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新能源汽车制动能量收回系统第8章•新能源汽车制动能量收回，又称能量再生制动（简称再生制动），是指在车辆减速或制动时，使驱动电机作于发电机工况，将车辆的一部分惯性动能转化为电能并回馈至电源的过程。新能源汽车制动能量收回概述8.1新能源汽车制动能量回收概述•8.1.1城市公交车工况•纯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力。纯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（各种蓄电池、超级电容、超高速飞轮或者它们之间的复合）之中，以延长其续行驶里程。•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。•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。•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。•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。•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。•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。•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。•8.2.3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。•8.3.1制动能量回收基本原理•再生制动系统的发电电压总是低于蓄电池的电压，为了使再生制动产生的电能存储在储能装置中，必须采用电子制动控制系统使电机工作于发电状态。制动能量回收的基本原理如图所示。•8.3永磁电动机再生制动•感应电动势E与感应电流i随时间t的变化有如下关系：•E=−Ldidt(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=−ER2+R3（8-2)•当开关K断开后，didt的绝对值迅速增大，由公式（8-1）知感应电动势E会相应地快速增大，当感应电动势大于蓄电池的电压，即EU时，能量实现回收，则能量收时的电流大小i2为•i2=E−UR1+R3(8-3)•8.3.2永磁电机再生制动电路•电动汽车所用的永磁电动机一般为永磁直流电动机和永磁交流电动机。永磁直流电动机和永磁交流电动机本质统一，永磁交流电动机常等效成相应的直流电动机进行分析。•永磁直流电动机再生制动电路原理图如图所示。•8.3.3IGBT缓冲吸收电路的设计主要考虑以下几个方面：•1.过电压产生的原因•大功率IGBT使用的驱动电路板上一般提供IGBT的驱动电路、过电流保护、软降栅压和软关断驱动保护电路，这些保护措施是一种逐个脉冲保护。该-di/dt在主回路的布线上引起较大的-Ldi/dt，如图所示。•2.缓冲吸收电路的工作原理•抑制过电压的有效方法是采用缓冲吸收电路(SnubberCircuit)。IGBT的关断缓冲吸收回路分为充放电型和放电阻止型两类。•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：•Rs16Csf(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，Rs还应满足：•Rs12LsCs(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=Vm2rm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。•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=VbibTL+KeimΩ=KeimΩ−im2rmTL+KeimΩ(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•dηpdim=0（8-7）•得到最大回馈效率再生制动时的电动机电枢电流为•im=rm2TL2+Ke2ΩrmTL−imTLKeim（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。•4．恒定充电电流制动方式•电动机初始反电动势为100V，电池电压为120V，蓄电池充电电流为40A情况下的蓄电池充电电流ib和电动机电枢电流im的关系。由图可知，控制系统在车辆制动过程中维持蓄电池充电电流40A，而随着车辆的减速，电动机反电动势持续下降，电枢电流持续上升，其峰值达到130A左右。•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。•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。•8.4.2理想的前后轮制动力分配•由汽车设计理论可知，前、后轮同时抱死拖滑时附着条件利用得最好。当汽车前、后车轮同时抱死时，此时的前后轴车轮的制动器制动力Fμ1和Fμ2是理想的前、后轮制动器制动力，并且是轮胎与地面间的附着系数φ的函数。以理想的前、后轮制动器制动力Fμ1和Fμ2为坐标绘制Fμ1和Fμ2的关系曲线，即为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线，简称I曲线。•8.4.3前后轮的制动功率和能量•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=jmLLb+hggj(8-9)•Fμ2=jmLLa−hggj(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。•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。•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。•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。•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：•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SOC0.8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SOC0.7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。•3）制动控制器根据电动机转速，计算电机实际能够提供的制动强度。•4）比较需求的电机再生制动强度上限和电机实际能够提供的制动强度，并将结果作为电信号发送给电机控制器。•5）此时的电动机工作在发电机状态下，可以提供电压恒定流向的电流，再通过逆变器限制电机产生的最高电压和对电压进行升压，以便满足电流输出要求，充到动力蓄电池组中。•6）为了保护电池，能量管理系统需要时刻监测电池温度，温度过高则停止制动能量回收。•8.5.3电动汽车制动能量回收控制策略•1.前后轴制动力理想分配时的控制策略•如图所示，当给出的减速指令（由制动踏板提供）小于0.2g设定值时，仅电机再生