电动汽车能量回馈制动领域的研究现状毕业论文1Word格式文档下载.docx
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Firstly,theoperatingprincipleoftheBLDCMhasbeendiscussedandthemathematicmodelsondriveandregenerativebrakestatesoftheBLDCMwereanalyzed.ThebackEMFoftheBLDCMistrapezoidalwaveformwith1200platformwidth.
Secondly,thehardwarecircuitsofthesystemhasbeendesignedwhichincludespowerinversioncircuitdrivingandprotectingcircuitoftheIGBTcurrentlimitedandchoppercircuitusedinregenerativebraketheelectrifyingdelaycircuit,DSPperipheralcircuit,currentdetectingcircuitandDCvoltagedetectingcircuitthecontrolmethodofbothdriveandregenerativebrakehasbeenstudied.Andthemethodofcontrollingtheregenerativecurrentwasalsobestudied.Thesoftwareisdesignedwhichbasedonthatincludingtheprogramofthecommutation,theprogramofsamplingcurrentandvoltage,theprogramofregulatingthePWMwave,theprogramofcalculatingrotatespeed,theprogramofregulatingthecurrentandrotatespeedincloselooptheprogramofcontrollingtheregenerativecurrentaccordingtothechargeofthebattery.
Keywords:
EV,thebrushlessDCmotor,regenerativebrake
第一章绪论
1.1课题研究的背景与意义
自1886年发明了汽车以来,汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具,可以说汽车大大的缩短了人们之间的距离,改变了人们的生活方式,提高了人们的生活质量。
但是由于燃油汽车所带来的污染问题越来越严重,特别是尾气中的一氧化碳和铅对人类的健康危害极大。
另一方面燃油汽车使用的燃料来自于石油,而石油是有限的不可再生资源,作为全世界重要的化工资源的石油被世界各国在汽车上大量地消耗,据近年的有关石油的国际会议估计,全世界探明的石油储存量在未来50年内即将用完。
因此,汽车工业的发展给同时也给世界带来了无法回避的负面影响。
正是在这种情况下,电动汽车(EV)的研究与开发引起了世界各国的关注,成为汽车发展的新热点。
近年来,各大公司在政府的支持下,也制定了发展电动汽车的长远规划,调动了社会上各种力量参与电动汽车的研制。
电动汽车经历了关键性技术的突破,样机、样车的研制,区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段,现在已接近商业化生产。
电动汽车的研究和开发近年来虽然取得了一定的进展,但还存在如下的一些技术难题急待解决:
(1)一次充电续驶里程太短;
(2)电池的循环寿命短、更换率高;
(3)电池的充电时间长。
通常需要6-10个小时才能完成;
(4)电动汽车的动力性能还不够理想,电机的调速控制系统和蓄电池的能量管理系统复杂,技术不成熟;
(5)售价昂贵;
(6)整车太重。
由此可见,所有这些困扰电动汽车发展的主要因素最终都可以归结到电池上。
到目前为止,电动汽车的电池技术也没有取得突破性进展,在电池技术暂时难以有大的突破之前,如何充分利用能源,开发高效率的能量回馈制动技术,以尽可能地提高电动汽车行驶里程就成了一个非常值得研究的课题。
传统的燃油汽车在制动时是将汽车的惯性能量通过制动器的摩擦转化成无法回收的热能散发到周围环境中消散掉了。
