插電式混合動力汽車結(jié)構(gòu)原理簡介(二)

◆文/北京 王新旗

(接上期)

(2)再生制動

所謂再生制動，是指通過控制使車輛動力模塊全部或部分具有能量逆向流動功能，從而實現(xiàn)將車輛的慣性能部分回饋至儲能器，與此同時，對車輛起制動作用。在電動汽車中，再生制動的性質(zhì)是電氣制動，此時驅(qū)動電機工作處于發(fā)電模式。這里說的電動汽車再生制動是一種宏觀稱謂，它是指電動汽車在電氣制動過程中，整體上表現(xiàn)為將車輛慣性能變成電能，并將其儲存于蓄能器中。而在微觀上，根據(jù)電機驅(qū)動系統(tǒng)功率變換器控制信號的不同，再生制動的基本制動模式有兩種：一種模式是蓄能制動與回饋制動的交替，另一種是反接制動與回饋制動的交替。所謂蓄能制動是指驅(qū)動電機產(chǎn)生的電能除部分消耗于回路電阻上之外，其余全部以磁場能形式儲藏于電路電感中的電氣制動；所謂回饋制動是指驅(qū)動電機產(chǎn)生的電能除部分消耗于回路電阻之外，其余全部回饋于蓄能器中的電氣制動；所謂反接制動是指驅(qū)動電機的反電動勢與電源電壓順向串聯(lián)所形成的一種電氣制動，這種制動不但沒有電能回饋于蓄能器中，反而蓄能器要輸出電能。

混合動力電動汽車可以在制動時候通過再生制動進行能量回收，以便再次利用來提高能源的利用率，延長續(xù)駛里程。在車輛制動時，通常需要的制動轉(zhuǎn)矩比電動機所能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩要大得多，所以在混合動力汽車或電動汽車中，摩擦制動與再生制動將會同時存在。由于再生制動的輔助制動作用，可以延長制動系統(tǒng)的工作壽命，特別是在連續(xù)下坡時候，提高效能的恒定性，摩擦制動在控制回路中的電磁閥存在死區(qū)時間，管路中的傳力介質(zhì)也存在滯后顯現(xiàn)，所以制動延時比較大(一般在0.1s以上)，而再生制動中的電機時間常數(shù)一般在0.001s左右，所以再生制動的反應(yīng)速度要快得多，同時再生制動的控制精度也要比摩擦制動精確。

2.影響?zhàn)伳苤苿拥囊蛩?/h3>

饋能制動受到多方面因素的影響，例如驅(qū)動類型、變速器類型與擋位、電機類型及其控制策略、蓄能器類型。下面對各主要因素進行簡單分析。

(1)驅(qū)動類型

由于饋能制動只發(fā)生于驅(qū)動輪上，因此驅(qū)動輪承擔(dān)的制動份額越多，制動能回收量就可能越多。由于制動時載荷前移及制動穩(wěn)定性的約束，前驅(qū)型電動汽車比后驅(qū)型更有利于制動能的回收。全輪驅(qū)動的電動汽車具有的制動能回收能力最強。

(2)變速器類型與擋位

對于變速器采用CVT的電動汽車，饋能制動時，通過對CVT速比的控制，使電機沿最優(yōu)效率工作線運行，或使電機與蓄電池的總效率最優(yōu)，可提高制動能回收量。對裝備AMT的電動汽車，饋能制動時，相同車速條件下，電機工作效率會因AMT擋位不同而不同，因此，需要根據(jù)運行狀態(tài)進行自動換擋控制，使電機位于高效工作區(qū)，以提高制動能量收量。

(3)電機類型及其控制策略

在混合動力電動汽車的電驅(qū)動動力系統(tǒng)中，驅(qū)動電機的恒功率工作區(qū)越寬，電機在高效率區(qū)工作時間就越長，制動能回收效率就越高。目前適合于電動汽車的驅(qū)控制系統(tǒng)有4種：直流驅(qū)控系統(tǒng)、交流感應(yīng)驅(qū)控系統(tǒng)、永磁同步驅(qū)控系統(tǒng)及開關(guān)磁阻驅(qū)控系統(tǒng)。直流驅(qū)控系統(tǒng)的優(yōu)點是技術(shù)成熟、控制簡單、調(diào)速性能好、成本低，缺點是系統(tǒng)笨重，維護性能差。交流感應(yīng)驅(qū)控系統(tǒng)的優(yōu)點是可靠性高、免維護及低成本，缺點是控制技術(shù)復(fù)雜，有待進一步提高。永磁同步驅(qū)控系統(tǒng)的優(yōu)點是永磁同步電動機具有高比功率、高效率、高功率因素，缺點是成本高。開關(guān)磁阻驅(qū)控系統(tǒng)的優(yōu)點是開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性好，缺點是設(shè)計和控制非常困難、轉(zhuǎn)矩脈動大及工作噪聲大，成本高。

