汽车制动系统电动汽车再生制动研究现状.ppt
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1、电动汽车再生制动电动汽车再生制动主主 要要 内内 容容u u u u u 电动汽车再生制动技术概述电动汽车再生制动技术概述电动汽车储能系统分析与研究电动汽车储能系统分析与研究电动汽车制动过程动力学分析电动汽车制动过程动力学分析电液复合再生制动协调控制策略电液复合再生制动协调控制策略再生制动与再生制动与ABSABS匹配性控制策略匹配性控制策略12345一 电动汽车再生制动技术概述1.1 再生制动国外研究概况再生制动国外研究概况n20世纪70年代,美国威斯康星大学经过数年研究,成功研制出液压式、飞轮式和蓄电池式三种制动能量再生系统。1n1979年,丹麦学者在福特公司生产的EscortVan 汽车上
2、成功设计制造出液压储能式制动能量回收系统,使汽车燃料消耗量降低到原来的70%。2n1984年,瑞典沃尔沃公司在重达16吨的客车上装备了飞轮式储能装置,该装置的动力传递方式为液压传动式,制动能量回收实验表明节省燃料可达15%20.5%。31 Cikanek SR,Bailey KE.Regenerative Breaking System for A Hybrid Electric Vehicle C.Proceedings of the American Control Conference,Anchorage,AK May 8-10,2002,3129-31342 Motomu Hakiai
3、,Toshio Taichi,Masahiko Shoda,etc.Brake system of Eco-VehicleJ.The 14th International Electric Vehicle Symposium and Exposition,19973 Vint MK.Design and Construction of a Fuel Efficient Braking System J.SAE871233,1987:200-214一 电动汽车再生制动技术概述1.1 再生制动国外研究概况再生制动国外研究概况n2000年,美国Michahian大学建立了并联式混合动力电动汽车的再生
4、制动系统模型,系统分析了其再生制动的制动作用以及能量回收的影响因素。4n韩国Sunngkyunkwan大学在再生制动力分配方面也做了大量的工作,运用模糊控制等经典控制理论,对再生制动系统、ABS防抱死系统等进行了闭环硬件仿真,推动了新能源汽车的科研进展。5n比利时Flemish研制出一种名叫HEVAN的混合电动车系统,以增加电机低速时的感应电动势作为控制目标,实现能量回收。64 Michael Panagiotidis,George Delagrammatikas,et al.Development and use of a regenerative braking model for a p
5、arallel hybrid electric vehicle C.SAE,2000.5 陈虹,宫洵,胡云峰等.汽车控制的研究现状与展望J.自动化学报,2013,33(04):322-346.6 盘朝奉,韩福强,陈燎,徐兴,陈龙基于模糊控制的增程式电动汽车能量分配策略J重庆交通大学学报(自然科学版),2014,33(03):140-144.一 电动汽车再生制动技术概述1.2 再生制动国内研究概况再生制动国内研究概况n1997年,由青岛大学和中国重汽公司联合研发的使用飞轮储能式蓄能器的 ZK141A型公共汽车,燃油经济性得到明显的改善,可节省35.1%的燃料。n长安大学郭金刚、叶敏等通过对电动汽
6、车制动电气再生与机械摩擦联合制动特性进行了重点分析,提出了主辅电源能量回馈系统,使再生制动系统可同时实现升降压功能,实现回收能量对主辅电源充电。7n西安交通大学曹秉刚团队对电动汽车再生制动辅助电源系统及其再生充电系统进行详细研究,在XJTUEV-2电动车能量回收系统上应用了现代控制理论最新方法,有效的提高了能量回收效率,达到了很好的节能效果。87 叶敏,郭金刚.电动汽车再生制动及其控制技术M.北京:人民交通出版社,2013:10-118 叶敏,安强,曹秉刚,等.电动汽车主辅电源能量回馈研究J.系统仿真学报,2007,1004(23):4一 电动汽车再生制动技术概述1.2 再生制动国内研究概况再
