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)不同的儲能方式,制動(dòng)能量回收主要有液壓儲能式、飛輪儲能式和電儲能式等3種類型

，電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收屬于電儲能式。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)化為電能并儲存在儲能器(蓄電池或超級電容器)

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,將儲存在儲能器中的電能轉(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%。能量存儲裝置電化學(xué)電池：電化學(xué)電池是汽車儲能的傳統(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，一直在汽車儲能中使用最廣泛但鉛酸電池作為制動(dòng)能量儲能系統(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)今各國能量存儲技術(shù)研究的熱點(diǎn)。超級電容：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裝置。超級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，從而飛輪儲能技術(shù)已成為汽車儲能的研究熱點(diǎn)之一。復(fù)合儲能系統(tǒng)：由于單純一種儲能電池往往很難適應(yīng)汽車儲能的要求，特別是對具有再生制動(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)合儲能系統(tǒng)大多是采用超級電容與其他動(dòng)力電池組合應(yīng)用，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在對超級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表示駕駛員對加速踏板的操縱，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