(4)蓄能器類型

用于電動汽車的蓄能器有蓄電池、超級電容器與蓄能飛輪，由于蓄電池技術(shù)相對成熟、價格合理及比能量高，是電動汽車目前與近期的主要蓄能器。內(nèi)充電接受能力的大小對電機饋能制動能力的發(fā)揮起決定作用，SOC只有在適當(dāng)范圍內(nèi)，蓄電池SOC及蓄電池短時間內(nèi)充電接受能力的大小對電機饋能制動能力的發(fā)揮起決定作用，SOC只有在適當(dāng)范圍內(nèi)，蓄電池才具有較強的充電接受能力，當(dāng)蓄能器被充滿時，就不能接受充電。此外，蓄電池比功率較小，不能接受瞬時大功率充電。與蓄電池相比，超級電容器的比功率大得多，因而可接受瞬時大功率充電。但其比能量只有蓄電池的20%左右，使用時必須把多個單體電容器串聯(lián)成超級電容器模組才能運用，而且目前超級電容器價格仍較貴，并且必須使用升降壓變換器與功率控制器，所以能量的損耗也較嚴(yán)重。因此，回收制動能時，可先將電能充入超級電容器，再經(jīng)升壓泵入蓄電池。蓄能飛輪的使用條件要求苛刻，再加上安全考慮，目前很難有所突破。而超級電容與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)兼顧了超級電容器接受瞬時大功率與蓄電池比能量大的優(yōu)點，因此，這種復(fù)合電源最具有競爭力，是電動車蓄能系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

除此之外，其他影響制動能回收的因素還有車輪與路面間的附著條件、車輛質(zhì)心位置、驅(qū)動鏈零件的慣性、電機與電力電子器件的動態(tài)變化等。

3.饋能制動的控制方式

(1)能量回饋制動控制的要求

在實際的使用過程中，能量回饋制動系統(tǒng)必須滿足一些條件和要求，制動過程中，對安全的要求是第一位的，通常，汽車的制動模式分為輕度制動、中度制動和急制動模式三種，根據(jù)各類制動的要求，提出如下分配策略：

第一是輕度制動，即制動強度較低時，優(yōu)先采用饋能制動，由電機通過傳動系統(tǒng)單獨提供制動力，傳統(tǒng)的摩擦制動不工作。

第二是中度制動時，隨著制動強度的增加，采用復(fù)合制動方式，制動力矩由摩擦制動和能量回饋制動按照固定比例承擔(dān)，直至饋能制動飽和。

第三是急制動情況，此時能量回饋制動已近飽和，進一步增加的制動強度要求由摩擦制動提供。

(2)制動踏板符合駕駛?cè)说闹苿恿?xí)慣

對于傳統(tǒng)的燃油汽車，制動踏板的設(shè)計完全出于對摩擦制動的考慮，制動踏板的深度同制動力矩成正比，電動汽車的能量回饋制動雖然可以通過不同的控制策略(最大再生回饋功率、最大再生回饋效率、恒值制動電流以及恒定回饋電流)來實現(xiàn)，但考慮能量回饋必須要同摩擦制動配合使用，且要符合駕駛?cè)说闹苿恿?xí)慣，故較多采用恒值制動電流 (制動電流直接對應(yīng)制動力矩)的控制策略，控制對象是電機繞組電流(制動電流)，在制動過程中，始終保持制動電流跟隨指令值的變化，調(diào)節(jié)制動力矩的大小。

(3)確保電池組在充電過程中的安全，防止過充

充電時，要避免因充電電流過大或充電時間過長而損壞電池。在實際應(yīng)用中由于充電時間通常較短，所以主要考慮如何控制最大充電電流(一般車載蓄電池推薦以0.1倍蓄電池容量的電流容量充電)，如果采用恒值制動電流的控制策略，因為跟隨的指令是繞組電流，而非電池組兩端的充電回饋電流，所以必須通過功率控制的方法，或增加充電回饋電流的檢測環(huán)節(jié)來監(jiān)測電池組最大充電電流，或直接采用恒定回饋電流的控制方法，以充電回饋電路作為指令值。

