制动能量回收在电动汽车中的应用

1 制动能量回收在电动汽车中的应用制动能量回收在电动汽车中的应用 摘要摘要 介绍了电动汽车及制动能量回收系统 对电动汽车的制动能量转换与回收过程进行阐述 并从动力 学角度进行分析 最后选择了储能方式 并分析了电储能式制动再生能量回收的工作原理 ABSTRACT Introduced electric vehicles and brake energy recovery system the electric vehicle braking energy conversion and recovery process of elaboration and analysis from a kinetic point of view finally selected storage method and analyzes the electrical energy storage in regenerative braking energy recovery works 关键字关键字 电动汽车 制动能量 回收与利用 Key words electric vehicle braking energy recovery and utilizaion 前前 言言 制动能量回收是指汽车减速或制动时 将其中一部分机械能 动能 转化为其他形 式的能量 并加以再利用的技术 根据不同 的储能方式 制动能量回收主要有液压储能 式 飞轮储能式和电储能式等3种类型 电动汽车制动能量回收属于电储能式 其 基本原理是 通过具有可逆作用的发电机 电动机来实现电能和汽车动能的转化 在 汽车制动或减速时 发电机 电动机以发电 机形式工作 汽车行驶的动能带动发电机将 汽车动能转化为电能并储存在储能器 蓄电 池或超级电容器 中 在汽车起动或加速 时 发电机 电动机以电动机形式工作 将储 存在储能器中的电能转化为机械能给汽车 汽车能量回收系统的主要目的 就是使汽 车行驶时的节能效果最佳 即尽可能多地 回收汽车制动前的能量 动能或势能 在 汽车起步或加速时 尽可能多地将系统储 存的能量释放出来 使发动机的燃料消耗 最小 从而改善汽车的能量利用效率 提 高汽车续驶里程 有关研究表明 如果有效 地回收制动能量 电动汽车大约可降低15 的能量消耗 其续驶里程将提高10 30 1 1 电动汽车制动能量转换与回收及需电动汽车制动能量转换与回收及需 解决的问题解决的问题 1 1电动汽车介绍电动汽车介绍 电动汽车根据其动力源不同可分为 纯电动汽车 混合动力汽车和燃料电池电 动汽车三种类型 1 1 1纯电动汽车 纯电动汽车 BEV 纯电动汽车是电动汽车的三大类型之 一 是指以车载电源为动力 用电机驱动 车轮行驶 符合道路交通 安全法规各项 要求的车辆 纯电动汽车 BEV 由蓄电池供电 电机驱动行驶 可实现零排放 动力性 经济性 安全性和可靠性等达到或接近普 通内燃汽车 续驶里程能满足一般运行要 求 同时具有低噪声 易维修 可利用低 谷电以节能等优点 是未来理想的交通运 输工具 纯电动汽车技术基本成熟 但在 动力性能 续驶里程 制造成本和可靠性 等方面还无法与内燃机汽车相比 作为动 力源的各类型蓄电池 主要镍镉型 铅酸型 镍锌型 锂离子型 钠镍型 钠硫型 镍 氢型等 不同程度地存在着成本高 寿命短 比能量低 比功率小 体积和重量大 充 电时间长等问题 目前 还没有一种电池 全面适合电动汽车 这使得蓄电池成为电 动汽车发展和普及的瓶颈 此外 必须解 决的关键技术及配套装置还有电机及其控 制系统 充电站等 1 1 2 混合动力汽车 混合动力汽车 HEV 混合动力电动汽车 亦称复合动力电 动汽车 