CN102064591A - 回收充电电流正比于制动电压变化的制动能量回收*** - Google Patents
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Abstract
回收充电电流正比于制动电压变化的制动能量回收***是一个制动能量回收与车载充电机合二为一的节能管理***。本***包含限流限压模块、升压模块、充电模块3种DC-DC变换的功能模块，本***由这3种功能模块依次级联组成，每种功能模块都包含有各自的功率开关与控制电路。在车辆制动时或者车辆下坡时该***具有能量回收的功能，当车辆停止后，需要充电时，该***又是一个车载充电机。电动汽车制动次数越多，损耗的能量越多，发生相同次数的制动时，采用本发明的能量回收***后最多可节能25％，相比没有能量回收***的多行驶20km～50km。能量回收***还能作为充电机，利用市电对电池充电，实现了该***的最高性价比。
Description
技术领域：
本发明是一种充电电流正比于制动电压变化的制动能量回收***。适用于电动汽车、混合动力汽车的制动能量回收，也适用于电机制动能量回收。
背景技术：
1.电制动能量：
对电动汽车来说只要需要制动，整个***就有机械能
这个能量就是物理存在的。能量的大小直接正比于速度v的平方与与高度h。其中，m表示被制动物体的质量，v表示该物体当前运动速度，g表示重力加速度，h表示物体的当前垂直制动结束时的水平面高度，s汽车行驶的距离。
2.能量回收的必要性：
设：某汽车的质量m1＝1200kg，电池组总容量320V60Ah(30Ah磷酸亚铁锂2并100串，共200个单体)，电池质量m2＝200kg，载重量m3＝300kg，电动机额定功率20kW，峰值功率40kW，电动机额定转速2400r/min，最高转速6000r/min当速度为v0＝15m/s时刻的电动机转速1800r/min，电制动末速度为vn＝1m/s时，由摩擦刹车制动到vn＝0m/s，当前汽车的地理高度为0m，汽车的迎风面积为2.2m2，当前汽车电动机在该行驶状态的电压为320V，电流为40A，能量转换效率为80％，在城市通常上下班期间路况下每公里发生轻度制动3次，平均每次能量回馈时间8s，最大电制动加速度a＝1.875m/s2(实际电制动加速度比这个值小)，若行使100公里。计算整个行驶过程中损耗的能量。
能量回收的多少取决于当前
的大小，(F：汽车制动时运动阻力总和，S：汽车克服运动阻力所行驶的距离)与能量转换效率。F＝mguc+Fw+mgh+Fb，其中Fb是电制动阻力，是要回收能量的动力，uc摩擦系数一般中国轿车汽车为：0.017，Fw＝kSv2/13行驶时的空气阻力：根据上述情况推出：F＝(m1+m2+m3)guc+Fw＝350N，若汽车在采用轻度制动，行驶素度从v0＝15m/s变为v0＝0m/s，汽车的加速度为a＝0.2m/s2，需要用时间约为：75s，汽车行驶距离约为：562.5m，但是在行驶过程中，驾驶员是要采取人工制动的，城市路况是不可能像这样去滑行的，如果驾驶员，在距离停止点60m的地方开始制动，只让汽车滑行60m，那么就有170250J的能量将由摩擦制动损耗，按照上述情况，则每100公里最少需要能量3.5×107J，即在运行过程中，不要有刹车制动情况发生，那么该车配备的电池最多行驶197.5km，在城市通常上下班期间路况下每公里发生轻度制动3次，平均每次制动时间8s，最大电制动加速度a＝1.875m/s2，那么该车最多行驶里程为135公里。比实际计算值少行驶62.5km，那么损失的这部分能量就相当于64个30Ah的磷酸亚铁锂电池单体所储存的能量，相当于16000元人民币成本投入，所以我们有必要将这部分能量回收与利用。
而现在的电动汽车并未对这部分能量有效回收，主要原因是：第一、电动机在制动过程中，转速越来越低，产生的感生电动势也越来越低，电池并联在***中使用时，它具有电压钳位作用，当电压低到电池组当前电压时，能量就无法回收到电池组内，达不到回收的目的；第二、目前回收装置主要存在的缺点是：机械设备、被动的工作模式、电压稳定性并未解决、性价比不高。
由于现在动力电池与电力电子技术的不断成熟，为回收这部分能量提供了，理论与实际的可能。
发明内容：
本发明是一种充电电流正比于制动电压变化的制动能量回收***。以电动汽车为例，制动能量主动回收是电池充电、电池管理、电机控制与电动机能量回馈相结合的能量回收***，它不仅用于电动汽车，而且适用于其他制动频繁的电机拖动***。
制动方案建立：1)电动机在制动时，工作在发电状态，此时他把机械能转换为电能，即是：E＝CeΦn。
