第8章 新能源汽车制动能量回收系统

• 按FTP75市区循环运行的车辆的车速及其加/减速度。
• 这一实例的参数为L=2.7m，La =0.4L，Lb=0.6L和hg=0.55m。从图 中可以看出：
• 1）前轮消耗约65%的总制动功率和能量，因此，若仅在一个轴 上实施再生制动，则在前轮上的再生制动比后轮上的再生制动将更 为有效。
• 2）在车速小于50km/h的范围内，制动力几乎为一恒值，且当车速 大于40km/h时，其值减小。
• 图所示为利用液压储能原理设计的一种制动能量再生回收系统。系 统由发动机、液压泵、液压储能器、联动变速箱、驱动桥、液控离 合器和液压控制系统组成。
• 3．电化学储能
• 其工作原理是：首先将车辆在制动或减速过程中的动能，通过 发电机转化为电能并以化学能的形式存储在储能器中；当车辆需要 起动或加速时，再将存储器中的化学能通过电动机转化为车辆行驶 的动能。
• dηp = 0
dim
• 得到最大回馈效率再生制动时的电动机电枢电流为
（8-7）
• im =
rm2 TL2+Ke2ΩrmTL−imTL Keim
（8-8）
• 3．恒定力矩制动方式
• 在制动力矩（电枢电流）不变的情况下，回馈到电池的电流将随 电动机反电动势的降低而减小，其初始值（也是最大值）不应超过 电池允许充电电流，否则在制动过程中能最不能得到有效的回收。
• 8.2.2 电动汽车的制动模式
• 1．急刹车 • 急刹车对应于制动减速度大于2m／s2 的过程。
• 2．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。 • 3．汽车下长坡时的刹车 • 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电荷状态和接受能力。
•8.4 前后轮的制动功率和制动能量
• 8.4.1 电动汽车制动力的分类
• 通常有再生制动的电动汽车还存在机械制动系统，其制动系统是 机械和再生制动（电制动）的复合。 • 它们之间的分配比例关系可以用图来表示，这只是一种三者之间的 分配关系，目的是保持最大的再生制动力矩的同时为驾驶人提供与 燃油车相同的制动感。
E
=
−L
di dt
(8-1)
• 当开关K闭合后，电机感应电动势引起的感应电流经过开关K形成回
路，感应电流i1为制动电流，其大小为
•
i1
=
−E
R2+R3
（8-2)
•
当开关K断开后，di 的绝对值迅速增大，由公式（8-1）知感应电动
dt
势E会相应地快速增大，当感应电动势大于蓄电池的电压，即E>U时，能
量实现回收，则能量收时的电流大小i2为
• 8.5.1 电动汽车制动能量回收系统的结构
• 电动汽车制动能量回收系统主要由两部分组成：电机再生制动部分 和传统液压摩擦制动部分。所以，该制动系统可以视为机电复合制动系 统。
• 电动汽车的制动系统为双回路液压制动系统+电动真空助力+电机再 生制动。
• 电动汽车的制动助力采用电动真空助力，保证踏板力符合习惯大小， 同时具有一定的制动脚感。
• 8.2.3 电动汽车制动能力收回要求
• (1)满足制动的安全要求，符合驾驶时的制动习惯 • (2)考虑驱动电动机的发电工作特性和输出能力 • (3)确保电池组在充电过程中的安全，防止过充 • 由以上分析可发现电动汽车制动能量的回收约束条件为：①根
据电池放电深度，即电池的荷电状态SOC的不同，电池可接受的最大 充电电流；②电池可接受的最大充电时间；③能量回收停止时电动 机转速，以及与此相对应的充电电流值。
• 制动过程中，制动控制器根据制动踏板的开度（实际为主缸压力）， 判断整车的制动强度，确定相应的摩擦制动和再生制动的分配关系。
• 8.5.2 电动汽车制动能量回收系统的原理
• 电动汽车制动能量回收系统的结构原理图，如图所示。电动汽车的 制动过程是由液压摩擦制动与电机再生制动协调作用完成的。再生制动 系统主要是由轮毂电机、电机控制器、逆变器、制动控制器和动力蓄电 池等主要部件组成。制动能量回收的实现过程如下：
• 8.1.3新能源汽车制动能量收回方法
• 1．飞轮储能 • 飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来储存和释放能量， 其基本工作原理是：当车辆制动或减速时，先将车辆在 制动或减速过程中的动能转换为飞轮高速旋转的动能； 当车辆再次起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的 动能通过传动装置转化为车辆行驶的驱动力。
• 8.4.3 前后轮的制动功率和能量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 假定在最初前后轮上的制动力分布遵循I曲线，并忽略不计阻力，则 施加于前后轮上的制动力可表达为
