的工作要被迫中断。放电实验法不适合行驶中的电动汽车,可用于电动汽车电池的检修。 7.5电源管理系统 安时

13、计量法 安时计量法是最常用的估计方法。它以安培小时简单计算出从蓄电池输出的能量或者输入蓄电池的能量。如果充放电起始状态为 ,那么当前状态的 为： 其中, 为额定容量， 为电池电流， 为损耗反应过程中消耗的电流。 0SOC001()tbattlossNSOCSOCIIdCSOCNCbattIlossI7.5电源管理系统 开路电压法 电池的开路电压在数值上接近电池电动势。锂离子电池的开路电压与关系的 线性度不如铅酸电池好,但其对应关系也可以估计,尤其在充电初期和末期效果较好,常与安时计量法结合使用。 缺点是需要长时静置,以达到电压稳定；静置时间如何确定也是一个问题,所以该方法单独使用只适于电动汽车

14、驻车状态。SOC7.5电源管理系统 线性模型法 C.Ehret等提出用线性模型法估计 。该方法是基于 变化量、电流、电压和上一个时间点值 ,建立的线性方程 为当前时刻的 值， 为的 变化量， 和 为当前时刻的电压和电流， 、 、 与 为通过最小二乘法得到的拟合系数。 SOCSOCSOCSOCSOC0123( )( )( )(1)( )(1)( )SOC iU iI iSOC iSOC iSOC iSOC i ( )SOC i( )SOC i( )U i( )I i01237.5电源管理系统 内阻法 电池内阻有交流阻抗和直流内阻之分,它们都与 有密切关系。 交流阻抗受温度影响大,是对电池处于静置后的开路状态,还是在充放电过程中进行交流阻抗测量,存在争议,所以很少用于实车上。 直流内阻表示电池对直流电的反抗能力,等于在同一很短的时间段内,电池电压变化量与电流变化量的比值。缺点是准确测量电池单体内阻比较困难。内阻法适用于放电后期电池的估计,可与安时计量法组合使用。SOC7.5电源管理系统 卡尔曼滤波法 对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估计,应用于电池估计 ,电池被看成动力系统, 是系统的一个内部状态。状态方程：观测方程： 估计 算法的核心,是一套包括估计值和反映估计误差的、协方差矩阵的递归方程,协方差矩阵用来给出估计误