再生制動的基本原理

第7章再生制動的基本原理目前一頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.1概述制動能量回收問題對于提高ＥＶ的能量利用率具有重要意義。電動汽車采用電制動時，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)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(guān)重要的。國外有關(guān)研究表明，在存在較頻繁的制動與起動的城市工況運(yùn)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(guān)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(xué)特性、電機(jī)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、又符合司機(jī)操作習(xí)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(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，得以再次利用，以延長其續(xù)行駛里程。

目前二頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點目前三頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點電動汽車制動可分為以下三種模式，分述如下：⒈急剎車急剎車對應(yīng)于制動加速度大于２ｍ／ｓ２的過程。出于安全性方面的考慮，急剎車應(yīng)以機(jī)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ＡＢＳ控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動力。⒉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。電剎車負(fù)責(zé)減速過程，停止過程由機(jī)械剎車完成。兩種剎車的切換點由電機(jī)發(fā)電特性確定。

⒊汽車下長坡時的剎車圖7-1再生制動和機(jī)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。目前四頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.2制動中的能量損耗目前五頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.2制動中的能量損耗目前六頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.2制動中的能量損耗表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US06ECE-1紐約城市最高（km/h）86.497.712812044.6平均車速（km/h）27.979.377.549.912.2總牽引能量（kWh）（在驅(qū)動輪上）10.4710.4517.0311.7915.51阻力所消耗的總能量（kWh）（在驅(qū)動輪上）5.959.4711.738.744.69制動所消耗的總能量（kWh）（在驅(qū)動輪上）4.520.985.303.0510.82制動能量對于總牽引能量的百分?jǐn)?shù)（%）43.179.3831.1225.8769.76目前七頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點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(yīng)滿足以下要求：⒈滿足剎車的安全要求，符合駕駛員的剎車習(xí)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(jī)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(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車過程近似，這將保證在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)有吸引力，可以為大眾所接受。⒉考慮驅(qū)動電機(jī)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(jī)或感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)針對不同的電機(jī)的發(fā)電效率特性，采取相應(yīng)的控制手段。⒊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(jī)汽車應(yīng)用電制動回收制動能量的一個難點）。目前八頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.3前后輪上的制動功率和能量目前九頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點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。③能量回收停止時電機(jī)的轉(zhuǎn)速及與此相對應(yīng)的充電電流值。目前十頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.3前后輪上的制動功率和能量目前十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點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，其控制目標(biāo)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制動力分布曲線Ⅰ。目前十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.4.4永磁直流無刷電機(jī)用于發(fā)電機(jī)時的控制電路目前十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.4.4永磁直流無刷電機(jī)用于發(fā)電機(jī)時的控制電路目前十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.4.4永磁直流無刷電機(jī)用于發(fā)電機(jī)時的控制電路目前十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.4.4永磁直流無刷電機(jī)用于發(fā)電機(jī)時的控制電路目前十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點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(dāng)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”。目前十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)耗散型均衡方案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。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目前十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)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。圖９電容均衡目前十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點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，但是能量的轉(zhuǎn)移路徑跨度小，均衡控制策略復(fù)雜，能耗較大。圖８雙向非耗散型電流分流器目前二十頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)分散式直流變換模塊獨(dú)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(dú)立的直流DC-DC變換器。缺點：需要的元器件數(shù)量多，且控制信號眾多，電路復(fù)雜，成本較高。圖６雙向隔離反激DC/DC變換均衡器目前二十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)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(yīng)一節(jié)單體電池。有單體到組、組到單體、雙向三種模式。缺點:變比有差異，均衡誤差大;布線復(fù)雜等。圖７同軸多副邊繞組變壓器均衡器目前二十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)集中式有源均衡在無源均衡的基礎(chǔ)上，通過外接電源，可以實現(xiàn)電池組在充電基礎(chǔ)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。

圖1０集中式有源均衡目前二十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)SOC（StateofCharge）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(dá)到延長電池壽命的目的。２、避免電池出現(xiàn)過放電、過充電；３、合理的能量分配，更有效地利用有限能量；４、預(yù)測車輛的剩余行駛里程。目前二十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)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。目前二十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點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(jìn)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(jìn)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。

目前二十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)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。如果充放電起始狀態(tài)為,那么當(dāng)前狀態(tài)的為：

其中,為額定容量，為電池電流，為損耗反應(yīng)過程中消耗的電流。

目前二十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)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(guān)系的線性度不如鉛酸電池好,但其對應(yīng)關(guān)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(jié)合使用。

缺點是需要長時靜置,以達(dá)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(dú)使用只適于電動汽車駐車狀態(tài)。目前二十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)線性模型法

C.Ehret等提出用線性模型法估計。該方法是基于變化量、電流、電壓和上一個時間點值,建立的線性方程為當(dāng)前時刻的值，為的變化量，和為當(dāng)前時刻的電壓和電流，、、與為通過最小二乘法得到的擬合系數(shù)。

目前二十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)內(nèi)阻法電池內(nèi)阻有交流阻抗和直流內(nèi)阻之分,它們都與有密切關(guān)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(jìn)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(zhǔn)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池的估計,可與安時計量法組合使用。目前三十頁\總數(shù)三十三頁\編于十二點7.5電源管理系統(tǒng)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(yīng)用于電池估計,電池被看成動力系統(tǒng),是系統(tǒng)的一個內(nèi)部狀態(tài)。狀態(tài)方程：觀測方程：

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。

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