第7章 再生制动的基本原理

7.5 电源管理系统
• 影响电池SOC的因素,归纳起来主要有： 充放电倍率、充放电次数、温度、自放电、电 池老化等。 • 动力电池SOC估计问题属于非线性、精度要求 高的估计问题，给实时在线估算带来很大的困 难。
7.5 电源管理系统
• 放电实验法 放电实验法是最可靠的估计方法，采用 恒定电流进行连续放电，放电电流与时间 的乘积即为剩余电量。
7.2 制动中的能量损耗
7.2 制动中的能量损耗
7.2 制动中的能量损耗
表7-2 在不同行驶循环下消耗的能量
车速与能量 FTP75 市区 86.4 27.9 10.47 FTP75 高速公路 97.7 79.3 10.45 US06 ECE-1 纽约 城市 44.6 12.2 15.51
最高（km/h） 平均车速（km/h） 总牵引能量（kWh）（在驱动轮上）
缺点是需要大量时间；电池进行的工作要 被迫中断。放电实验法不适合行驶中的电 动汽车,可用于电动汽车电池的检修。
7.5 电源管理系统
• 安时计量法
安时计量法是最常用的估计方法。它以安 培小时简单计算出从蓄电池输出的能量或者 SOC 输入蓄电池的能量。如果充放电起始状态 SOC 为 ,那么当前状态的 为： t
7.5 电源管理系统
• 卡尔曼滤波法
对动力系统的状态做出最小方差意义上的 SOC 最优估计,应用于电池估计 ,电池被看成动 SOC 力系统 , 是系统的一个内部状态。 状态方程：xk 1 Ak xk Bkuk wk
f ( xk , uk ) wk
观测方程：
yk Ck xk vk g ( xk , uk ) vk
7.5 电源管理系统
• 耗散型均衡方案
这种均衡方案利用电池 组内单体电池自消耗放电， 实现单体电压过高电池的 能量消耗来平衡电池组内 各单体间容量差的目的。 缺点：均衡效率低，能耗 大，且电阻发热对系统造 成恶劣影响。
图５ 耗散型均衡充电方案
7.5 电源管理系统
• 电容均衡法
利用电容作为能量 的载体，将能量从 能量高的单体转移 到能量低的单体上， 从而实现电池组内 单体电池电量的均 衡。 缺点：有电弧或干 扰；耗时长。
7.3 前后轮上的制动功率和能量
7.3 前后轮上的制动功率和能量
由以上分析可得能量回收的约束条件： ①根据电池放电深度的不同，电池可接受的最大充电电流。 ②电池可接受的最大充电时间。 ③能量回收停止时电机的转速及与此相对应的充电电流值。
7.3 前后轮上的制动功率和能量
7.4 电动汽车和混合动力电动汽车的制动系统
图９ 电容均衡
7.5 电源管理系统
• 非耗散型分流器
非耗散型分流均衡 方式可将充电电流 从充满的单体电池 转移至相邻单体。 缺点:这种均衡方法 直接释放过充单体 能量，但是能量的 转移路径跨度小， 均衡控制策略复杂， 能耗较大。
图８ 双向非耗散型电流分流器
7.5 电源管理系统
• 分散式直流变换模块
独立直流变换器均 衡充电方案就是在电 池组内每个单体两端 接上独立的直流DC-DC 变换器。 缺点：需要的元器件 数量多，且控制信号 众多， 电路复杂，成 本较高。
图６ 双向隔离反激 DC/DC 变换均衡器
7.5 电源管理系统
• 集中式均衡变换器
变压器原边接电池 组两侧，副边侧每 个线圈对应一节单 体电池。有单体到 组、组到单体、双 向三种模式。 缺点:变比有差异， 均衡误差大;布线 复杂 等。
SOC (i)
为当前时刻的 值， 为的 0 1 变 2 I (i ) 化量， 和 为当前时刻的电压和电 3 流， 、 、 与 为通过最小二乘法得到的拟 合系数。
U (i)
SOC来自百度文库
SOC (i)
SOC
7.5 电源管理系统
• 内阻法
电池内阻有交流阻抗和直流内阻之分,它们 SOC 都与 有密切关系。 交流阻抗受温度影响大,是对电池处于静臵 后的开路状态,还是在充放电过程中进行交流阻 抗测量,存在争议,所以很少用于实车上。 直流内阻表示电池对直流电的反抗能力,等 于在同一很短的时间段内,电池电压变化量与电 流变化量的比值。缺点是准确测量电池单体内阻 比较困难。内阻法适用于放电后期电池的估计, 可与安时计量法组合使用。
图７ 同轴多副边绕组变压器均衡器
7.5 电源管理系统
• 集中式有源均衡
在无源均衡的基础上， 通过外接电源，可以 实现电池组在充电基 础上的实时均衡 。 缺点:如果电池单体 性能本身存在差异， 以相同电流和电压充 电反而会加大电池之 间的差异。
图1０ 集中式有源均衡
7.5 电源管理系统
• SOC（State of Charge）定义为在一定放电倍 率下，电池剩余电量与相同条件下额定容量的 比值。 • 其估计有四个方面的意义： １、以保持电池性能的均匀性，最终达到延长 电池寿命的目的。 ２、避免电池出现过放电、过充电； ３、合理的能量分配，更有效地利用有限能量； ４、预测车辆的剩余行驶里程。
128 77.5 17.03
120 49.9 11.79
阻力所消耗的总能量（kWh）（在驱动轮上） 制动所消耗的总能量（kWh）（在驱动轮上）
5.95 4.52
9.47 0.98
11.73 5.30
8.74 3.05
4.69 10.82
制动能量对于总牵引能量的百分数（%）
43.17
9.38
31.12
估计 算法的核心,是一套包括估计值 和反映估计误差的、协方差矩阵的递归方程, 协方差矩阵用来给出估计误差范围。