•
Fμ1
=
jm L
Lb
+
hg g
j
(8-9)
•
Fμ2
=
jm L
La
−
hg g
j
(8-10)
• 式中，j为车辆的负加速度(m/s2)；L为车辆的轮距；La和Lb分别为车辆 重心至前后轮中心之间的水平距离；hg为车辆重心至地面的高度，m为 电动汽车质量。
Rs还应满足：
•
Rs
>
2
1
Ls Cs
(8-5)
• 8.3.4 永磁电机再生制动策略
• 1. 最大回馈功率制动方式
•
当制动电流Im
=
Vm 2rm
时 ( rm 为 电 枢 电 阻， Vm 为 电 动 机 反 电 动 势) ，
电动机系统处于最大回馈功率再生制动状态，并将最大功率制动方
式应用于电动机车上。
• 阻止型高效缓冲吸收电路有三种类型：C型放电阻止型、RCD型 放电阻止型和双RCD型放电阻止型吸收回路，如图所示。
• 3. 缓冲吸收电路的设计要点 • 为保证每次关断前吸收电容的过电压放完，Rs应满足：
•
Rs
<
1 6Csf
(8-4)
• 式中，f 为开关器件的工作频率。同时，为防止Cs的放电引起振荡，
• 8.1.2 制动中的能量损耗
• 汽车在制动期间，消耗了较多的能量。例如，将1500kg车辆从 100km/h车速制动到零车速，在几十米距离内约消耗了0.16kW·h的 能量。如果能量消耗在仅克服阻力（滚动阻力和空气阻力）而没有 制动的惯性滑行中，则该车辆将行驶约2km，如图所示。
• 图展示了不同城市公交车工况的比例。表8-2列出了在不同的行 驶工况下，1500kg客车的最高车速、平均车速、驱动轮上的总牵引 能量，以及每100km行程因阻力和制动所消耗的总能量。
• 2. 电动汽车的复合制动
• 电动机制动的方法可分为机械制动和电气制动 两大类。电气制动又可分为反接制动、能耗制动 和回馈发电制动三种形式，其中的回馈发电制动 （即再生制动）就是制动能量回收的最有效方法。
• 另一方面，从电动汽车的角度来看，再生制动 产生的制动力矩通常不能像传统燃油车中的制动 系统一样提供足够的制动减速度。图示了再生制 动与机械摩擦制动结合的复合制动系统情况。
• 飞轮储能式制动能量再生系统构成如图所示，主要由发动机、高速 储能飞轮、增速齿轮、飞轮离合器和驱动桥组成。发动机用来提供 驱动车辆的主要动力，高速储能飞轮用来回收制动能量以及作为负 荷平衡装置，为发动机提供辅助的功率以满足峰值功率要求。
• 2．液压储能
• 其工作原理是：先将车辆在制动或减速过程中的动能转换成液 压能，并将液压能储藏在液压储能器中；当车辆再次起动或加速时， 储能系统又将储能器中的液压能以机械能的形式反作用于车辆，以 增加车辆的驱动力。
• 5.恒定充电功率制动方式
• 复合电源系统，分别采用恒定充电电流和恒定充电功率制动方 式下的超级电容充电电流和电枢电流实测结果。和恒定充电电流制 动方式相比，恒定充电功率制动方式更实用，而且由于蓄电池端电 压变化缓慢，其充电电流恒等效于充电功率恒定，因此可以说恒定 充电电流制动方式是恒定充电功率制动方式在以蓄电池作为电动机 回馈能量储存器件的系统中的一个实例。
• 3）从汽车理论知识可知，如果前轮先于后轮抱死，虽然失去了 转向能力，但整车还是稳定的；如果后轮先于前轮抱死，将导致整 车失去控制，极易发生严重交通事故。
•8.5 电动汽车的制动系统
• 电动汽车的再生制动给制动系统的设计添加了一些复杂性，呈现 出两个基本问题：一是如何在再生制动和机械摩擦制动之间分配所 需的总制动力，以回收尽可能多的车辆的动能；二是如何在前后轮 轴上分配总制动力，以实现稳定的制动状态。
• 2.最大回馈效率制动方式
• 最大回馈效率制动方式定义回馈效率为
•
ηp =
Vbib
= KeimΩ−im2 rm
TL+Keim Ω
TL+Keim Ω
(8-6)
• 式中，TL为负荷力矩；Vb为电源电压；ib为蓄电池充电电流；Ke为涡流损耗系 数；im为电枢电流；rm为电枢电阻；Ω为平均转速。
• 以im为自变量，即
• 一种用于前 轮驱动轿车的 电化学储能式 制动能量再生 系统如图所示。
•8.2 电动汽车制动模式
• 8.2.1 汽车的制动要求及电动汽车的复合制动
• 1.汽车的制动要求 • 一方面，在紧急制动状态下，必须有足够的制动力，能使汽车在 最短可能的距离中停止； • 另一方面，必须满足汽车的操控稳定性要求，即要保证驾驶人对 汽车方向的控制，不能失控。
• 1）在制动开始时，能量管理系统将动力蓄电池SOC值发送给制动控 制器，当SOC>0.8时，取消能量回收；当0.7≤SOC≤0.8时，制动能量 回收受电池允许的最大充电电流制约；当SOC<0.7时，制动能量回收不 受电池允许的最大充电电流制约。
• 2）制动控制器接收由压力传感器传送的主缸压力信号，并计算出 需求的电机再生制动强度上限。