小組：電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的回收系統(tǒng)

電動(dòng)汽車制動(dòng)能量的回收系統(tǒng)前

言制動(dòng)能量回收是指汽車減速或制動(dòng)時(shí),將其中一局部機(jī)械能(動(dòng)能)

轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,并加以再利用的技術(shù)。根據(jù)不同的儲(chǔ)能方式,制動(dòng)能量回收主要有液壓儲(chǔ)能式、飛輪儲(chǔ)能式和電儲(chǔ)能式等3種類型

，電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收屬于電儲(chǔ)能式。根本原理是:通過具有可逆作用的發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)電能和汽車動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。在汽車制動(dòng)或減速時(shí),發(fā)電機(jī)/

電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)形式工作,汽車行駛的動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能器(蓄電池或超級(jí)電容器)

中；在汽車起動(dòng)或加速時(shí),發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式工作,將儲(chǔ)存在儲(chǔ)能器中的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能給汽車。汽車能量回收系統(tǒng)的主要目的，就是使汽車行駛時(shí)的節(jié)能效果最正確，即盡可能多地回收汽車制動(dòng)前的能量(動(dòng)能或勢能)，在汽車起步或加速時(shí)，盡可能多地將系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量釋放出來，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗最小。從而改善汽車的能量利用效率,

提高汽車?yán)m(xù)駛里程。有關(guān)研究說明,如果有效地回收制動(dòng)能量,電動(dòng)汽車大約可降低15

%的能量消耗,其續(xù)駛里程將提高10%～30%。能量存儲(chǔ)裝置電化學(xué)電池：電化學(xué)電池是汽車儲(chǔ)能的傳統(tǒng)選擇，主要包括鉛酸電池(Lead—acid)、鎳金屬電池(Cd—Ni和MH—Ni)、鋰電池(Li—ion和Li—polymer)等。鉛酸電池可靠性高、原料易得、本錢低、適用溫度和電流范圍大，一直在汽車儲(chǔ)能中使用最廣泛但鉛酸電池作為制動(dòng)能量儲(chǔ)能系統(tǒng)，而存在的缺點(diǎn)主要是充電速度慢、循環(huán)使用壽命過低等。鎳金屬電池有Cd—Ni和MH—Ni電池，但由于鎘對(duì)環(huán)境有污染，很多國家限制開展和使用Cd—Ni電池。MH—Ni電池是一種綠色鎳金屬電池，具有很高的能量存儲(chǔ)能力；但它的單元電池額定電壓較低，僅為1．2

V左右(鉛酸電池2V)，這就導(dǎo)致構(gòu)成相同額定電壓的鎳金屬電池單元數(shù)目比鉛酸

電池要多2／3，增加了電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，另外，鎳金屬電池還存在記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問題。鋰電池是上世紀(jì)末開展起來的高容量可充電電池，能夠比MH—Ni電池存儲(chǔ)更多的能量：比能量大，循環(huán)壽命長，自放電率小，無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染，是當(dāng)今各國能量存儲(chǔ)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。超級(jí)電容：也稱雙層電容器，是最近幾年隨著新電極材料的出現(xiàn)而提出的能滿足汽車能量和功率實(shí)時(shí)變化要求的一種能量存儲(chǔ)裝置。超級(jí)電容容量是同等體積下的普通電容器容量的2000—6000倍，放電電流可達(dá)幾千安培，能量密度高于傳統(tǒng)電容器近百倍，瞬時(shí)放電功率比蓄電池高10倍以上，充放電效率高，不需要維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長達(dá)10年以上，并且可以保護(hù)蓄電池，極有開展前途。

飛輪電池：為一種以動(dòng)能方式存儲(chǔ)能量的機(jī)械電池。近年來由于高強(qiáng)度碳素纖維和玻璃纖維出現(xiàn)以及電磁懸浮、超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)、真空技術(shù)的開展，使飛輪允許線速度可達(dá)500～1000m／s，單位質(zhì)量的動(dòng)能儲(chǔ)量大大增加，機(jī)械摩擦與風(fēng)力損耗又極大地降低，從而飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已成為汽車儲(chǔ)能的研究熱點(diǎn)之一。復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)：由于單純一種儲(chǔ)能電池往往很難適應(yīng)汽車儲(chǔ)能的要求，特別是對(duì)具有再生制動(dòng)的汽車能量的充分回收與利用，要考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的比能量、比功率、使用壽命、充電效率、本錢等各方面的因素，這時(shí)可以采用復(fù)合儲(chǔ)能的方式，揚(yáng)長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)能量回收最大化，能量利用的最優(yōu)化。目前的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)大多是采用超級(jí)電容與其他動(dòng)力電池組合應(yīng)用，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在對(duì)超級(jí)電容與其他電源共同工作進(jìn)行研究。電動(dòng)汽車制動(dòng)過程能量轉(zhuǎn)換汽車以初始車速v0，減速至車速v1過程中,假設(shè)忽略汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)阻力和坡道阻力,其能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中,m為汽車質(zhì)量；Wf為滾動(dòng)阻力所作的功,Wa為空氣阻力所作的功；Wb為制動(dòng)力所作的功。其中，滾動(dòng)阻力和空氣阻力所消耗的能量無法加以回收利用。制動(dòng)力一般由機(jī)械摩擦制動(dòng)力和電機(jī)再生制動(dòng)力兩局部組成,摩擦制動(dòng)力做功是將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?逸散于大氣中而無法加以利用,只有再生制動(dòng)力所做的功才能被利用。通常汽車制動(dòng)過程可以分為緊急制動(dòng)、正常制動(dòng)、下長坡緩制動(dòng)等3類。