SOC
7.5 电源管理系统
• 神经网络法
由于电池是高度非线性的系统,对其充放 电过程很难建立准确的数学模型。神经网络 方法具有非线性的基本特性,具有并行结构和 学习能力,对于外部激励,能给出相应的输出, SOC 故能够模拟电池动态特性来估计 。神经 网络法适用于各种电池。
0
1 SOC SOC0 ( I batt I loss )d CN 0
CN
其中, 为额定容量， 为电池电流， 为损 耗反应过程中消耗的电流。
I batt
I loss
7.5 电源管理系统
• 开路电压法
电池的开路电压在数值上接近电池电动势。 SOC 锂离子电池的开路电压与关系的 线性度 不如铅酸电池好,但其对应关系也可以估计, 尤其在充电初期和末期效果较好,常与安时计 量法结合使用。 缺点是需要长时静臵,以达到电压稳定；静 臵时间如何确定也是一个问题,所以该方法单 独使用只适于电动汽车驻车状态。
小结
在现有电池基础上电池管理系统目标是：
• 较少时间能充满电； • 延长使用寿命；
• 估计SOC要准确。
第7章 再生制动的基本原理
邮箱：gdtst99@163.com 网上教学资源：http://js.ndip.cn
7.1 概述
制动能量回收问题对于提高ＥＶ的能量利用率具有重要意义。电动汽 车采用电制动时，驱动电机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄 电池以对其充电，对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。国外有关研 究表明，在存在较频繁的制动与起动的城市工况运行条件下，有效地回收 制动能量，可使电动汽车的行驶距离延长百分之十到百分之三十。目前国 内关于制动能量回收的研究还处在初级阶段。制动能量回收要综合考虑汽 车动力学特性、电机发电特性、电池安全保证与充电特性等多方面的问题。 研制一种既具有实际效用、又符合司机操作习惯的系统是有一定难度的。 电动汽车和混合动力电动汽车最重要特性之一是其显著回收制动能量的能 力。在电动汽车和混合动力电动汽车中电动机可被控制作为发电机运行， 从而将车辆的动能或位能变换为电能，并储存在能量存储装置（各种蓄电 池、超级电容、超高速飞轮或者它们之间的复合）之中，得以再次利用， 以延长其续行驶里程。
电动汽车制动可分为以下三种模式，分述 如下： ⒈急刹车 急刹车对应于制动加速度大于２ｍ／ｓ２ 的过程。出于安全性方面的考虑，急刹车 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Ａ ＢＳ控制提供相应的机械制动力。 ⒉中轻度刹车 中轻度刹车对应于汽车在正常工况下的制 动过程，可分为减速过程与停止过程。电 刹车负责减速过程，停止过程由机械刹车 完成。两种刹车的切换点由电机发电特性 确定。 ⒊汽车下长坡时的刹车 图7-1 再生制动和机械摩擦制动 汽车下长坡一般发生在盘山公路下缓坡时。 在制动力要求不大时，可完全由电刹车提 供。其充电特点表现为回馈电流较小但充 电时间较长。限制因素主要为电池的最大 可充电时间。
永磁直流无刷电机用于发电机 时的控制电路
7.4.4
永磁直流无刷电机用于发电机 时的控制电路
7.4.4
永磁直流无刷电机用于发电机 时的控制电路
7.5 电源管理系统
• 电池之间的不一致性虽然不可以完全消除，尤 其这种不一致性是在其生产之初便已存在，但 是，我们可以通过均衡充电的方法，尽量减少 这种不一致性，延长电池组的使用寿命。当电 池组之间差异过大时，有效地均衡充电可以将 电池组内各电池重新拉回至“同一起点”。
7.5 电源管理系统
• 线性模型法 SOC C.Ehret等提出用线性模型法估计 。该方法 SOC SOC 是基于 变化量、电流、电压和上一个时间点 值 ,建立的线性方程 SOC(i) 0 1U (i) 2 I (i) 3 SOC( i 1)
SOC(i) SOC( i 1) SOC( i)
25.87
69.76
7.3 前后轮上的制动功率和能量
制动能量回收要受到一些条件的约束，实用的能量回收系统应满足以下要求： ⒈满足刹车的安全要求，符合驾驶员的刹车习惯 刹车过程中，对安全的要求是第一位的。需要找到电刹车和机械刹车的最佳覆盖区间， 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刹车过 程应尽可能地与传统的刹车过程近似，这将保证在实际应用中，系统有吸引力，可以 为大众所接受。 ⒉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。 ⒊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，避免因充电电流过 大或充电时间过长而损害电池（这也是限制内燃机汽车应用电制动回收制动能量的一 个难点）。
具有最佳制动感觉的串联制动系统由制动控制器组成，该制动控制器 用以控制施加于前后轮上的制动力，其控制目标在于使制动距离趋于 最小值，且优化驾驶者的感觉。最短的制动距离和良好的制动感觉要 求施加在前后轮上的制动力遵循理想的制动力分布曲线Ⅰ。
7.4.4
永磁直流无刷电机用于发电机 时的控制电路
7.4.4