对于电动汽车而言,由于电机具有可逆性,即电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行,因此可以在制动时采用再生制动的办法,通过设计好的电力装置将制动产生的回馈电流充入储能装置,如各种蓄电池、超级电容器和超高速飞轮中,储存起来以备用来驱动电机,最终达到增加电动汽车的行驶里程的目的,这就是通常所说的回馈制动。
电动汽车的回馈制动对电动汽车本身而言是非常重要的。
通过回馈制动与机械刹车的配合使用,可以提高电动汽车刹车系统的安全性、灵敏性和可靠性。
电机的控制系统和蓄电池的能量管理系统的性能,以增加续驶里程、提高动力性能。
有文献指出通过再生制动系统的使用,电动汽车一次充电后行驶的里程增加10%—25%,例如日本丰田开发的电动汽车Prius可以回收大约23%的能量。
如果电动汽车惯性大且工作在频繁制动的环境中,这一数字还要大。
例如在城市典型工况环境中,大型载客巴士制动时的惯性能量可达发动机发出的总能量的50%。
其中消耗在制动器上的惯性能量是可以回收的,约占总惯性能量的80%,即理论上可回收的惯性能量约占发动机总能量的40%。
特别地,我国是一个多山的国家,丘陵和山地占国土面积的三分之二,特别是在中国的西部,山高坡陡,开展再生制动研究十分必要,中国西部大部分地区道路起伏变化明显,常有数十米乃至数百米的大坡道,在下坡时,将车辆的制动、减速能量回收储存起来,等到上坡时再释放使用,这样不但可以节省能源,还可以减少刹车片的磨损,降低故障率,减少使用成本。
同样在城市交通中,由于需要频繁的加减速,回馈制动同样具有重要的意义,有着显著的经济价值。
因此,对电动汽车的回馈制动,如果采用合适的控制策略,对电动汽车的减速、制动时的能量进行回收利用,将产生非常可观的经济和社会效应。
综合前面所述,合理的利用电制动,不仅能为汽车提供辅助制动功能,提高整车制动性能,进一步增强其竞争力,而且通过延长电动车辆的一次充电续驶里程,从而回收制动能量来节约能源,因此研究电动汽车能量回馈制动技术,开发一种高效的电动汽车回馈制动系统是一项非常有意义的工作。
1.2国内外在电动汽车能量回馈制动领域的研究现状
国外对回馈制动技术己经进行了研究,通常多采用向蓄电池充电来吸收再生制动回馈的能量,其缺点是蓄电池难以实现短时间大功率充电且充放电循环次数有限,成本高,还有就是使用超级电容、飞轮等储能元件进行能量回收,在回馈制动系统方面:
(1)美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学对大型客车的回馈制动的建模进行了研究,该车满员为30人,满载重量可达12,474Kg,采用飞轮储能。
在设定的城市平均驾驶循环中(其特点为加速、减速很快,匀速运行的距离短,停车时间短,整个循环为56秒)进行了定量的经济性分析。
在此循环中制动时的惯性能量占总能量的59%,可以给予回收。
通过理想的能量回馈系统可以使每辆车的燃料消耗成本从12,270美元/年降到5,030美元/年。
(2)意大利的FIAT己经开始对超高速飞轮的实用性能进行评价,具体是把采用超高速飞轮作为铅酸电池辅助能源的混合能源系统用于电动汽车上并进行实验测试,模拟结果显示使用该系统可节能20%。
(3)日本丰田汽车公司于1997年向市场推出了混合式动力轿车Prius,它采用混联式布置,并具有惯性能量回收系统。
这种汽车是第一款真正在市场销售上取得成功的电动汽车。
汽车制动的惯性能量能够通过回馈制动系统得到回收,回收的能量约能提供汽车5%—15%的动力,这样能够提高燃油经济性10%左右。
其制动系统的参数匹配得很好,不会出现后轮先抱死情况。
(4)日本本田公司于1997年推出了混和动力车EVPLUS,采用了能量回馈制动系统,可以使汽车在UDDS(UrbanDynamoDrivingSchedule)工况下能量消耗降低20%左右。
(5)美国的国家航空与航天管理局路易斯研究中心(TheNASALewisResearchCenter)开发了一种满载重量超过1,5000Kg的混和动力公交车,带有超级电容储能装置的回馈制动系统,1997年已完成原型车的装配。
(6)福特福克斯燃料电池汽车(FCV)将混合动力技术改善行驶里程和动力特性的优点与燃料电池的综合效益结合了起来。
新的蓄电池组、再生制动和贮氢罐组合起来,使可载四人的福克斯FCV的行驶里程达到160—200英里之间,较以前的车型有了大幅度的改善。
(7)日本东京R&
