（车辆工程专业论文）电动汽车制动能量回收试验台技术研究.pdf

k 安人学硕士学位论文 摘要 续驶旱程短是制约电动汽车发展的一个关键因素，而制动能量回收技术在电动汽车 上的应用可以降低其能耗，达到提高续驶里程的目的。制动能量回收试验台能够在新车 开发出来之前为电动汽车制动能量回收系统的研究和开发提供完整的试验平台，因而研 发电动汽车制动能量回收试验台具有重要意义。 本文以电动汽车制动能量回收试验台的研发为目的，通过对电动汽车用电机和电动 汽车整车制动能量回收原理的分析，推导出电动汽车制动过程所受的行驶阻力与制动力 的计算公式以及制动过程中理论上能够回收的制动能量；在满足试验台基本功能和要求 的前提下，结合实验室建设的具体情况，参照大客车底盘综合试验台，制定了电动汽车 制动能量回收试验台的总体设计方案，并根据总体设计方案进行了试验台结构与控制系 统的设计；结合电动汽车用电机及其控制器试验相关标准的要求，提出了制动能量回收 的台架试验方法。 关键词：电动汽车，试验台，制动能量回收，结构设计，控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t s h o r tc r u i s ed i s t a n c ei sak e yf a c t o rw h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e s ( e v ) ，w h i l et h ea p p l i c a t i o no fb r a k i n g 。e n e r g yr e c o v e r yt e c h n i q u ec o u l db ed e c r e a s e e n e r g yc o n s u m eo fe v , a t t a i nt h ep u r p o s et h a ti n c r e a s et h ec r u i s ed i s t a n c e b r a k i n g e n e r g y r e c o v e r yt e s tr i gc o u l db eo f f e rat e s t i n gr i gf o rs t u d y i n ga n dd e v e l o p m e n to fb r a k i n g e n e r g y r e c o v e r ys y s t e mo fe vb e f o r e t h ep r o d u c eo fn e we v , t h e r e f o r e ，s t u d ya n dd e v e l o p b r a k i n g e n e r g yr e c o v e r y t e s tr i go fe vh a v ev e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ep u r p o s eo ft h i ss u b j e c ti ss t u d ya n dd e v e l o pb r a k i n g - e n e r g yr e c o v e r yt e s tr i go fe v t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l e so fb r a k i n g e n e r g yr e c o v e r ya b o u tm o t o ra n dw h o l ev e h i c l e o fe v , g a i n e dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l af o rd r i v i n g - r e s i s t a n c ea n db r a k i n g - f o r c ei nb r a k e p r o c e s so fe v , c a l c u l a t e dt h er e c o v e r a b l eb r a k i n g - e n e r g y w i t ht h ep r e c o n d i t i o no fs a t i s f y b a s i cf u n c t i o na n dd e m a n do ft e s tr i g ，t h i ss u b j e c tc o n s i d e r e dt h ec o n d i t i o no fl a b o r a t o r y ，a n d c o n s u l t e dt h em o t o rc o a c hc h a