是指车上装有两个以上动力源 包括有电机驱动 符合汽车道路交通 安 全法规的汽车 车载动力源有多种 蓄电 池 燃料电池 太阳能电池 内燃机车的 发电机组等 当前混合动力电动汽车一般 是指内燃机车 电动机 再加上蓄电池的 电动汽车 混合动力汽车有三种基本的工 作方式 串联式 并联式和串并联 或称 混联 式 混合动力汽车的优点是 1 采用复合动力后可按平均需用的功率 来确定内燃机的最大功率 此时处于油耗 2 低 污染少的最优工况下工作 需要大功 率内燃机功率不足时 由电池来补充 负 荷少时 富余的功率可发电给电池充电 由于内燃机可持续工作 电池又可以不断 得到充电 故其行程和普通汽车一样 2 在繁华市区 可关停内燃机 由电池 单独驱动 实现 零 排放 3 因为有了电池 可以十分方便地回收 制动时 下坡时 怠速时的能量 4 有了内燃机可以十分方便地解决耗能 大的空调 取暖 除霜等纯电动汽车遇到 的难题 5 可以利用现有的加油站加油 不必再 投资 6 可让电池保持在良好的工作状态 不 发生过充 过放 延长其使用寿命 降低 成本 但 因为混合动力电动汽车有两套 动力 再加上两套动力的管理控制系统 结构复杂 技术较难 价格较高 1 1 3 燃料电池电动汽车 燃料电池电动汽车 FCEV 燃料电池电动汽车实质上是电动汽车 的一种 在车身 动力传动系统 控制系 统等方面 燃料电池电动汽车与普通电动 汽车基本相同 主要区别在于动力电池的 工作原理不同 一般来说 燃料电池是通 过电化学反应将化学能转化为电能 电化 学反应所需的还原剂一般采用氢气 氧化 剂则采用氧气 因此最早开发的燃料电池 电动汽车多是直接采用氢燃料 氢气的储 存可采用液化氢 压缩氢气或金属氢化物 储氢等形式 其排放只有水 所以是名副其 实的零排放汽车 燃料电池电动汽车还具 有工作效率高 低噪音 行驶平稳和不依赖 石油等诸多优点 是汽车未来发展的方向 综上三种类型电动汽车 由于纯电动 汽车的工作过程较其它两种比较简单 并 且现在国内的电动汽车主要是在传统汽车 的基础上 通过动力性和经济性计算 把 发动机换为电动机和电池 然后进行传动 系参数匹配 最后建立整车控制系统 因 此本文主要对纯电动汽车的制动能量回收 进行分析 1 2电动汽车制动能量回收需要解决的问题电动汽车制动能量回收需要解决的问题 本文讨论的电动汽车回收的制动能量 要转化为蓄电池储存的电能 该储能方式 存在功率密度低 充放电频率小 不能迅速转 化所吸收的大量能量的缺点 而车辆在制动 或起动时 需要迅速得到或释放大量能量 这 使储能蓄电池的应用受到很大限制 现在 各国技术人员加紧研制大容量 高性能蓄 电池 从而为蓄电池储能提供应用基础 目 前超级大电容蓄电池的出现可望对制动能 量回收的棘手问题有一定的解决 但是 对于电动汽车而言 更重要的是对 蓄电池充电 而在电动汽车制动期间所产生 的电流很容易达到较高的值 在约几百A的范 围内 这比蓄电池所能吸收的充电电流大得 多 对于在这类场合所普遍使用的大多数 蓄电池来说 最大充电电流的强度通常是蓄 电池能产生之电流强度的十分之一左右 结果 在蓄电池充电不足的情况下 电制动期 间产生的电能就会使蓄电池不适当地充电 这样会损害蓄电池并大大减少其预期寿命 此外 当蓄电池接近其最大充电量时 电制动 期间所产生的电能就会使蓄电池过度充电 这会导致蓄电池电极上的电压将大致等于 充电电路所输送的电压 导致限制或抑制电 流在蓄电池中循环 大大降低甚至消失电制 动效果 因此 在对蓄电池充电的过程中 若能对 制动能量加以调节 则有助于改善充电的效 果 也能提高蓄电池的使用寿命 此外 从经 济性方面考虑 这样做会增加电动汽车的成 本 