D公司在电动车上使用超级电容实现回馈制动后,可提高电动车行驶里程20公里,动力电池的使用寿命也延长1.5倍。
虽然目前市场上还不多见中国电动汽车的身影,电动汽车能量回馈制动技术的研究也处于尚未成熟的发展阶段,但中国电动汽车的整车和关键技术发展,都已露出熹微,并非悲观人士所预言的那样只能在跨国公司的围剿中“壮烈”。
正如电动汽车重大科技专项总体组组长、同济大学副校长万钢,所说说,“中国电动汽车发展在战略上要实现跨越,在技术上必须一步一步扎扎实实往前走”。
科技部提供的资料显示,目前电动汽车的研制不论在整车技术上,还是在核心技术上,都取得了可喜进展。
(1)清华大学联合北京客车总厂等单位研制的燃料电池城市客车,采用燃料电池+动力电池的混合驱动型式,运行考核总里程超过10000公里。
在科技计划执行过程中,还形成了燃料电池城市客车整车总体设计、系统集成、仿真分析、控制策略优化、整车综合控制系统开发等一整套燃料电池整车开发技术,以及整车设计和测试标准等,将为燃料电池客车产业化提供重要的技术借鉴,所解决的关键共性技术都可用于其它相关电动车产品的开发。
(2)东风混合动力轿车(EQ7200HEV)由东风电动车公司自主研发。
该车在成熟轿车平台基础上采用多项发明专利,其驱动系统装载电控汽油机,以永磁同步ISG和驱动电机、高性能镍氢电池作为辅助动力,以混联方式参与驱动。
应用和实现了AMT自动变速箱、CAN总线光纤通讯、强电安全系统、智能仪表显示、停车断油、制动能量回馈等多项先进技术和功能。
最高时速160km,0-100km/h加速时间<
13.5秒,,用户在使用过程中不需外接电源对车辆进行充电。
额定乘客5人,适宜城市出租车、政府公务用车和私家用车。
③由北京理工大学为主开发的4种电动客车,均通过了国家汽车质检中心的型式认证。
建立了纯电动汽车整车仿真平台、电传动试验台及动力蓄电池成组测试试验台;
完成近40辆示范样车的生产和调试。
纯电动客车在动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标己达到或接近国际水平,初步形成了关键技术的研发能力和产业化配套能力。
纯电动客车40km/h等速续驶里程306km,完全可以满足短途旅游需要,整车性能达到国内领先水平;
电动助力转向、多档变速器电动换挡机构(AMT)和电动一体式空调、附件一体化供电等设计理念和新产品应用有效地提高了整车性能和科技含量。
(4)华南理工大学电动汽车重点实验室设计出的再生制动控制系统,在EV6600电动汽车上进行实验,实验结果表明该再生制动回收系统可以达到10%的能量回收效率。
(5)混合动力汽车EQ6110HEV,采用了机械制动与再生制动相结合的策略一一低制动强度时优先采用再生制动,高强度时按比例复合再生制动与摩擦制动相结合。
实验表明在各种循环工况下,EQ6110HEV采用的这种再生制动控制策略有较好的节能效果,可降低能耗10%—20%。
中国电动汽车4年的研发业绩固然值得欣慰,但公众只看市场上是否有性价比更优的产品。
中国汽车业界清醒认识到自己的不足。
毕竟,中国的电动汽车还没有产业化,还有一段路要走。
尽管中国三大汽车集团都致力于研发电动汽车,但无论在技术、消费环境、政策方面与国外相比差距都很大。
主要表现在以下方面:
(1)在整车技术上,国外研制的电动车持续里程比我国大。
他们的样车一次充电可行驶四五百公里,投入市场的车一次充电可行驶200多公里,而我国的电动车只能持续行驶100多公里:
在车速上,我国的电动车也比不上国外;
(2)在电动车关键技术上,蓄电池方面,国外已成功开发出了铝空气电池、锌空气电池、镍氢电池等高能电池,而中国的高能电池正在研制中,目前可用的只有铅酸电池。
尽管我国己引进国外多种铅酸电池生产线,但生产出来的电池在质量上不过关;
在其它各种单项技术上,如电机、电控、底盘、外壳、车内设施等都与国外存在不同程度的差异。
从眼前的研发能力看,中国似乎仍然无法乐观,但科研人员认为,关键在于如何把握时机。
中国科学院物理所黄学杰研究员说,“二次大战之后,日本的汽车工业与中国的一样糟糕,但为了发展这样一个有市场的行业,当美国人把汽车研发放在大排量时,日本致力于小排量汽车的研发。
决策一定是处心积虑的,当国际上出现石油危机时,日本用小排量车击败了美国人,10年跳上了汽车强国的台阶,如今又用环保车打击欧美。
在汽车市场上,几年前没有人认同中国的民营企业,但奇瑞走出来了,除了占领中国市场外,已登陆欧洲市场,而强大的德国大众却丢失了40%的市场。
谁能轻易断言胜败呢?
