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:Introducedelectricvehiclesandbrakeenergyrecoverysystem,theelectricvehiclebrakingenergyconversionandrecoveryprocessofelaborationandanalysisfromakineticpointofview;finallyselectedstoragemethod,andanalyzestheelectricalenergystorageinregenerativebrakingenergyrecoveryworks.关键字：电动汽车；制动能量；回收与利用Keywords:electricvehicle;brakingenergy;recoveryandutilizaion前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电动汽车制动能量转换与回收及需解决的问题1.1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（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（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2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（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.电动汽车制动过程能量转换与动力学分析2.1电动汽车制动过程能量转换汽车以初始车速0v减速至车速1v过程中,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20212121式中,m为汽车质量；fW为滚动阻力所作的功,aW为空气阻力所作的功；bW为制动力所作的功。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。3(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2/3sm,某些情况下,甚至能达到2/8~7sm。从安全角度考虑,紧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2/3sm,主要由电机再生制动发挥作用,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tF为jiwftFFFFF(2-1)其中fF为滚动摩擦力，wF为空气阻力iF为坡度阻力,jF为加速阻力当汽车制动时加速阻力jF可替换为制动力bF在城市工况下wF和iF可忽略所以(2-1)可简化为bftFFF(2-2)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：)(bftFFvFP其中v为瞬时车速输入机械传动系统的瞬时功率1P为:vFPb1(2-3)电刹车开始时车体动能E为:2002/1mvE其中m为车体质量0v为制动初始车速电刹车结束时车体动能1E为:2112/1mvE其中1v为制动结束车速能量消耗10EEE根据能量守恒有：vdtFvdtFPdtEbf(2-4)设vdtFEff则bfEEESFvdtFvdtFEffff其中S为制动距离输入的发动机瞬时功率MPKP112其中tK为机械传动部分效率，M为电机转矩，为电机角速度输入蓄电池的瞬时功率3P为：112223PKKPKP其中2K为电机发电效率回收能量功率4P为：1123333PKKKPKP其中3K为电池充电效率回收总能dtPKKKdtPKKKdtPE1123112344，即：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)()(1231234SFEKKKEEKKKEff(2-5)汽车的速度v为：dtmgIFFmgdtIFvEbft)(04(2-6)充电电流I为：UvFKKKUPIb//1234其中U为电池端电压针对某次刹车过程因为0v、1v为定值所以E也为定值对特定车型来说其机械传动部分的效1K基本上是固定的对蓄电池来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3K也可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2K也在变化制动距离S对应于制动时间取决于制动力的大小由以上分析可知一次刹车回收能量)(1234SFEKKKEf如果电池状态(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