因为发出的电能不是平滑的直流电，所以，我们要将其整流，滤波成纯直流电。2)若采取恒定功率制动，电机的转速在不断变化，所以恒功率的电流会越来越大，转矩也越来越大，制动加速度越来越大，直到停下来。又因为P＝Fv与
得
当电动机转速为制动初的转速的10％时，此时制动功率恒定，那么这时的制动电流将接近于短路电流电流，电磁转矩越来越大，乘员感到很不平稳，所以我们不提倡恒功率制动。3)若采用恒定转矩制动，转矩就恒定，因为CTф是电动机的固定常数，使乘员感到是平稳过渡，但是机械能量又能实现尽可能大的回收。只要能量回收电流恒定可控，就可以达到转矩恒定的电制动的效果，使能量尽可能大的回收又使成员感到安全平稳，才是最终目的。
***电路方案建立：1)电路原则：第一、电动机制动时输出的电压变化范围特别大10％UBat～90％UBat范围内变化，频率在36～300Hz范围内变化，输入电流可随输出负载决定，关键要让发动机制动时输出电流(制动电流)恒定，从而保证制动转矩恒定，制动加速度恒定。第二、输出电路必须具备充电机的功能，(即：脉冲充电功能，电压变化范围在电池额定电压的80％～120％内，平均电流来控制输入电流恒定，也就是保障输入电流(制动电流)基本恒定。第三、该***必须具备同步SOC检测功能。第四、该***必须具备执行BMS***发出的控制功能。在电池组不需要能量回收的情况下，不能启动能量回收***。
试验方法是采用DC-DC逐级升压，分段限流，最后恒流限压将制动时损耗的能量主动、安全、有效地反馈给蓄电池储存。
回收充电电流正比于制动电压变化的制动能量回收***；其特征是：
本***包含限流限压模块、升压模块、充电模块3种DC-DC变换的功能模块，本***由这3种功能模块依次级联组成，每种功能模块都包含有各自的功率开关与控制电路；
第一级是限流限压模块，其电路是Buck拓扑结构的DC-DC降压变换器；第二级至倒数第二级是升压模块，其电路是Boost拓扑结构的DC-DC升压变换器；最后一级是充电模块，其电路是Buck拓扑结构的DC-DC降压变换器；限流限压模块、升压模块、充电模块的控制电路都包含有PWM脉冲宽度调制控制器、电压检测电路、电压比较器、驱动电路、电流检测电路；
电机在制动时所产生电能的输出正端与第一级限流限压模块的输入正端相连接；电机在制动时所产生电能的输出负端与第一级限流限压模块的输入负端相连接；
第一级限流限压模块的输出正端与第二级升压模块的输入正端相连接，第一级限流限压模块的输出负端与第二级升压模块的输入负端相连接；第二级升压模块的输出正端与第三级升压模块的输入正端相连接，第二级升压模块的输出负端与第三级升压模块的输入负端相连接；以此类推，倒数第二级升压模块的输出正端与最后一级充电模块的输入正端相连接，倒数第二级升压模块的输出负端与最后一级充电模块的输入负端相连接；最后一级充电模块的输出正端与电池组的正极相连接，最后一级充电模块的输出负端与电池组的负极相连接；
在控制电路中，电压检测电路的输出信号与本级电压比较器的输入相连，电压比较器的输出与本级的PWM控制器的电压检测引脚相连，电流检测电路与本级的PWM控制器的电流检测引脚相连，PWM控制器的输出与驱动电路的输入相连接，驱动电路的输出与本级的功率开关相连接；第一级输出电压检测电路的输出与最后一级的PWM控制器的同相输入端相连接。
本发明是是电池充电、电池管理、电机控制与电动机能量回馈相结合的能量回收***，它不仅用于电动汽车，而且适用于其他制动频繁的电机拖动***。
附图说明
图1、限流限压模块原理图
图2、升压模块I原理图
图3、升压模块II原理图
图4、升压模块III原理图
图5、充电模块原理图
图6、本发明***原理框图
具体实施方式：
限流限压模块是本***的第一级功能模块：限流限压模块包括一个DC-DC的buck降压变换器与一个含有PWM脉冲宽度调制控制器、电压检测电路、电压比较器、驱动电路、电流检测电路的控制器。
本级电路的主要功能是：通过本级控制电路中的PWM限定制动电流与限定制动电压。制动能量回收时输出的直流电压40V≤U≤340V，限流限压模块只限流，电流限定在300A以内，驾驶员可以手动调节制动电流的大小，同时调节了制动加速度；当制动电能的电压400V≤U≤600V时，限流限压模块就要对制动电能限压，保障制动电压不要损坏制动能量回收***。
在制动能量回收过程中，电机的转速越来越低，产生的感应电动势越来越小，当本级的输入电压检测电路检测到感应电动势小于40V时，本级控制电路就关断PWM输出，这时就得用机械制动方式来对电机制动。
电机制动时的转速越高，制动的感应电动势越高，越能给电池充电，充电的电流也就越大，为了保证制动电流恒定，将本级输出电压的采样信号，连接到充电模块的控制电路的PWM控制器的同相输入端上，保障充电电流随制动电压成正比变化，除非驾驶员人为的调节这个电流信号，在限流限压模块上通过的制动电流适中是一个恒定值。