(1)

緊急制動(dòng)。一般汽車緊急制動(dòng)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)減速度往往大于3m/s^2,某些情況下,甚至能到達(dá)8~7m/s^2。從平安角度考慮,緊急制動(dòng)時(shí)應(yīng)以機(jī)械摩擦制動(dòng)為主,電機(jī)制動(dòng)也發(fā)揮作用,但由于緊急制動(dòng)過程非常短,因此能夠回收的制動(dòng)能量比擬少。另外根據(jù)對(duì)汽車行駛工況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果,緊急制動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)機(jī)很少。

(2)

正常制動(dòng)。該制動(dòng)過程可分為減速過程與停止過程,其中減速過程對(duì)應(yīng)的制動(dòng)減速度小于3m/s^2,主要由電機(jī)再生制動(dòng)發(fā)揮作用,使汽車減速的同時(shí)再生制動(dòng)能,停止過程主要由摩擦制動(dòng)完成。因此正常制動(dòng)能夠回收的制動(dòng)能量較多。該制動(dòng)過程應(yīng)以機(jī)械為主電剎車同時(shí)作用在急剎車時(shí)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(dòng)力。

(3)

下長坡緩制動(dòng)。汽車長下坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時(shí),在制動(dòng)力要求不大時(shí),可完全由電機(jī)再生制動(dòng)提供。因此這局部制動(dòng)能量也可以回收,但回收能量較小。因此,為了提高電動(dòng)汽車的能量利用率,在制動(dòng)過程中應(yīng)盡可能多的讓電機(jī)再生制動(dòng)力發(fā)揮作用,最大限度地回收所有除空氣阻力和滾動(dòng)阻力以外的能量。此外,由于汽車在制動(dòng)過程中,前軸荷增加而后軸荷減少,故采用前驅(qū)動(dòng)可以增大整車制動(dòng)能量回收潛力。

根據(jù)制動(dòng)車速與制動(dòng)時(shí)間的不同，對(duì)電動(dòng)汽車制動(dòng)的上述三種情況應(yīng)采用不同的控制策略。制動(dòng)力分配方法制動(dòng)力分配方法如圖2所示。在收加速踏板階段，車輛只有前軸獲得電機(jī)提供的制動(dòng)力，后軸無制動(dòng)力。在滑行階段，仍然只有前軸獲得電機(jī)提供的制動(dòng)力，后軸無制動(dòng)力。在踩制動(dòng)踏板階段，前后軸均獲得來自摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力，且前軸額外獲得了來自電機(jī)的回饋制動(dòng)力。制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的控制算法ACC為加速踏板開度；Tdrv為電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Treg為電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，A1、A2為加速踏板開度門限值，利用加速踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)的回饋轉(zhuǎn)矩算法利用加速踏板進(jìn)行回饋制動(dòng)的回饋轉(zhuǎn)矩與加速踏板的動(dòng)作密切相關(guān)，加速踏板開度的大小可以反映駕駛員需求制動(dòng)強(qiáng)度的大小，而加速踏板開度變化率的符號(hào)表示駕駛員對(duì)加速踏板的操縱，加速踏板開度變化率＞0表示駕駛員正在踩加速踏板，加速踏板開度變化率＜0表示駕駛員正在收加速踏板，加速踏板開度變化率絕對(duì)值的大小可以反映駕駛員操縱意圖的緊急程度。因此收加速踏板階段的電機(jī)回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由加速踏板開度和加速踏板開度變化率來決定。設(shè)計(jì)模糊邏輯控制器如下列圖所示。制動(dòng)能量回收的約束條件實(shí)用的能量回收系統(tǒng)要滿足以下方面的要求

〔1〕滿足剎車的平安要求符合駕駛時(shí)的剎車習(xí)慣

剎車過程中對(duì)平安的要求是第一位的我們需要找到電剎車和機(jī)械剎車的最正確結(jié)合點(diǎn)在確保平安的前提下盡可能多的回收能量應(yīng)充分考慮電動(dòng)汽車的駕駛員和乘客的感受具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車的剎車過程應(yīng)盡可能的與傳統(tǒng)的剎車過程近似這將保證在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)可以為群眾所接受。

〔2〕考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力

電動(dòng)汽車中常用的是永磁直流電機(jī)和感應(yīng)異步電機(jī)應(yīng)針對(duì)不同的電機(jī)的發(fā)電效率特性采取相應(yīng)的控制手段。

〔3〕確保電池組在充電過程中的平安防止過充

電動(dòng)汽車中常用的電池為鎳氫電池鋰電池和鉛酸電池應(yīng)深入考察不同電池的充放電特性防止充電電流過大或充電時(shí)間過長。關(guān)鍵技術(shù)難題(1)如何精確控制問題

制動(dòng)過程本身就是一個(gè)短暫的過程，因此對(duì)它的控制顯得非常困難，特別是如何準(zhǔn)確的、快速的控制以及控制的穩(wěn)定性，這都是急需解決的技術(shù)難題。

(2)與汽車其他系統(tǒng)匹配協(xié)調(diào)的問題

目前的汽車的電控單元越