对电动汽车的市场竞争力无疑会产生影 响 2 2 电动汽车制动过程能量转换与动力电动汽车制动过程能量转换与动力 学分析学分析 2 1 电动汽车制动过程能量转换电动汽车制动过程能量转换 汽车以初始车速 减速至车速过程 0 v 1 v 中 若忽略汽车的传动系统阻力和坡道阻力 其能量转换关系为 baf WWWmvmv 2 0 2 1 2 1 2 1 式中 为汽车质量 为滚动阻力所作m f W 的功 为空气阻力所作的功 为制动 a W b W 力所作的功 滚动阻力和空气阻力所消耗 的能量无法加以回收利用 制动力一般由 机械摩擦制动力和电机再生制动力两部分 组成 摩擦制动力做功是将汽车的动能转变 为热能 逸散于大气中而无法加以利用 只有 3 再生制动力所做的功才能被利用 通常汽 车制动过程可以分为紧急制动 正常制动 下长坡缓制动等3类 1 紧急制动 一般汽车紧急制动对应的制 动减速度往往大于 某些情况下 甚 2 3sm 至能达到 从安全角度考虑 紧 2 8 7sm 急制动时应以机械摩擦制动为主 电机制动 也发挥作用 但由于紧急制动过程非常短 因 此能够回收的制动能量比较少 另外根据 对汽车行驶工况的调查统计结果 紧急制动 出现的机会很少 2 正常制动 该制动过程可分为减速过程 与停止过程 其中减速过程对应的制动减速 度小于 主要由电机再生制动发挥作 2 3sm 用 使汽车减速的同时再生制动能 停止过 程主要由摩擦制动完成 因此正常制动能 够回收的制动能量较多 该制动过程应以 机械为主电刹车同时作用在急刹车时可根 据初始速度的不同由车上ABS控制提供相应 的机械制动力 3 下长坡缓制动 汽车长下坡一般发生在 盘山公路下缓坡时 在制动力要求不大时 可 完全由电机再生制动提供 因此这部分制 动能量也可以回收 但回收能量较小 因此 为了提高电动汽车的能量利用率 在制动过 程中应尽可能多的让电机再生制动力发挥 作用 最大限度地回收所有除空气阻力和滚 动阻力以外的能量 此外 由于汽车在制动 过程中 前轴荷增加而后轴荷减少 故采用前 驱动可以增大整车制动能量回收潜力 根据制动车速与制动时间的不同 对 电动汽车制动的上述三种情况应采用不同 的控制策略 2 2 制动过程的动力学分析制动过程的动力学分析 在制动过程中能量的传递途径如图1所 示 其中差速器与变速箱可统称为机械传 动部分 根据汽车动力学理论 汽车理论 相 关知识得到作用于车轮上驱动力合力为 t F 2 1 jiwft FFFFF 其中为滚动摩擦力 为空气阻力 f F w F 为坡度阻力 为加速阻力当汽车制动 i F j F 时加速阻力可替换为制动力在城市工 j F b F 况下和可忽略所以 2 1 可简化为 w F i F 2 2 bft FFF 根据上述分析制动相关方程及推导如下车 轮负载功率P为 其中v为瞬时车速 bft FFvFP 输入机械传动系统的瞬时功率为 1 P 2 3 vFP b 1 电刹车开始时车体动能E为 其中为车体质量为制 2 00 2 1mvE m 0 v 动初始车速 电刹车结束时车体动能为 1 E 其中为制动结束车速能量 2 11 2 1mvE 1 v 消耗 10 EEE 根据能量守恒有 2 4 vdtFvdtFPdtE bf 设 vdtFE ff 则 bf EEE SFvdtFvdtFE ffff 其中为制动距离S 输入的发动机瞬时功率 MPKP 112 其中为机械传动部分效率 为电机 t KM 转矩 为电机角速度 输入蓄电池的瞬时功率为 3 P 其中为电机发电 112223 PKKPKP 2 K 效率 回收能量功率为 4 P 其中为电池充 1123333 PKKKPKP 3 K 电效率 回收总能 车轮 载荷 差速器 变速器 