本级限流限压模块除在制动能量回收时对制动电能限流限压外，在充电时还对市电整流后的高压直流电有斩波降压的功能，同时利用市电对电池组充电。充电时整流器输出的直流电压320V≤U≤600V，限流限压模块既限流又限压，将电流限定在100A以内，同时电压限定在400V以内。
在本发明中，升压模块模块放置在限流限压模块与充电模块之间，起级联升压的作用，这些升压模块都含有一个DC-DC的boost升压变换器与一个含有PWM脉冲宽度调制控制器、电压检测电路、电压比较器、驱动电路、电流检测电路的控制器。
根据***中电池组的总电压最高电压与回收制动能量的最低电压的比值来决定，在本发明试验中，升压最大倍率为2.2倍U0，纹波电压
额定电流I0＝60A，最大电流Imax＝100A，纹波电流Ip-p＝10A。2)逐级延时50ms启动，当上一级boost升压变换器工作后，下一级boost升压变换器延时50ms才开始缓启动，防止重载启动时出现的浪涌、打火等不良现象发生。
因为在高速制动的初期，制动电能的电压，接近电池电压；通过整流滤波之后的直流电压很有可能高于电池的当前电压，这时是很容易回收制动能量的，但是在低速制动或者在制动电机逐渐减速的时候，制动电能的电压往往低于电池的当前电压，这时制动电压如果不做升压处理是无法将制动能量回收到电池中去的，本发明中的boost升压变换器就是在在低速制动或者在制动电机逐渐减速的时候，对制动电压起升压作用。
在本发明试验中，第一级boost升压变换器的工作电压时40V～88V，当电压大于88V时第一级boost升压变换器的PWM停止升压，该变换器处于直通状态，第二级boost升压变换器的工作电压时88V～194V，当电压大于194V时第二级boost升压变换器的PWM停止升压，该变换器处于直通状态，第三级boost升压变换器的工作电压时194V～426V，当电压大于426V时第一级boost升压变换器的PWM停止升压，该变换器处于直通状态。可见这三级boost升压变换器是对制动电压做级连升压处理工作，是把DC40V～DC426V的直流电压都要变成426V的直流电压。
限流限压模块、升压模块只是对制动电能的电压电流进行一定的变换，但本***的最终结果是要把电能储存到电池中去，所以本发明的最后一级要使用充电模块对电池充电。充电模块电路原理同于限流限压模块，包括一个DC-DC的buck降压变换器与一个含有PWM脉冲宽度调制控制器、电压检测电路、电压比较器、驱动电路、电流检测电路的控制器。
充电模块是否工作的主要条件是BMS电池管理***是否正常，只有在电池符合充电的条件下，才能祸首制动能量以及对电池充电。对电池充电的电流是由第一级限流限压模块的输出电压决定的，所以第一级的输出电压采样信号与充电模块控制电路的PWM控制器的同相输入相连。
充电模块与充电器的输出功能完全一样，具备对电池均充浮充功能与限压恒流功能。同时也受BMS的控制。
模块组合说明：制动能量回收***由限流限压模块、三级级连升压模块、充电模块组成，它们组合在一起既要完成制动能量回收功能，又要完成车载充电机的功能。在汽车制动时，控制模块判断电池是否可以充电。在可以充电的情况下，断开放电回路所有电力开关，开始运行制动能量回收控制程序，给限流限压模块发送电流基准信号，限流限压模块输出限流；给充电控制模块发送启动信号。在不能充电的情况下，给限流限压模块与充电模块发送停止信号。在电池充电时，控制模块运行充电程序，给限流限压模块发送充电电流基准信号，在电池充电过程中，根据电池的电压、SOC、温度情况给充电模块启停信号。
上述模块是级连关系不是串联关系，即：后级模块工作时为前级模块的负载，停止时为能量回收***的电流通路。每级模块都是一个完整的电源变换器，级连时不共地，每级直流变换器有各自独立的电流回路、控制电路和工作条件。
试验1：汽车的质量m1＝1200kg，电池组总容量320V60Ah(30Ah磷酸亚铁锂2并100串，共200个单体)，电池质量m2＝200kg，载重量m3＝300kg，电动机额定功率15kW，峰值功率30kW，电动机额定转速2400r/min，最高转速6000r/min当速度为v0＝15m/s时刻的电动机转速1800r/min，电制动末速度为vn＝1m/s时，由摩擦刹车制动到vn＝0m/s，当前汽车的地理高度为0m，汽车的迎风面积为2.2m2，当前汽车电动机在该行驶状态的电压为335V，电流为15.7A，能量转换效率为80％，平均每次能量回馈时间15s，最大电制动加速度a＝0.8m/s2，总制动加速度a＝1m/s2
时间段对应的车速、电机转速与各模块输出电压、电流变化情况；记录情况见下表：
上表符号说明：