s s i si n t e g r a t i o nt e s tr i g ，m a d ec o l l e c t i v i t yd e s i g n o f b r a k i n g e n e r g yr e c o v e r yt e s tr i go fe v b a s e do nt h ec o l l e c t i v i t yd e s i g n ，t h i sp a p e rd e s i g n e d t h ec o n s t r u c t r u ea n dc o n t r o ls y s t e mo ft e s tr i g c o n s i d e r i n gt h er e l a t i v er e q u i r e m e n ta b o u t c h i n a sc r i t e r i o no fe v sm o t o ra n dc o n t r o l l e rt e s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h er i gt e s t i n g m e t h o do fb r a k i n g - e n e r g yr e c o v e r y k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；t e s tr i g ；b r a k i n g - e n e g yr e c o v e r y ；c o n s t r u c t r u ed e s i g n ： c o n t r o ls y s t e m i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 忽令镌 2 d d 7 年4 月2 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：怎会荔鸳2 叩7 年4 月名7 日 导师签名：z 口j 7 年月z7 日 k 安人学硕士学位论文 第1 章绪论 随着环境污染和能源短缺等方面问题的日益严峻，电动汽车以其清洁无污染、能量 效率高和能量来源多样化等优点成为汽车发展的新热点。但是续驶里程短严重地阻碍 了电动汽车的商品化，因此，作为降低电动汽车能耗、提高其续驶里程手段之一的制动 能量回收技术己成为电动汽车研究领域的热点。为避免电动汽车制动能量回收系统设计 的盲目性，使得在新车开发出来之前就能够对其制动能量回收系统的性能作出更好的设 计与研究，电动汽车制动能量回收试验台的研发成为当务之急。 1 1 课题研究的背景 一百多年来，汽车作为人类生产活动的一种工具，给人类带来了便捷的出行、舒适 的生活和巨大的财富。但就在其为世界创造可观经济价值的同时，也带来了诸如能源危 机与环境恶化等一系列负面影响。据估算，目前全球保有汽车所消耗的石油约占到全球 石油年产量的一半。伴随世界汽车保有量每年数以千万辆的增长速度，地球上现已探明 的石油储量将在5 0 年内消耗殆尽心1 ；与此同时，汽车燃烧油料所产生的大量有毒、有害 气体也对大气环境造成了极大的破坏，其对人类健康的威胁已经成为全球性的灾难! 掘 此，发展电动汽车是交通运输业发展的必然趋势，也是汽车工业发展的总趋势。 电动汽车口3 ( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 是至少以一种动力源为车载电源，全部或部 分由电机驱动，符合道路交通安全法规的汽车。它因车载动力系统不同可分为三类：以 车载燃料电池为动力的燃料电池电动汽车；以车载蓄电池为动力的蓄电池电动汽车，办 称之为纯电动汽车；以车载多能源为动力的混合动力电动汽车，其动力来自两个或两个 以上能源，如蓄电池，超级电容，飞轮电池，太阳能，内燃机，燃气轮机，斯特林发动 机等。 电动汽车有着良好的环保效果、能量效率高和能量来源多样化等优点，所以发展电 动汽车是今后汽车发展的方向这一观点在世界各国己经形成了认同。但另一方面，目f j i 电动汽车初始成本高和续驶里程不理想又严重制约了电动汽车发展，尤其是续驶里程不 理想，成为制约电动汽车发展的一大瓶颈。造成目前电动汽车续驶旱程短这一问题的原 因主要是由于电动汽车用蓄电池的功率密度比较小，电动车能够携带的蓄电池能量有 限。目前，一般电动汽车的续驶晕程为1 5 0 k m 左右( 见表1 1 ) ，和传统的内燃机汽车相 比还相差太远。 