”
1.3本课题的主要内容本课题主要分六个部分:
第一部分:
回馈制动的原理。
第二部分:
回馈制动在电动汽车结构中的可行性分析。
第三部分:
回馈制动系统设计所需的硬件与传感器选择。
第四部分:
回馈制动系统的设计。
第五部分:
试验结果分析
第六部分:
总结
第二章回馈制动的原理
在变频调速系统中,电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的,在变频器频率减小的瞬间,电动机的同步转速随之下降,而由于机械惯性的原因,电动机的转子转速未变,或者说,它的转速变化是有一定时间滞后的,这时会出现实际转速大于给定转速,从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况,这时电动机就变成发电机,非但不消耗电网电能,反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电,这样既有良好的制动效果,又将动能转变化为电能,向电网送电而达到回收能量的效果。
2.1无刷直流电机工作原理
常用于电动汽车的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机以及开关磁阻电机。
永磁无刷直流电机同其它电机相比具有几个明显优点.
(1)永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相,故克服了任何由电刷引起的问题;
(2)永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上,故导热性能好,产生的热量更容易散发出去,结构也变得简单,并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少;
(3)永磁无刷直流电动机的效率与转速永远保持同步关系,不会发生失步、震荡等现象;
(4)它的起动、调速特性类似于直流电机,控制简单,同时也克服了同步机的缺点,又具有功率因数好的优点。
正是由于永磁无刷直流电动机具有以上优点,使永磁无刷直流电机使其在电动车传动系统中备受青睐。
图2-1无刷直流电动机的结构原理图
以无刷直流电动机为例,结构原理如图2-1所示。
它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路及其控制器二部分组成。
电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似,但没有笼型绕组和其他起动装置,其定子绕组一般制成多相(二相、四相、五相等),转子由永磁钢按一定极对数(2p=2,4,…)组成,二相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接。
在图2-1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管((VT1,VT4),(VT3,VT6),(VTS,VT2)相接,转子位置传感器检测转子位置,并将位置信号传给控制电路。
当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号输入控制器,控制器控制电子开关电路,从而使定子各相绕组按一定次序导通。
定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
随着转子的转动,位置传感器不断的送出信号,以改变电枢绕组的通电状态,使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变,这就是无刷直流电动机的换相原理。
由十电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向器的换相作用。
因此,所谓无刷直流电动机,就其基本结构而言,可以认为是一台由电子开关电路、永磁同步电动机以及位置传感器二者组成的“电动机系统”。
其原理框图如图2-2所示。
图2-2无刷直流电机的原理框图