t：从制动0时刻开始，每间隔1s为一个时间段，共15段
v：制动过程中某时间段汽车运动的平均速度，单位m/s
n/s：制动过程中某时间段电机的平均转速，单位r/s
U01：限流限压模块的输出电压，单位V
I01：限流限压模块的输出电流，单位A
U02：升压1模块的输出电压，单位V
I02：升压1模块的输出电流，单位A
U03：升压2模块的输出电压，单位V
I03：升压2模块的输出电流，单位A
U04：升压3模块的输出电压，单位V
I04：升压3模块的输出电流，单位A
U05：充电模块的输出电压，单位V
I05：充电模块的输出电流，单位A
| t | v | n/s | U01 | I01 | U02 | I02 | U03 | I03 | U04 | I04 | U05 | I05 |
| 0 | 15 | 30 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 335 | 0 |
| 1 | 14 | 30 | 330 | 59.3 | 326 | 58.8 | 322 | 58.4 | 400 | 42.3 | 335 | 46.7 |
| 2 | 13 | 28 | 308 | 59.2 | 304 | 58.7 | 300 | 58.3 | 400 | 39.4 | 335 | 43.5 |
| 3 | 12 | 26 | 286 | 59 | 282 | 58.6 | 278 | 58.3 | 400 | 36.5 | 335 | 40.2 |
| 4 | 11 | 24 | 264 | 58.8 | 260 | 58.5 | 256 | 58.2 | 400 | 33.5 | 335 | 37.1 |
| 5 | 10 | 22 | 242 | 58.6 | 238 | 58.3 | 234 | 58.1 | 400 | 30.6 | 335 | 33.9 |
| 6 | 9 | 20 | 220 | 58.3 | 216 | 58.1 | 212 | 58.1 | 400 | 27.7 | 335 | 30.6 |
| 7 | 8 | 18 | 198 | 58 | 194 | 58 | 194 | 52.2 | 400 | 22.8 | 335 | 27.4 |
| 8 | 7 | 16 | 176 | 57.5 | 172 | 57.7 | 194 | 46 | 400 | 20 | 335 | 22.4 |
| 9 | 6 | 14 | 154 | 57 | 150 | 57.3 | 194 | 43.4 | 400 | 19 | 335 | 19.4 |
| 10 | 5 | 12 | 132 | 56.3 | 128 | 56.8 | 194 | 33.7 | 400 | 14.7 | 335 | 16.4 |
| 11 | 4 | 10 | 110 | 55.2 | 106 | 56.1 | 194 | 27.6 | 400 | 12 | 335 | 13.4 |
| 12 | 3 | 8 | 88 | 53.6 | 88 | 48.3 | 194 | 19.7 | 400 | 8.6 | 335 | 9.6 |
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| 14 | 1 | 2 | 42 | 48.2 | 88 | 20.7 | 194 | 8.5 | 400 | 3.7 | 335 | 4.1 |
| 15 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 335 | 0 |
试验2：接着试验1测量能量回收***的工作情况。
时间段对应的车速、电机转速与各模块输出电压、电流变化情况；记录情况见下表：
上表符号说明：
t：从制动0时刻开始，每间隔1s为一个时间段，共15段
v：制动过程中某时间段汽车运动的平均速度，单位m/s
n/s：制动过程中某时间段电机的平均转速，单位r/s
U01：限流限压模块的输出电压，单位V
I01：限流限压模块的输出电流，单位A
U02：升压1模块的输出电压，单位V
I02：升压1模块的输出电流，单位A
U03：升压2模块的输出电压，单位V
I03：升压2模块的输出电流，单位A
U04：升压3模块的输出电压，单位V
I04：升压3模块的输出电流，单位A
U05：充电模块的输出电压，单位V
I05：充电模块的输出电流，单位A
| t | v | n/s | U01 | I01 | U02 | I02 | U03 | I03 | U04 | I04 | U05 | I05 |