第1 章绪论 表1 1国内外部分电动汽车的技术数据h _ 车型 研制单位电池类型续驶里程( k m ) y w 6 1 2 0远望集团铅酸 1 6 5 e v 6 5 8 0清华人学铅酸 1 2 0 微型厢式车天律汽研所铅酸 9 0 e v 二l美国通用铅酸 1 4 4 s 1 0美国通用铅酸8 0 r a n g e r 美国福特 铅酸 8 0 e p l c 克莱斯勒镍氢 1 2 8 p l u s日本丰田镍氧2 2 0 在电动汽车的开发应用过程中，需要解决的关键技术阳7 1 有： 电池技术：目前制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想，主要表现为蓄 电池的比能量、比功率不够大，造成续驶里程不够长：充电时间较长，使用不方便；使 用寿命短，成本高。随着科学技术的发展，现在电动汽车的电池技术得到了飞速发展， 己达到实用化要求。电动汽车用电池的发展大致经历了三个阶段。第一阶段采用铅酸蓄 电池。第二阶段采用的蓄电池有镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、钠硫蓄电池、钠氯化镍蓄电 池、锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池、锌空气蓄电池和铝空气蓄电池等多种蓄电池。第 二代蓄电池的比能量和比功率都比铅酸蓄电池高，大大提高了电动汽车的动力性能和续 驶里程。第三阶段采用以燃料电池和飞轮电池为代表的蓄电池。燃料蓄电池是一种将燃 料( 氢气或碳氢化合物) 和氧化剂( 氧气或空气) 的化学能通过电极反应直接转化为电 能的发电装置。与普通蓄电池相比，不需要更换或充电，因而能像发动机一样连续地向 外提供能量。飞轮蓄电池是2 0 世纪9 0 年代才发展起来的新型电池，用物理方法实现储 能。即把电能转化为飞轮的动能，使用时再将动能转化为电能。另外还有太阳能电池等。 高功率密度驱动电机的研究与开发：电机是电动车的关键部件，要使电动车具有良 好的性能，驱动电机应具有较宽的调速范围及较高的转速，足够大的启动扭矩，体积小、 质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。目前电动车所采用的电动机中，直 流电机基本上已被交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机所取代。电动车所采用的 电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。 驱动技术：电动机的驱动方案有集中驱动、车桥驱动、双电机驱动及轮毂电机驱动， 2 k 安人学硕十学位论文 其中轮毂电机驱动更有利于实现机电一体化和现代控制技术。各种驱动方案实现的关键 是实现对驱动电机的调速控制和行驶系统控制。因此，首先要建立准确适用的数学模型 和控制模型，在此基础上研究控制算法，开发控制单元。 制动能量回收技术：汽车在运行中，特别是在市区运行中，加减速、刹车频繁重复， 这种运动状态下汽车的动能无谓地转化为热量等而被废弃，再次启动时又必须消耗大量 能量。因此，要提高电动车的续驶里程，除了开发高能电池外，还需要通过一定方式将 电动车在运行过程中白白消耗掉的能量进行回收，这种技术就是制动能量回收技术。在 电动汽车上，目前普遍实现的是再生制动能量回馈技术。电动机可以作为发电机在制动 时把车辆的运动能再生为电能回收，通过这一制动再生可节省能量，并使电动车的一次 充电行驶距离增加1 0 - - 一2 0 ，但是，由于过充电及急速充电等问题，使电动机和蓄电池 的工作条件变得很复杂，对控制系统也提出了很高的要求。为解决这些问题，现在多采 用机械制动( 液压或气压) 和再生制动( 电机制动) 进行权衡性控制的方法，并取得了 很好的效果。 本文将针对电动汽车制动能量回收技术进行制动能量回收试验台的研制，使得在电 动汽车新车开发出来之前能够对其制动能量回收系统的性能进行更好的设计与研究，达 到节约电动汽车开发成本，缩短开发周期的目的。 1 2 电动汽车制动能量回收试验台研究的现状及意义 面对能源危机与环境污染两大问题，电动汽车在二十一世纪毋庸置疑地将会有一个 较大的发展，所以，如何有效利用电动汽车制动能量回收系统从而提高电动汽车的续驶 里程成为摆在我们面前亟待解决的问题。 1 2 1 电动汽车制动能量回收试验台研究的现状 制动能量回收这项技术最早应用于电力机车，在机车减速时回收制动能量。而制动 能量回收应用于汽车始于上世纪6 0 年代阳一1 ，汽车设计者们注意到了电动机车应用制动 能量回收技术后显著的节能效果，就尝试在直流电机驱动的电动汽车上应用再生制动系 统，并获得了成功。由于电动汽车的关键技术电池技术一直没有突破，制动能量回 收这个电动汽车的独有技术一直发展缓慢。到了上世纪8 0 年代，随着混合动力汽车成 为下一代节能汽车的发展方向，制动能量回收这项技术又得到了人们的重视。1 9 9 7 年丰 田公司推出了第一辆产品化的混合动力轿车p r i u s n 玑川，跟着1 9 9 9 年本阳公司也推出了 3 第l 章绪论 一辆产品化的混合动力轿车i n s i g h t 引。