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1、第 7章 再 生 制 動 的 基 本 原 理郵 箱 ： 網(wǎng) 上 教 學 資 源 ： http:/ 7.1 概 述 制 動 能 量 回 收 問 題 對 于 提 高 的 能 量 利 用 率 具 有 重 要 意 義 。 電 動 汽車 采 用 電 制 動 時 ， 驅 動 電 機 運 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 重 要 的 。 國 外 有 關 研究 表 明 ， 在 存 在 較 頻 繁 的 制 動 與 起 動 的 城 市 工 況 運 行 條 件 下 ， 有 效 地 回

2、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 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 特 性 、 電 機 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 操 作 習 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

3、 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 可 被 控 制 作 為 發(fā) 電 機 運 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 合 ） 之 中 ， 得 以 再 次 利 用 ， 以 延 長 其 續(xù) 行 駛 里 程 。 電 動 汽 車 制 動 可 分 為 以 下 三 種 模 式 ， 分 述如 下 ： 急 剎 車急 剎 車 對 應 于 制 動 加 速 度 大 于

4、的 過 程 。 出 于 安 全 性 方 面 的 考 慮 ， 急 剎 車應 以 機 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 控 制 提 供 相 應 的 機 械 制 動 力 。 中 輕 度 剎 車中 輕 度 剎 車 對 應 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 責 減 速 過 程 ， 停 止 過 程 由 機 械 剎 車完 成 。 兩 種 剎 車 的 切 換 點 由 電 機 發(fā) 電 特 性確 定 。 汽 車 下 長 坡 時 的 剎

5、 車 圖 7-1 再 生 制 動 和 機 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 。 7.2 制 動 中 的 能 量 損 耗 7.2 制 動 中 的 能 量 損 耗 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

6、速 公 路 US06 ECE-1 紐 約城 市最 高 （ km/h） 86.4 97.7 128 120 44.6平 均 車 速 （ km/h） 27.9 79.3 77.5 49.9 12.2 總 牽 引 能 量 （ kWh） （ 在 驅 動 輪 上 ） 10.47 10.45 17.03 11.79 15.51阻 力 所 消 耗 的 總 能 量 （ kWh） （ 在 驅 動 輪 上 ） 5.95 9.47 11.73 8.74 4.69制 動 所 消 耗 的 總 能 量 （ kWh） （ 在 驅 動 輪 上 ） 4.52 0.98 5.30 3.05 10.82制 動 能 量 對 于 總

7、牽 引 能 量 的 百 分 數(shù) （ %） 43.17 9.38 31.12 25.87 69.76 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 滿 足 以 下 要 求 ： 滿 足 剎 車 的 安 全 要 求 ， 符 合 駕 駛 員 的 剎 車 習 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 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

8、 有 能 量 回 收 系 統(tǒng) 的 電 動 汽 車 的 剎 車 過程 應 盡 可 能 地 與 傳 統(tǒng) 的 剎 車 過 程 近 似 ， 這 將 保 證 在 實 際 應 用 中 ， 系 統(tǒng) 有 吸 引 力 ， 可 以為 大 眾 所 接 受 。 考 慮 驅 動 電 機 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 或 感 應 異 步 電 機 ， 應 針 對 不 同 的 電 機 的 發(fā) 電 效 率 特性 ， 采 取 相 應 的 控 制 手 段 。 確 保 電 池 組 在 充 電 過 程 中 的 安 全 ， 防 止 過 充 電 動 汽 車 中 常

9、 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 汽 車 應 用 電 制 動 回 收 制 動 能 量 的 一個 難 點 ） 。 7.3 前 后 輪 上 的 制 動 功 率 和 能 量 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 ： 根 據(jù) 電 池 放 電 深 度 的 不 同 ， 電 池 可 接 受 的 最 大 充 電 電 流 。 電 池 可 接 受 的 最 大

10、充 電 時 間 。 能 量 回 收 停 止 時 電 機 的 轉 速 及 與 此 相 對 應 的 充 電 電 流 值 。 7.3 前 后 輪 上 的 制 動 功 率 和 能 量 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 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

11、 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 。 7.4.4 永 磁 直 流 無 刷 電 機 用 于 發(fā) 電 機時 的 控 制 電 路 7.4.4 永 磁 直 流 無 刷 電 機 用 于 發(fā) 電 機時 的 控 制 電 路 7.4.4 永 磁 直 流 無 刷 電 機 用 于 發(fā) 電 機時 的 控 制 電 路 7.4.4 永 磁 直 流 無 刷 電 機 用 于 發(fā) 電 機時 的 控 制 電 路 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