7、生制动国内研究概况n北京理工大学的王军等,基于变速器挡位影响,确保行车制动安全的前提下,提出了分段复合策略,能量回收率提高 3%。n湖南大学的周云山等围绕CJY6470E电动汽车展开研究,通过重新调整分配方法,在整车仿真及控制模式方面,优化了整车控制策略。9n比亚迪汽车公司在电动汽车再生制动技术方面的研究处于国内领先地位,其自主生产的F3DM混合动力汽车和E6纯电动汽车实现了电动汽车民用化,这两款汽车都具有再生制动功能,F3DM带有两个电动机,可以在汽车需要大动力情况下为汽车提供动力,在制动时提供再生制动力。109 江王林,王瑞敏电动汽车制动过程受力分析及制动能量回收策略研究J汽车实用技术,2
8、012,26(03):5-9.10 赵斌.比亚迪新能源汽车消费的影响因素研究D.长沙:中南大学,2011一 电动汽车再生制动技术概述1.2 再生制动国内研究概况再生制动国内研究概况从总体来看,国外在再生制动方面都开展的相对较早,因此,其在研究和实际应用方面发展的更加成熟。国内对电动汽车的研究还尚处于初级阶段,由于产品开发起点比较高,主要是集中在再生制动性能的软件仿真和试验台的开发方面,而且对于再生制动控制策略的研究的手段与应用对象还是比较单调,大多数是针对于前驱式或后驱式的电动汽车,而在较先进的轮毂电机驱动电动汽车方面相对研究较少,有待深入探究分析。比亚迪 E6 纯电动汽车一 电动汽车再生制动
9、技术概述1.3 再生制动的基本原理再生制动的基本原理再生制动就是指汽车在一些减速制度工况下行驶时,通过能量转换装置的工作可以将部分制动能量转换为其它的形式的能量储存起来,而储存的这些能量可供汽车驱动时再次利用。在现有的储能装置技术不够完善的限制下,再生制动技术的应用对于提高电动汽车能量的利用效率,解决电动汽车的续驶里程问题有着重要的意义。电动汽车再生制动系统一般由制动系统控制器、操纵机构、电机制动系统、机械制动系统和能量储存系统等组成。1111 杨洋.纯电动汽车新型电液复合制动系统研究D.重庆:重庆大学,2012一 电动汽车再生制动技术概述1.3 再生制动的基本原理再生制动的基本原理在电动汽车
10、运行时,当驾驶员给出制动命令到整车控制器,明确汽车工作在再生制动模式下,此时电机以发电机的形式工作,将生成的电量回馈到储能装置,并且反向的电枢电流会产生制动性的转矩,配合机械摩擦制动降低电动汽车的车速。再生制动原理图Ubat:电池端电压;Ra:电枢电阻;Rb:制动限流电阻;Rc:等效电阻;I2:电机感应电流,I1:制动电流;E:感应电势;L:电机电枢的电感一 电动汽车再生制动技术概述1.3 再生制动的基本原理再生制动的基本原理高频开关装置接在电机的电枢两侧,让该电路能够以高频率的形式接通或断开,生成感应电势E与感应电流I2;在电动汽车制动状态下,电机与开关S构成闭合回路,感应电流即为制动电流I
11、1;当开关S断开后,电流的变化率 立即增大,感应电动势E也快速增大,当 EU时电流方向为从电机到蓄电池,此时电池进入充电状态,即实现电流回馈,此时回馈电流大小为I2再生制动原理图一 电动汽车再生制动技术概述1.4 再生制动系统构成分类再生制动系统构成分类制动能量回收愈多愈好,理论上单纯的使用再生制动可以做到,让每次制动产生的能量都能被回收,事实上是不可能的,再生制动力矩受到很多条件限制,为确保制动的稳定性,还需要加上原有的机械摩擦制动系统,一起构成混合制动机构。混合制动机构按照两者作用的方式可以分为串联制动和并联制动模式。12并联制动制动力分配图串联制动制动力分配图12 赵国柱电动汽车再生制动
12、若干关键问题研究D南京航空航天大学,2012一 电动汽车再生制动技术概述1.4 再生制动系统构成分类再生制动系统构成分类串联制动的工作方式是随整车制动力的大小而变化,始终秉持着再生制动系统工作的优先性且最大限度的参与原则。当需求的制动力较小时,仅再生制动系统工作就可以满足整车制动的要求,因此电动汽车的制动力由电机提供。当需求的制动力较大时,由于再生制动系统所能提供的制动力是固定的,达不到整车对于制动力的需求,此时必须有机械制动系统参与工作,以提供不足的制动力。串联制动制动力分配图一 电动汽车再生制动技术概述1.4 再生制动系统构成分类再生制动系统构成分类串联制动系统一般是需要通过与ABS系统联
13、合形成集成控制,它可以调整单个车轮的液压制动力,并能够最大限度地利用再生制动力与路面附着条件。串联制动系统的工作原则决定了在再生制动力利用上比其它方式更为彻底,因此所能回收的能量相对比较高。同时,串联制动系统也有一定的局限性,结构复杂、成本相对较高而且需要集成的控制系统。串联制动系统的控制原理一 电动汽车再生制动技术概述1.4 再生制动系统构成分类再生制动系统构成分类并联制动系统的特点是再生制动力和机械摩擦制动力之间的比例是一固定值,即整车制动力在二者之间始终按照固定比例进行分配且在参与工作的时间上具有同时性。并联制动制动力分配图一 电动汽车再生制动技术概述1.4 再生制动系统构成分类再生制动