4.能量回饋制動的基本原理及控制方式

電動汽車制動時，電動機作發(fā)電機運行，可使車輪制動或減速時的能量轉(zhuǎn)化成電能回饋到蓄電池(向蓄電池充電)，即電動機輸出能量，如圖6所示。

圖6 電機的制動饋能控制

電動機產(chǎn)生阻力轉(zhuǎn)矩Md，使車輛減速，由于電動機的回饋電流受電流的充電電流制約，車輛制動或減速時有40%～60%的能量是可以回收的，其中只有10%～20%的能量可轉(zhuǎn)化成電能向蓄電池充電。電動車輛電動機作為發(fā)電機運行構(gòu)成饋能制動，使車輛的動能得以回收，有兩種情況：一是電動車輛下坡時，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速因阻力減小而提高，當(dāng)超過最高允許轉(zhuǎn)速時，應(yīng)轉(zhuǎn)入饋能制動狀態(tài)。二是車輛減速時，將車輛動能轉(zhuǎn)換成電能，反饋到電源中去。實現(xiàn)饋能制動應(yīng)滿足兩個條件：一是電動機應(yīng)運行在發(fā)電狀態(tài)，二是發(fā)電機產(chǎn)生的電能。(由制動能量轉(zhuǎn)換而來)應(yīng)通過適當(dāng)?shù)碾娐贩答伒叫铍姵?，即電動機產(chǎn)生的電壓必須高于蓄電池的電源，電動汽車能量回饋制動時會有兩種情況：一是制動初期電動機轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生的電動勢高于蓄電池電壓，采用三相整流回饋方式，二是電動機轉(zhuǎn)速低，產(chǎn)生的電動勢低于蓄電池電壓采用斬波升壓回饋方式，通過饋能制動回收的能量越多越好，但饋能制動力矩的大小受到諸多因素的制約，因此，為保證可靠的制動效能，電動汽車必須保留傳統(tǒng)的機械摩擦制動系統(tǒng)，并與饋能制動系統(tǒng)組成混合制動結(jié)構(gòu)，這種混合制動系統(tǒng)可以按照兩種制動系統(tǒng)工作的方式分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型。

(1)串聯(lián)制動

串聯(lián)制動的原理如圖7所示，串聯(lián)制動的特點是當(dāng)饋能制動力達到其最大值時，機械摩擦制動系統(tǒng)才參與工作，以滿足車輛的制動需求。串聯(lián)制動需要與車輛的ABS集成控制，它能夠?qū)蝹€車輪的液壓制動力進行單獨調(diào)整，并可以保證使用饋能制動與路面附著(滑移率)所能容許的最大極限，很顯然，由于充分利用了饋能制動，因此串聯(lián)制動將獲得最大的能量回收率，但與此用時，串聯(lián)制動結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，需要集成的控制系統(tǒng)。

串聯(lián)制動系統(tǒng)的控制過程如圖8所示。為保持車輛的穩(wěn)定制動而要求前后輪制動力平衡，根據(jù)駕駛?cè)说闹苿用?，制動控制器分別計算需要由電動機和液壓制動系統(tǒng)提供的制動力，并給液壓制動系統(tǒng)和電動機控制器發(fā)出指令，電動機能夠提供的制動轉(zhuǎn)矩是電動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)，該轉(zhuǎn)矩反饋回制動控制器，如果沒有達到需求的制動力矩，則需要由液壓制動系統(tǒng)予以彌補，由此可見，在串聯(lián)制動中，通過電動機制動和液壓制動之間的協(xié)調(diào)控制，可以最大化地利用電動機的制動轉(zhuǎn)矩，其能量回收率高。

圖7 串聯(lián)制動系統(tǒng)制動力分配原理

圖8 串聯(lián)制動系統(tǒng)控制原理

(2)并聯(lián)制動

并聯(lián)制動的原理如圖9所示，與串聯(lián)制動不同，并聯(lián)制動是按一個固定的比例分配饋能制動力和機械摩擦制動力，由于沒有充分發(fā)揮饋能制動力的作用，因此其回收的能量沒有串聯(lián)制動高，但并聯(lián)制動對傳統(tǒng)機械摩擦制動系統(tǒng)的改動少，結(jié)構(gòu)簡單，只需增加一些控制功能即可，成本低。并聯(lián)制動系統(tǒng)的控制原理如圖10所示，根據(jù)駕駛?cè)说拿睿妱訖C控制器確定需要加在液壓制動基礎(chǔ)上的電動機制動轉(zhuǎn)矩，其大小由液壓主缸壓力確定，同樣，電動機制動轉(zhuǎn)矩是電動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)，因此能夠加在液壓制動基礎(chǔ)上的電動機制動力要根據(jù)汽車的靜態(tài)制動力分配關(guān)系、電動機轉(zhuǎn)矩特性、駕駛?cè)说母杏X和輪胎與路面附著極限綜合確定，很明顯，由于缺乏主動制動控制功能，在電動機制動和液壓制動系統(tǒng)之間不能進行協(xié)調(diào)控制， 因此并聯(lián)制動對電動機制動轉(zhuǎn)矩使用不充分，能量回收率低。

圖9 并聯(lián)制動系統(tǒng)制動力分配原理

圖10 并聯(lián)制動系統(tǒng)控制原理