这两款成熟的混合动力轿车都应用了再生制动系 统，p r i u s 回收的制动能量大约可以使续驶里程增加2 0 ，i n s i g h t 回收的制动能量大约 可以使续驶里程增加3 0 。但在那时，由于制动能量回收系统采取机械制动子系统常开， 制动能量回收子系统只是辅助工作这样的控制策略，汽车能够回收的制动能量很有限， 而且汽车制动时可以明显感觉到制动力的不均匀性，汽车回收的制动能量有限以及制动 力不均匀这两个问题成为当时制动能量回收技术的两大缺陷。 美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学( u n i o nc o l l e g es c h e n e c t a d yn e wy o r k ) 对大型 客车的回馈制动的建模进行了研究，该车满员为3 0 人，满载重量可达1 2 ，4 7 4 k g ，采用 飞轮储能。在设定的城市平均驾驶循环中( 其特点为加速、减速很快，匀速运行的距离 短，停车时间短，整个循环为5 6 秒) 进行了定量的经济性分析。在此循环中制动时的 惯性能量占总能量的5 9 可以给予回收。通过理想的能量回馈系统可以使每辆车的燃料 消耗成本从1 2 ，2 7 0 美元年降到5 , 0 3 0 美元年。 目前国内关于制动能量回收技术的研究还处于初级水平，现多停留在理论分析和计 算机仿真阶段，只有个别单位在进行利用超级电容实现制动能量回收的研究工作n 引。在 网上发现对电动汽车的制动能量回收的文章很多，国内己有不少高校和研究所在实验， 预期都不低。但由于电池的技术瓶颈，几乎还没有一辆具有商业价值的电动汽车n 利，特 别是在能量回收方面，国内的再生制动技术水平还比较低，还存在着机械制动子系统常 开式，制动力不可控制，能量回收有限等问题。所以我国在目前的环境下，对于制动能 量回收的研究很有必要。 至于电动汽车试验台方面，国外从事电动汽车试验台技术的研究鲜有报道，国内也 只有少数科研院所从事相关的研究。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的陈全 世、伦景光等主持完成了“电动汽车电池、电机、电控及整车性能综合测试系统研制” 的课题。该成果为国家“八五”科技攻关电动车项目的一个成果，研制出了电动汽车牵 引电池变工况试验台、驱动电机及其控制系统和电动轮试验台，建立了一套包括整车转 鼓试验台及电动汽车设计、数据传输和多功能计算机在内的局部网络。该成果的性能指 标达到了攻关合同的要求，具有国外九十年代类似设备的先进水平，该测试系统的成本 却只有国外同类测试设备的十分之一或几十分之一，具有很大的推广潜力，不但为完成 “八五”国家重点科技攻关项目电动汽车关键技术研究奠定了基础，而且为国内其 它单位进行电动汽车试验研究提供了试验条件，并于1 9 9 6 年5 月攻关专题通过了机械 工业部组织的鉴定。另外，北京理工大学开发了电动汽车电机试验台；清华大学还丌发 4 了一个8 0 k w 直流电机试验台架和一个2 2 0 k w 交流电机试验台架等。 而电动汽车制动能量回收试验属于电动汽车试验台的一个分支功能，目前相关研究 在国畦j p i 还没有报道。而面对世界各国都将大力发展电动汽车的良好形势，电动汽车的 制动能量回收技术研究急需在实车开发出柬之前就能进行制动能量回收系统性能的试 验，电动汽车制动能量回收试验台就是在这种情况下而研发的。 1 2 2 电动汽车制动能量回收试验台研究的意义 电动汽车与传统燃油车辆的一个最重要的区别便是电动汽车可以实现再生制动( 制 动能量回收) ，能回收一部分传统燃油车辆在制动过程中损失的能量，从而提高电动汽 车的续驶里程。 再生制动“”是指将车辆的动能依靠发电机储存在电动车的储能装置中重新加以回 收利用。传统的燃油汽车在制动时是将汽车的惯性能量通过制动器的摩擦转化成无法回 收的热能散发到周围环境中消散掉了。对于电动汽车而言，由于电机具有可逆性，即电 动机在特定的条件下可以转变成发电机运行因此可以在制动时采用回馈制动的办法 使电机运行在发电机状态，通过设计好的电力装置将制动产生的回馈电流充入储能装置 中，这样就可以回收一部分可观的惯性能量，提高电动汽车的行驶里程。回馈制动能够 回收的惯性能量在不同类型的汽车和不同的运行工况中差别很大，对于城市交通用的电 动汽车来说，由于在城市交通中有频繁的制动、起动，属于可回收惯性能量较多的工况。 据国外的文献分析表明“，城市典型工况中大型载客巴士制动时消耗的惯性能量可达 发动机发出的总能量的5 9 。 汽车制动过程中各制动因素消耗的惯性能量 组成的典型分布如图1 1 所示，其中消耗在制动 器上的惯性能量是可回收的，约占总惯性能量的 9 1 ，即理论上可回收的惯性能量约占发动机发 出的总能量的5 4 ( 5 9 x 9 l ) 。