12、 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 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 ” 。 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

13、 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 耗 散 型 均 衡 充 電 方 案 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 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 電 容 均 衡 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

14、 流從 充 滿 的 單 體 電 池轉 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 移 路 徑 跨 度 小 ，均 衡 控 制 策 略 復 雜 ，能 耗 較 大 。 圖 雙 向 非 耗 散 型 電 流 分 流 器 7.5 電 源 管 理 系 統(tǒng) 分 散 式 直 流 變 換 模 塊 獨 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 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 雜

15、 ， 成本 較 高 。 圖 雙 向 隔 離 反 激 DC/DC 變 換 均 衡 器 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 ， 副 邊 側 每個 線 圈 對 應 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 雜 等 。 圖 同 軸 多 副 邊 繞 組 變 壓 器 均 衡 器 7.5 電 源 管 理 系 統(tǒng) 集 中 式 有 源 均 衡 在 無 源 均 衡 的 基 礎 上 ，通 過 外 接 電 源 ， 可 以實 現(xiàn) 電 池 組

16、 在 充 電 基礎 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 1 集 中 式 有 源 均 衡 7.5 電 源 管 理 系 統(tǒng) SOC（ State of Charge） 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 ： 、 以 保 持 電 池 性 能 的 均 勻 性 ， 最 終 達 到 延 長電 池 壽 命 的 目 的 。 、 避 免

17、 電 池 出 現(xiàn) 過 放 電 、 過 充 電 ； 、 合 理 的 能 量 分 配 ， 更 有 效 地 利 用 有 限 能 量 ； 、 預 測 車 輛 的 剩 余 行 駛 里 程 。 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 。 7.5 電 源 管 理 系 統(tǒng) 放 電 實 驗 法 放 電

18、 實 驗 法 是 最 可 靠 的 估 計 方 法 ， 采 用恒 定 電 流 進 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 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 。 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

19、量 。 如 果 充 放 電 起 始 狀 態(tài)為 ,那 么 當 前 狀 態(tài) 的 為 ： 其 中 , 為 額 定 容 量 ， 為 電 池 電 流 ， 為 損耗 反 應 過 程 中 消 耗 的 電 流 。 0SOC0 01 ( )t batt lossNSOC SOC I I dC SOCNC battI lossI 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 系 的 線 性 度不 如 鉛 酸 電 池 好 ,但 其 對 應 關 系 也 可 以 估 計 ,尤 其 在 充 電

20、初 期 和 末 期 效 果 較 好 ,常 與 安 時 計量 法 結 合 使 用 。 缺 點 是 需 要 長 時 靜 置 ,以 達 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 使 用 只 適 于 電 動 汽 車 駐 車 狀 態(tài) 。SOC 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 前 時 刻 的 值 ， 為 的 變化 量 ， 和 為 當 前

21、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) 。 SOCSOC SOCSOC SOC0 1 2 3( ) ( ) ( ) ( 1)( ) ( 1) ( )SOC i U i I i SOC iSOC i SOC i SOC i ( )SOC i ( )SOC i( )U i ( )I i 0 1 23 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 系 。 交 流 阻 抗 受 溫 度 影 響 大 ,是 對 電 池 處 于 靜 置后 的 開 路 狀

22、 態(tài) ,還 是 在 充 放 電 過 程 中 進 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 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 。SOC 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

23、最 小 方 差 意 義 上 的最 優(yōu) 估 計 ,應 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 。 SOCSOC SOC1 ( , )k k k k k k k kx A x Bku w f x u w ( , )k k k k k k ky C x v g x u v 7.5 電 源 管 理 系 統(tǒng)

24、 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡 法 由 于 電 池 是 高 度 非 線 性 的 系 統(tǒng) ,對 其 充 放電 過 程 很 難 建 立 準 確 的 數(shù) 學 模 型 。 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡方 法 具 有 非 線 性 的 基 本 特 性 ,具 有 并 行 結 構 和學 習 能 力 ,對 于 外 部 激 勵 ,能 給 出 相 應 的 輸 出 ,故 能 夠 模 擬 電 池 動 態(tài) 特 性 來 估 計 。 神 經(jīng)網(wǎng) 絡 法 適 用 于 各 種 電 池 。 SOC 小 結在 現(xiàn) 有 電 池 基 礎 上 電 池 管 理 系 統(tǒng) 目 標 是 ： 較 少 時 間 能 充 滿 電 ； 延 長 使 用 壽 命 ； 估 計 SOC要 準 確 。