由无刷直流电机的工作原理知道,只要改变同一磁极下电枢电流的方向,就可以改变电机输出转矩的方向达到制动效果,改变电枢电流的方向的方法有。
(1)改变电源的极性从而改变电枢电流的方向,也就是我们所说的反接制动,但是反接制动易产生较大的制动电流,且电路硬件实现相对复杂;
(2)改变三相逆变器的导通功率管的导通规律从而改变电枢电流的方向。
从前面介绍的无刷直流电机的四种工作状态可知,正向和反向制动与相应的电动状态相比,只是改变了功率开关管的导通顺序,而通过改变功率开关管的导通顺序就可以改变同一磁极下电枢电流的方向,从而改变电机输出转矩的方向,产生反向制动力矩,达到效果。
就是本论文介绍到的回馈制动。
2.2两种斩波方式下回馈制动的比较
永磁无刷电机回馈制动时功率开关管调制方式,有半桥调制方式和全桥调制方式。
在实际应用中,应根据具体情况选择不同的制动方式。
下面对两种制动方式作一下比较。
首先,同电动状态一样,半桥斩波回馈制动具有非导通期间第二相续流电流,这种现象导致电机相电流出现非对称,加剧了转矩脉动相比较而言,全桥斩波引起的转矩脉动较小。
其次,半桥斩波只对下桥臂进行斩波操作,因此它引起的功率器件的开关损耗相对全桥斩波要小得多。
再次,从制动效果石‘采用半桥斩波的方式进行回馈制动时,整个PWM周期内,蓄电池均没有功率输出,续流阶段的电流上升主要靠电机旋转引起的反电势,因此充电电压提升较小,在电机转速降低时,制动转矩下降非常明显。
而全桥斩波方式下,续流阶段使蓄电池也串入续流回路,致使回路电流上升很快,制动扭矩输出大,制动效果明显。
最后,电机与蓄电池之间的能量流动:
在半桥斩波和全桥斩波方式下,都能够对蓄电池进行回馈充电并目‘充电时的电路状态也是一致的。
但在制动过程中,半桥斩波方式下不能使蓄电池输出电能,而全桥斩波下,蓄电池在续流阶段有能量输出。
这样,全桥斩波方式就存在一个临界转速,当电机转速低十临界转速时,全桥斩波回馈制动时蓄电池输出能量大十电机回馈能量,就不能实现制动,这时可用其他方式实现制动停机,比如采用机械制动或能耗制动的方式。
虽然全桥制动时转矩脉动较小,但由于全桥制动下开关管的开关损耗较大,目制动过程中存在临界转速,这限制了它的应用。
本文中的回馈制动采用半桥斩波回馈制动。
制动时的能量回馈是电动汽车的核心技术之一。
电动汽车作为一个惯性比较大的负载,快速运行时具有很大的动能,采用回馈制动的方式加以回收,对十提高电动车辆的效率,延长电动车辆的一次充电行驶里程以及节能都具有重大意义。
2.3回馈制动时蓄电池充电的控制
铅蓄电池的充电电流应根据其荷电状态(SOC,StateofCharge的缩写)确定。
荷电状态即蓄电池剩余电量与最大可充电量的比值,通常在一定温度下,电池充电到不能再吸收能量的状态,定义SOC为1;
而将电池不能再放出能量的状态,定义SOC为0。
如果充电电流远小十蓄电池可接受的电流,蓄电池充电时间就很长,同时极板深处的活性物质不参加反应,从而使电池容量减小,影响寿命。
反之,如果充电电流远远超过蓄电池可接受的电流,将产生析气反应(电解水的反应)。
蓄电池内将产生大量气泡,这些气泡猛烈撞击极板,可使活性物质脱落,严重影响蓄电池寿命。
实验测得蓄电池可接受充电电流曲线如图2-3。
图2-3蓄电池可接受的充电电流曲线
图中人为蓄电池实际充电电流线,I、为蓄电池内产生气泡的电流。
I二为蓄电池可接受的充电电流曲这是一条自然接受特征曲线,超过这一曲线的任何充电电流,不仅不能提高充电速率,而且‘会增加电池的析气反应。
SOC较小时,蓄电池可接受的充电电流较大,此时电池的端电压较低:
SOC较大时,蓄电池可接受的充电电流较小,此时电池的端电压较高蓄电池的荷电状态的确定较为复杂,本设计采用了一种近似估计的方法,既由蓄电池的端电压近似估计荷电状态。
这种方法虽然不精确,但却简便易行。
为了在回馈充电时确定此时蓄电池的最大可充电电流,在硬件和软件上都作了相应的设计。
硬件上,通过双限流斩波电路来限制回馈制动时电机的相电流,达到对蓄电池充电电流上限值的限制,避免出现回馈充电电流大十蓄电池可接受的充电电流的情况。
本设计的回馈制动采用半桥斩波方
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