如果我们能够 对这部分能量加以回收利用，就可以有效提高电 动汽车的续驶里程。图l1 各制动因素消耗的惯性能量组成 但是，电动汽车研发过程中的制动能量回收技术研究一直处于仿真阶段，进一步的 验证需要一个真实的试验环境；另一方面，电动汽车的制动能量回收技术目前只能是定 性的、预见性的分析，或者初步遇到，最终将如何解决，尚需要一定的手段和技术平台， 第l 章绪论 特别是制动能量的回收时蓄电池充电接受能力的试验更需要在试验台上完成，而电动汽 车试验台恰恰提供了一个解决上述关键技术的研究平台。开发电动汽车制动能量回收试 验台的目的是使得在电动汽车新车开发出来之前就能够对其制动能量回收系统进行设 计和研究，从而更加有效地提高电动汽车续驶里程。因此，电动汽车制动能量回收试验 台的研究对于电动汽车的开发和应用有着极为重要的意义。 1 3 论文研究的主要内容 电动汽车己成为汽车发展的一个方向，它以无污染、低噪声获得了人们的青睐。但 电动汽车的研制需要有很大的投入，而解决这个问题较好的方法就是台架试验，通过台 架试验可以了解到设计上的缺陷，以达到优化设计、降低电动汽车研发成本的目的。 本论文将要研究的主要内容有： 1 ) 根据电动汽车用电机的类型分别分析所用电机的制动能量回收原理，进而分析 电动汽车整车的制动能量回收原理。 2 ) 通过对电动汽车制动过程的分析划分出电动汽车的制动模式，对电动汽车制动 过程的力学以及动力学进行分析，得出电动汽车制动时所受的行驶阻力与制动力以及制 动过程中理论上能够回收的制动能量。 3 ) 进行电动汽车制动能量回收试验台的总体设计。在进行试验台的总体设计时兼 顾到电动汽车研发所需进行的各项试验，使试验台不局限于单一的制动能量回收试验研 究，具有通用性和可扩展性。 4 ) 根据总体设计方案进行试验台的结构和控制系统的设计研究。 5 ) 根据相关标准制定电动汽车制动能量回收台架试验的试验组织与试验步骤。 6 长安人学硕士学位论文 第2 章制动能量回收技术原理 电动汽车厂直流电机( 裹盏主橥f ，感应电机 曩萎萎 电动汽车jf 琢胜屯饥【绕缘式 用电机l 交流电机f 正弦波驱动t 同步电机 0 ，t 0 ，如图2 5 中a 点；当控制电压降低时，电机的工作曲线下移，由于电 机转速不能瞬时变化，电机的运行状态就平滑的移到第1 i 象限，r 与玎方向相反，此时 9 一 篓；童型垫堑星婴堕墼查堡堡 一一 _ - _ _ - _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ 一一一 电机处于正向再生制动状态，甩 0 ，t 0 ，是正向运行的电动机处于减速过程或是处 于稳定的再生制动运行。此时电动机转矩为负，相当于电动汽车的制动力。在第1 i l 象限 内：” 0 ，t 条件。 l o 长安火学硕士学位论文 就电动汽车来说，转子转速对应车速，在制动时，车速是逐渐衰减的，所以这种方 法不可行。 ( 2 ) 减小同步转速，满足门 r 。条件。 因为同步转速, 。= 6 0 p ，所以维持定子频率z 不变时，增加极对数p ，同步转 数减小，或者维持极对数不变时，减小定子频率z ，同步转速刀。也可减小。 工作在再生制动状态下的异步电动机实际是一台异步发电机，从电机转子轴上输入 机械功率，定子绕组输出电功率( 有功功率) ，送回交流电源，同时电机从交流电源吸 收无功功率用来建立旋转磁场。 如果一台异步电动机定子三相绕组断开交流电源，即定子开路，用原动机带动它旋 转，由于电机没有建立起磁场，所以定子绕组不会感应出电动势。 如果一台异步电动机定子绕组脱离三相电源，又希望它能够成为一台异步发电机， 则必须在异步电动机定子三相绕组的出线端接上三角形或星形连接的三相电容器，这时 电容器可供给异步电动机发电所需的无功功率，即供给电机建立磁场所需要的励磁电 流。 当原动机带动异步电机以一定的转速旋转时，定子绕组切割电机的剩磁感应出较小 的剩磁电动势岛，剩磁电动势在相位上滞后剩磁磁通9 0 度电角，剩磁电动势加在电容 器上产生电容电流厶，厶超前9 0 度电角，即电容电流与剩磁磁通相位相同。电容电流 流过定子绕组产生的磁场使剩磁磁场加强，这样定子绕组的感应电动势增大，又使电容 电流增大，进一步加强电机的磁场，又促使定子绕组感应电动势进一步增大，这样反复 相互促进，不断加强，与并励直流发电机的自励过程相似，异步发电机将自励起来，建 立起定量的空载电压，定子三相绕组流过对称的三相电容电流，所以自励起来的磁场 是旋转磁场。当空载时，异步发电机的电磁力矩( 制动力矩) 非常小，这很小的机械功 率用来补偿电机的铜耗、铁耗及摩擦损耗，为了实现制动，在定子出线端要连接耗能器 件。 