电动机 发电机 蓄电 池组 图 1 能量传递路径 4 dtPKKKdtPKKKdtPE 1123112344 即 1231234 SFEKKKEEKKKE ff 2 5 汽车的速度为 v dtmgIFFmgdtIFvE bft 04 2 6 充电电流为 I 其中为电UvFKKKUPI b 1234 U 池端电压 针对某次刹车过程因为 为定值 0 v 1 v 所以也为定值对特定车型来说其机械传E 动部分的效基本上是固定的对蓄电池来 1 K 说制动能量回收对应于短时间 不超过20s 大电流 可达100A 充电其充电效率也可 3 K 认为恒定对于电机来说在制动过程中随转 速和转矩的变化其发电效率也在变化制 2 K 动距离对应于制动时间取决于制动力的S 大小由以上分析可知一次刹车回收能量 如果电池状态 1234 SFEKKKE f 包括放电深度初始充电电流强度 允许回收 能量只与发电机发电效率和制动距离有关 在满足制动时间要求的前提下通过调节电 机制动转矩可以控制电机转速从而控制回 收充电电流值 3 3 制动能量的储能方式制动能量的储能方式 目前制动能量回收的途径主要有3 种 一是机械蓄能法 即利用飞轮进行蓄能 将制 动能转化为飞轮的动能 二是液压蓄能法 即 把制动能转变为高压油贮存在液压缸中 三 是蓄电池蓄能法 即把能量转化为电能储存 在蓄电池中 在此 讨论的是电动汽车 汽车所用的能量部分或全部来源于蓄电池 因此采用蓄电池储能法 3 1 电化学储能式电化学储能式 电储能工作原理是 首先将电动汽车 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储存在储能 器中 当汽车需要启动或加速时 再将存 储在储能器中的化学能通过电动机转化为 汽车行驶的动能 储能器可采用蓄电池或 超级电容 由发电机 电动机执行机械能和 电能之间的转化 系统还应包括一个电子 控制单元即ECU 用以控制蓄电池或超级 电容的充放电状态 并且保证蓄电池的剩 余电量在规定的合适范围内 其工作原理 如图2所示 系统工作过程为 当电动汽车以恒定 的速度或加速度行驶时 电磁离合器脱开 当电动汽车制动时 行车制动系统开始工 作 车辆减速制动 电磁离合器结合从而 接通驱动轴和变速器的输出轴 这样车辆 的动能由输出轴 离合器 驱动轴 驱动 轮 被驱动轮和被驱动轴传到发电机和或 飞轮上 制动时的机械能由发电机转变为 电能 整流后存入到蓄电池之中 当离合 器在分离时 传动飞轮上的制动能驱动发 电机产生电能存入蓄电池中 当车辆再次 起动时 蓄电池中的化学能被转换成机械 能用来加速车辆 在纯电动汽车或混合动力车上采用这 种形式的能量再生 一般采用的办法是在 制动或减速时将驱动电机转化为发电机即 可实现 3 2制动能量回收的约束条件制动能量回收的约束条件 实用的能量回收系统要满足以下方面 的要求 1 满足刹车的安全要求符合驾驶时的刹 车习惯 刹车过程中对安全的要求是第一位的 我们需要找到电刹车和机械刹车的最佳结 合点在确保安全的前提下尽可能多的回收 能量应充分考虑电动汽车的驾驶员和乘客 的感受具有能量回收系统的电动汽车的刹 车过程应尽可能的与传统的刹车过程近似 这将保证在实际应用中系统可以为大众所 接受 2 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和 驱动轮 轴 发电机 电动机 能量转换 能量储存 输入机械能 输出机械能 储能器 输出电能 输入电能 图 2 电储能式制动能量再生系统原理图 5 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 3 确保电池