14、系统构成分类并联制动与串联制动系统相比,再生制动系统利用方面不如串联方式充分,所能回收的能量也相对较少。但并联制动系统也具有一定的优益性,只需要对原有传统机械制动系统稍加变动即可实现,因此,结构相对比较简单,制造成本低。并联制动系统的控制原理一 电动汽车再生制动技术概述1.5 再生制动的影响因素再生制动的影响因素影响电动汽车再生制动的因素很多,主要包括制动安全性要求、行驶工况、电机类型及其控制系统类型、车载储能装置和再生制动控制策略等。13,14n制制动动安安全全性性要要求求:制动系统的目的就是保证汽车在具有足够的制动效能的情况下,还应满足制动时方向稳定性等其他要求。采用再生制动系统进行制动动
15、能回收的首要原则即为必须达到整车制动效能的要求,在当前的再生制动实现过程中,当所提供的再生制动力不能达到预期时,此时应有机械摩擦制动参与汽车的制动过程。n行行驶驶工工况况:当汽车所运行的工况不同时,制动出现的频繁程度也是不尽相同的。当在城市工况下行驶时,汽车需要频繁的制动,相应的制动强度也比较低,因此,再生制动系统工作频率就比较高,回收的制动能量自然就比较多。13 黄冬冬.四轮轮毂电机驱动电动汽车再生制动控制策略研究D.长安大学,2015.14 刘新文.分布驱动电动汽车再生制动研究D.重庆大学,2015.一 电动汽车再生制动技术概述1.5 再生制动的影响因素再生制动的影响因素n电电动动机机及及
16、其其控控制制系系统统类类型型:对于电动汽车及其驱动控制系统而言,电动机不同,其作用效果是有非常明显差异的,如果一个电动机有较宽的恒功率工作区域,其就能够长时间处于高效率工作状态,制动能量回收效率也就越高。n车车载载储储能能装装置置的的影影响响:电动汽车的车载储能装置对再生制动也有很大的影响,作为电动汽车蓄能器,通常是根据电动汽车要求的不同而选择,可能是蓄电池、飞轮电池、超级电容器或者为多种方式的组合。决定再生制动能量回收的最为关键的因素就是车载储能装置的特性及其所剩余储存的能量的多少。n再再生生制制动动控控制制策策略略:再生制动控制策略决定了制动力分配方式以及参与的再生制动的比例,而再生制动力
17、的大小是影响能量回收的最直接因素。在设计控制策略时应充分分析车载储能装置的特性、电机的特性、整车制动效能和制动法律法规等诸多约束条件。二二 电动汽车储能系统分析与研究电动汽车储能系统分析与研究二 电动汽车储能系统分析与研究2.1 利用动力蓄电池组吸收制动能量利用动力蓄电池组吸收制动能量此方案主要由驱动电机、发电机、蓄电池组、电磁离合器、控制器和小型汽车的传动系统等组成。采用蓄电池作为蓄能器,能量由执行机械能-电能之间转化的电动机(发电机)转换和传递。蓄电池的充放电状态由电子控制单元 ECU 完成,蓄电池的剩余电量的控制也由电子控制单元完成。制动能量再生系统电储能方案二 电动汽车储能系统分析与研
18、究2.1 利用动力蓄电池组吸收制动能量利用动力蓄电池组吸收制动能量此种形式的制动能量再生方案常用在电动汽车或混合动力汽车上。电储能方案具有能量吸收和释放时的无污染、行驶噪声小、能量转化效率高等优点。此外,这种形式的系统结构简单,紧凑,易于保养和维护,也不用担心能量的泄漏。但是利用蓄电池吸收制动能量,也存在不足。蓄电池充电可接受电流曲线 充电电流对蓄电池寿命的影响当充电电流超过所允许的电压时,蓄电池内部的水将被电解,产生析气。充电电过程中,锂离子蓄电池的充电电流越大,使用过程中的容量衰减就越快,使得蓄电池的使用寿命极大地缩短。二 电动汽车储能系统分析与研究2.1 利用动力蓄电池组吸收制动能量利用
19、动力蓄电池组吸收制动能量此种形式的制动能量再生方案常用在电动汽车或混合动力汽车上。电储能方案具有能量吸收和释放时的无污染、行驶噪声小、能量转化效率高等优点。此外,这种形式的系统结构简单,紧凑,易于保养和维护,也不用担心能量的泄漏。但是利用蓄电池吸收制动能量,也存在不足。蓄电池放电过程最高温度变化 蓄电池不同温度下的循环寿命在放电过程中,放电电流越大,锂离子蓄电池的温度就越高。在使用过程中的温度越高,锂离子蓄电池的容量下降就越快。基于回收效率和电池组使用寿命考虑,电储能制动能量回收方案在电动汽车上应用不成熟。二 电动汽车储能系统分析与研究2.2 超级电容超级电容超级电容凭借其功率密度高,充电速度