由以上的分析可知，异步电机实现回馈制动，有效停车的条件是： 电动机有剩磁； 电动机定子的出线端必须接有电容器； 定子出线端接有耗能元件。 第2 章制动能量同收技术原理 根据电机理论，电机的定子电压u 近似等于电机的电动势e ，即： u 1 e l = 4 4 4 f 1 彬l ( 2 2 ) 式中：定子每相串联的匝数；k w t 定子绕组因数：z 电流频率。 电机的定子电压u 。与频率z 及磁通成正比，频率z 和磁通分别与转速r 成正 比，所以定子电压随转速的降低成平方关系降低。在一定的转速下，电容器的容量越大 磁场越强，在磁路未饱和的情况下，感应电动势越大。 当电机转速降低时，定子电压会消失。如果加大电容器的容量，定子电压会重新建 立。对特定的电机来说，存在特定的最小临界转速，即在此转速以下，无论电容量如何 加大，定子的电压也不会建立。相应地也存在着最佳励磁电容。 就电动汽车而言，能量回收时回馈制动所需的三个条件是可以满足的。电机在刹车 前做电动机运行，磁场已经建立。刹车开始的瞬间剩磁存在，定子两端接在蓄电池两端， 对电池充电，即把输入的机械能转换为电能。电动汽车刹车时，转子轴上产生制动转矩， 同时定子端会建立起电压。如果定子端接蓄电池，当定子两端电压大于蓄电池电压时， 电池处于充电状态。随着制动的进行，转子的转速减小，相应转子绕组切割同步磁场的 速度也减小，即转差率的绝对值减小，转差率在电机发电时为负。因此，充电电流也减 小。为了尽量回收制动能量，当然希望充电电流保持在较高的值。如果减小旋转磁场的 频率，由= 6 0 a p ，则同步磁场的转速也会降低，则转差率的下降速度不致很快， 从而使充电电流的下降趋势变缓。 三相感应电机再生制动可分为正向和反向两种状态，如图2 6 所示。 ”。 a | 2 7 签7 口 ( 1 ， 司 d ( a ) ( b ) 图2 6 异步电动机再生制动机械特性 ( a ) 反向再生制动；( b ) 正向再生制动。 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 反向再生制动( 如图2 6 ( a ) 所示) 电动机定子绕组按反相序接入电网，这时电动机在电磁转矩丁及负载转矩的作用下 反向启动，刀 i 力。i ，电磁转矩改变方向成为制动转矩，因而限制了转速继续升高。直到c 点，电 动机稳定运行。此时，甩 o ，为反向再生制动状态。 ( 2 ) 正向再生制动( 如图2 6 ( b ) 所示) 假设电动机带动的负载是电动汽车，电动机原先在固有机械特性的一点稳定运行， 工作于正向运行状态。电动汽车下坡时，电动机运行速度不断增加，最后超过同步转速 瑚而稳定运行于b 点，这时转子转速大于同步转速，系统处于正向再生制动状态。在电 动汽车制动过程中，当电动机电源频率由 降低到一时，则电动机机械特性由曲线 变到曲线 ，而电机转速不能突变，因此电机工作点平移到c 点，这时电机处在制动状 态下开始减速直到d 点。在降速过程中，电动机运行在b c 这一段机械特性上时，转 速玎 0 、电磁转矩- 0 ，所以是正向回馈制动状态。 总之，在三相感应电动机再生制动过程中，感应电动机被电动汽车带动，并将惯性 能量一部分转换为转子铜耗，大部分是通过气隙进入定子，在除去定子铜耗与铁耗后， 将电能反馈到电流变换器后转换为直流电，储存到动力电池组中，因此又称为发电制动。 2 1 3 电动汽车用其他电机及其再生制动 1 ) 永磁同步电机 永磁同步电机是用永磁材料代替传统同步电动机的励磁绕组，这样就能去掉传统的 电刷、滑环以及励磁绕组的铜损。永磁同步电动机由于采用正弦交流电及无刷结构，也 被称为永磁无刷交流电动机或正弦永磁无刷电动机。由于这种电动机实质上是同步电动 机，它们不经电磁转换就可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行。当永磁体嵌在 转子表面时，由于永磁材料的磁导率与空气相似，因而这种电动机的运行特性与非凸极 同步电动机一样。如果把永磁体埋入转子的磁路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从 而使电动机的恒功率区域有更宽的转速范围。如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕 组或永磁体，就可得到同步磁阻电动机，其结构简单，成本低廉，但输出功率相对较低。 和感应电动机一样，永磁同步电动机通常也采用矢量控制方法以满足电动汽车电动机驱 动的高性能要求。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽车的应用领域与感应 1 3 第2 章制动能量同收技术原理 电动机相比有较大的竞争优势，己在国内外多种电动车辆中获得应用。 永磁同步电动机的再生制动妇2 1 实际上是利用了斩波升压原理。