20、快,寿命长,效率高以及低温性能好等优点,被普遍认为是纯电动汽车领域中颇具潜力的技术。15,16 但是,超级电容的能量密度较低,若要作为汽车的单一能量来源会造成体积和重量过大,而且成本也会随之增加。所以,目前超级电容作为纯电动汽车的辅助动力源较为合适。超级电容原理图15 武伟,谢少军,张曌,许津铭.基于 MMC 双向 DC-DC 变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计J.中国电机工程学报,2014,27:4568-4575.16 刘冠男.基于超级电容的双向 DC-DC 变换技术研究D.哈尔滨工业大学,2013.二 电动汽车储能系统分析与研究2.2 超级电容超级电容超级电容采用双层电容技术:当
21、向超级电容充电时,电容内电解质溶液中的异性离子将会被此时电极表面的电荷所吸引,形成双电荷层。这种结构可以存储电荷面积要比传统的电容大很多,并且电荷之间距离小很多,使得超级电容的单元电容量大大提高。这种特性非常适合应用于纯电动汽车中。超级电容在放电过程中可以提供很高的尖峰电流,该特性可以使其在汽车加速和启动时提供瞬时大功率。超级电容原理图二 电动汽车储能系统分析与研究2.3 锂电池与超级电容的匹配方案锂电池与超级电容的匹配方案由于储能技术中,比能量和比功率之间的矛盾,很难实现在同一储能技术中既满足高比能量和高比功率。将锂电池和超级电容组成复合电源,结合两者的优点,并克服各自的不足。复合储能系统的
22、拓扑结构图2.3 锂电池与超级电容的匹配方案锂电池与超级电容的匹配方案二 电动汽车储能系统分析与研究复合储能系统的拓扑结构图将锂电池与超级电容并联,结构最简单,使超级电容失去了均衡负载的作用。引入了双向DC/DC变换器,使其更好地匹配锂电池工作。由于锂电池电压变化平缓,故双向DC/DC变换器与锂电池串联意义不大。采用两个双向 DC/DC变换器会导致成本提高,且控制复杂。经过分析,图(b)中电路结构为纯电动汽车的复合储能系统最优结构。2.4 液压储能液压储能二 电动汽车储能系统分析与研究北京理工大学苑士华教授、江苏大学的何仁教授等在液压储能技术应用于传统燃油汽车上作了比较深入的研究,作出了实物、
23、提出了液压储能制动能量再生系统相关的控制策略、申请了若干相关专利等。17,18 相比于大型车辆,小型电动汽车由于质量较小,液压蓄能器的体积和液压传动系统可以做得较小即可满足使车辆从静止起步加速到一定值的要求。利用液压储能技术,可以让蓄电池保持在良好的工作状态,不发生过充和过热情况,延长了蓄电池的使用寿命,降低整车使用寿命范围内使用蓄电池的成本,因此液压储能技术完全可以应用在电动汽车上。19 17 Zhuo G R,Li H Y.Research on electro-hydraulic parallel brake system based on ABSJ.2011 International
24、 Conference on Electrical and Control Engineering,2011:782787.18 何仁,胡青训.制动能量再生系统的公共汽车制动过程J.江苏大学学报,2005,26(5):389392.19 丁左武.电动汽车液压储能制动能量再生系统研究D.南京航空航天大学,2013.2.4 液压储能液压储能二 电动汽车储能系统分析与研究液压储能制动能量再生系统布置形式与方案,分析可知:并联方式车型传动效率高,结构简单,成本低,液压管路中的管接头数量较少,在使用过程中液压管路的密封性容易保证。并联串联混联三三 电动汽车制动过程动力学分析电动汽车制动过程动力学分析三
25、电动汽车制动过程动力学分析3.1 整车阻力分析整车阻力分析根据汽车系统动力学分析,汽车在制动时,会受到各种外力的作用。主要包括来自轮胎与地面接触而产生滚动阻力Ff、由地面提供的地面制动力Fxb、与空气接触而产生在行驶方向上空气阻力Fw和在特殊情况下如坡道上制动时由于自身重力作用在行驶方向上的坡度阻力Fi。汽车沿纵向方向制动时的动力学方程为:20(1)滚滚动动阻阻力力Ff:从轮胎开始与地面接触到轮胎与地面分离的过程中,轮胎会发生变形产生一定的作用力从而导致能量损耗。滚动阻力在任何工况下均存在,其计算方程式为:20 余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2006三 电动汽车制动过程动力学分析(
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