实现再q - - 铝q 动的方式 有多种，具体实现均是根据反电势的大小与方向控制相应桥臂功率器件的开关导通。 2 ) 无刷直流电机 通过改变永磁直流电动机定子和转子的位置，就可得到永磁无刷直流电动机。“直 流”并不指直流电动机，实际上，这种电动机采用交流方波供电，因此也称为永磁无刷 方波电动机。这种电动机最明显的好处是去掉了电刷，从而也排除了电刷引起的许多问 题：其另一个优点是能产生较大的转矩，因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这 种无刷结构使电枢绕组具有更具代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善， 电负荷的增加可产生更高的功率密度。与永磁同步电动机不同的是，这种永磁无刷直流 电动机通常装有转轴位置传感器。 在控制系统相应的作用下，无刷直流电机能够实现正反转及电动制动等四象限运 行状态1 ，即能够实现再生制动。 3 ) 开关磁阻电机 开关磁阻电机基本上是由可变磁阻步进电动机直接衍生而来。开关磁阻电机以其调 速性能好、结构简单、效率高、成本低等特点使其在电动车辆的驱动系统的应用中具有 较强的竞争力汹1 。同时人们对开关磁阻电机作为发电机的应用也进行了一些研究汹确1 。 开关磁阻电机具有控制非常灵活的特点，在不增加任何硬件的情况下可以通过角度控制 实现电动和再生制动模式的转换。当车辆减速或下坡时可以控制开关磁阻电机工作在再 生制动模式，将车辆的机械能转变成为电能反馈给蓄电池。这样就有效地利用了电动车 辆上所载的有限能量增加了电动车辆一次充电的行驶里程。 4 ) 永磁混合电动机 永磁混合电动机包括永磁和磁阻混合、永磁和磁滞混合以及永磁和励磁绕组混合。 第一种，把永磁体嵌入转子的磁回路中，永磁同步电动机同时产生永磁转矩和同步磁阻 转矩。另外，如果把永磁体和开关磁阻结构结合起来，就产生了另一种永磁和磁阻混合 的电动机，这就是所谓的双凸极永磁电动机( d s p m ) 。第二种，综合利用永磁转矩和磁 滞转矩的新型永磁混合电动机，它把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，这种磁滞混合电 动机具有启动转矩高，运行平稳且安静等独特优点，适用于电动汽车。第三种，把永磁 体置于转子内，直流励磁绕组放在内定子上，通过控制励磁电流的大小和方向，很容易 调节电动机的气隙磁通，这样，就容易得到满足电动汽车驱动要求的转矩转速特性。 1 4 长安人学硕士学位论文 一般而言，永磁混合电机的驱动共有四种电路状态心7 1 ：电动，续流电动，反接制动， 再生制动。系统再生制动时，电路工作于反接制动与再生制动的交替。 2 2 再生制动技术在电动汽车上的应用原理 再生制动是电动汽车所独有的，在减速制动( 刹车或者下坡) 时将车辆的部分动能 转化成电能，转化的电能储存在储能装置中，最终增加电动汽车的行驶里程。如果储能 器已经被完全充满，再生制动就不能实现，所需的制动力就只能由常规的机械制动系统 来提供。现在几乎所有的电动汽车都安装了再生机械制动系统，从而可以实现节约 制动能、回收部分制动动能，并为驾驶员提供常规制动性能。 2 2 1 电动汽车再生制动技术的一般原理 一般而言，电动汽车的再生制动只能起到限制电动机转子的速度过高的作用，即不 让转子的速度比同步速度高出很多，但无法使其小于同步转速。也就是说，电动汽车的 再生制动仅仅能起到稳定运行的作用。因此，再生制动系统工作时应根据电动汽车运行 状况改变，如在刹车制动、下坡滑行、高速运行和减速运行时等不同场合采用不同的对 策。电动汽车再生制动系统的组成原理框图如图2 7 所示。 图2 7 电动汽车的再生制动原理框图汹 当电动汽车减速、在公路上放松加速踏板巡航或踩下制动踏板停车时，再尘制动系 统启动。正常减速时，再生制动的力矩通常保持在最大负荷状态；电动汽车高速巡航时， 其驱动电机一般是在恒功率状态下运行，驱动力矩与驱动电动机的转速或者车辆速度成 反比，因此，恒功率下驱动电动机的转速越高，再生制动的能力就越低。另一方面，当 踩下制动踏板时，驱动电动机通常运行在低速状态。由于在低速时，电动汽车的动能不 足以为驱动电动机提供能量来产生最大的制动力矩，因而再生制动能力也就会随着车速 降低而减小。 l5 第2 章制动能量川收技术原理 电动汽车的再生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，所以，在电动汽车中，再生制动和机械制动系统共同存在来实现汽车的制动， 如图2 8 所示。不过，只有当再生制动已经达到了最大制动能力而且还不能满足制动要 求时，机械制动才起作用。 图2 8 再生制动和机械制动 电动汽车再生制动机械制动系统工作原理如图2 9 所示。驾驶员踩下制动踏板后， 电动泵使制动液增压产生所需制动力。制动控制与电动机控制协同工作，确定电动汽车 上的再生制动力矩和前后轮上的机械制动力。再生制动时，再生制动控制回收再生制动 能量，并且反充到蓄电池中。电动汽车上的a b s 及其控制阀的作用与传统燃油车上的 相同，其作用是产生最大的制动力。 图2 9 再生制动机械制动系统的基本结构 1 6 k 安大学硕士学位论文 2 2 2 电动汽车再生制动系统的要求 为使再生制动系统完美地完成制动与回收制动能的双重任务，对其有如下要求： 1 ) 安全性要求：制动过程中，对安全的要求是第一位的，而要满足制动的安全要 求，首先要符合驾驶员的制动习惯，需要找到电制动和机械制动的最佳覆盖区间，在确 保安全的前提下，尽可能多地回收能量。具有能量回收系统的电动汽车的制动过程应尽 可能地与传统燃油汽车的制动过程近似，这将保证在实际应用中再生制动系统有吸引 力，可以为大众所接受。 2 ) 稳定性要求：一方面要防止电动车制动时，出现后轮先抱死的危险情况；另一 方面要尽量避免前轮拖死，以保证车辆的转向能力；同时，制动时前、后轮均要有足够 的制动效率，以保证足够的制动效能。 3 ) 平顺性要求：为使驾驶员制动时感觉与驾驶传统燃油车一样平顺，应在满足车 辆制动请求的条件下，机械摩擦制动应能根据电制动力矩的大小进行相应的变化，以免 给驾乘人员不适的感觉。 4 ) 制动能量回收的充分性要求：在保证制动稳定性与平顺性条件下，通过设置适 当的整车再生制动控制策略，尽可能多的回收制动能。 5 ) 考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力：电动汽车中常用的是永磁直流电机 或感应异步电机，应针对不同的电机的发电效率特性，采取相应的控制手段。 6 ) 确保电池组在充电过程中的安全，防止过充。电动汽车中常用的电池为镍氢电 池、锂电池和铅酸电池，充电时，要避免因充电电流过大或充电时间过长而损害电池。 2 2 3 再生制动对车辆制动性能的影响 制动性能、制动性能的恒定性及制动时汽车的方向稳定性是评价汽车制动性能的三 大指标。电动汽车采用单独的电机制动可获得的制动强度较低，而且制动强度还受档位 和车速变化的影响，无法满足制动效能及恒定性要求。因此一般混合电动汽车保留了以 机械制动为动力源的摩擦制动，必要时采用再生制动与摩擦制动同时工作的复合制动方 式，以解决电机制动力不足的问题，并保持制动效能的恒定性。 采用电机再生制动时，还应考虑对制动稳定性的影响，这一点可以根据前后轴制动 力分配情况来分析。电机再生制动力仅作用于驱动轮，与内燃机驱动的汽车相比，采用 复合再生制动改变了汽车前后轴制动力分配比例，使分配曲线发生了平移，从而增加了 后轮抱死的趋势，对制动稳定性产生了不利影响。因此，在再生制动系统及控制逻辑设 1 7 第2 章制动能量同收技术原理 计时，应适当限制电机再生制动力的大小，并调整前后轴摩擦制动的分配比例，使复合 制动的前后轴制动力分配曲线接近于理想曲线。 2 3 本章小结 本章介绍了电动汽车用电机的种类，分析了电动汽车用电机的驱动与再生制动原 理，研究了电动汽车再生制动技术的一般原理，提出了电动汽车对于制动能量回收系统 的要求，最后分析了再生制动对车辆制动性能的影响，为电动汽车制动能量回收试验台 的研发提供了理论基础。 1 8 k 安人学硕士学位论文 第3 章电动汽车的制动过程分析 区别于传统的燃油汽车，电动汽车采用了制动能量回收技术后，制动系统在原有机 械制动的基础上增加了能量回收制动力矩( 即再生制动力矩) ，使得制动过程与传统汽 车的制动过程有所不同。如何使得增加了能量回收制动力矩的制动系统在制动感觉上近 似传统汽车的制动系统，成为保证驾驶员在驾驶带有制动能量再生系统的电动汽车时在 制动过程中不至产生不良感觉。川、做出误操作、引起交通安全事故的关键因素。因此， 对这种车辆的制动过程进行详细的分析研究很有必要。 3 1 电动汽车制动过程的力学分析 在电动汽车制动能量回收试验台上进行试验时，需对电动汽车制动过程的行驶阻力 与机械制动力进行模拟，而对电动汽车制动过程进行力学分析能够为台架试验时行驶阻 力与机械制动力的计算提供理论依据。 3 1 1 行驶阻力分析 电动汽车制动时，作用于电动汽车上的行驶阻力包括滚动阻力一、空气阻力l 和 坡道阻力曩，式( 3 1 ) 为制动过程的瞬时行驶阻力合力。 f = 乃+ e + e ( 3 1 ) 1 ) 滚动阻力f ， 汽车在硬路面上行驶时，由于橡胶轮胎的弹性迟滞形成的能量损失，相当于汽车车 轮在前进方向上遇到的一个阻力消耗了汽车的能量，将这个阻力定义为汽车行驶的滚动 阻力，通常它与车轮上的法向载荷成正比。即： = f g c o s ( 3 2 ) 式中：g 汽车的总重力( n ) ；口汽车在坡道上行驶时道路的坡度角；厂 滚动阻力系数。 滚动阻力系数厂数值由试验确定，影响滚动阻力系数