| 0 | 15 | 30 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 333 | 0 |
| 1 | 14 | 30 | 329 | 59.5 | 325 | 59 | 321 | 58.6 | 400 | 42.3 | 333 | 47 |
| 2 | 13 | 28 | 307 | 59.4 | 303 | 58.9 | 299 | 58.5 | 400 | 39.4 | 333 | 43.8 |
| 3 | 12 | 26 | 285 | 59.2 | 281 | 58.8 | 277 | 58.5 | 400 | 36.5 | 333 | 40.5 |
| 4 | 11 | 24 | 263 | 59 | 259 | 58.7 | 255 | 58.5 | 400 | 33.5 | 333 | 37.3 |
| 5 | 10 | 22 | 241 | 58.8 | 237 | 58.6 | 233 | 58.4 | 400 | 30.6 | 333 | 34 |
| 6 | 9 | 20 | 219 | 58.5 | 215 | 58.5 | 211 | 58.4 | 400 | 27.7 | 333 | 30.8 |
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| 9 | 6 | 14 | 153 | 57.3 | 149 | 57.7 | 194 | 43.4 | 400 | 19 | 333 | 19.5 |
| 10 | 5 | 12 | 131 | 56.6 | 127 | 57.2 | 194 | 33.7 | 400 | 14.7 | 333 | 16.5 |
| 11 | 4 | 10 | 109 | 55.7 | 105 | 46.7 | 194 | 27.6 | 400 | 12 | 333 | 13.5 |
| 12 | 3 | 8 | 87 | 54.3 | 88 | 48.3 | 194 | 19.7 | 400 | 8.6 | 333 | 9.7 |
| 13 | 2 | 4 | 65 | 51.9 | 88 | 34.5 | 194 | 14 | 400 | 6.1 | 333 | 6.9 |
| 14 | 1 | 2 | 41 | 49.4 | 88 | 20.7 | 194 | 8.5 | 400 | 3.7 | 333 | 4.1 |
| 15 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 333 | 0 |
试验3：与试验1的条件相同，按照每公里发生制动3次、2次、1次测试，不加能量回收控制***，直到电池工作到BMS保护为止。
| 时间段 | 制动次数 | 行驶路程 |
| 7:00～9:00 | 258 | 86km |
| 7:00～9:00 | 212 | 106km |
| 7:00～9:35 | 137 | 138km |
试验4：与试验1的条件相同，按照每公里发生制动3次、2次、1次测试，加能量回收控制***，直到电池工作到BMS保护为止。
| 时间段 | 制动次数 | 行驶路程 |
| 7:00～9:25 | 435 | 135km |
| 7:00～10:00 | 310 | 150km |
| 7:00～10:15 | 176 | 170km |
试验5：与试验1试验车相同，汽车在下坡时，靠电机发电回收，当前汽车在一座高度为15米，斜坡长度120米的立交桥上以速度15米/s的速度匀速下行，试验测试如下：
| 持续时间 | 回收电压U05 | 回收电流I05 |
| 8s | 330V | 38.5A |
试验6：利用市电通过能量回收***对电池充电，试验测试如下：
| 充电时间 | 充电电压U05 | 平均充电电流I05 |
| 0～15min | 280V～300V | 20A |
| 16～164min | 300V～330V | 20A |
| 165～180min | 330～350V | 15A |
| 181～192min | 350～365 | 10A |
试验数据分析：
从试验1、试验2测试记录上看，每次制动所产生的能量约为为：151200J，每次回收能量：117800J，相当于一个3.2V\10Ah磷酸亚铁锂电池的满容量，可供试验汽车在平直道路上行驶336米。
从试验3、试验4测试结果上看，电动汽车制动次数越多，损耗的能量越多，发生相同次数的制动时，采用本发明的能量回收***后最多可节能25％，相比没有能量回收***的多行驶20km～50km。
从试验5上看来，汽车下坡时也可以通过能量回收体统，弥补上坡时多损耗的能量，使汽车在往返过程中，都等效在水平道路上行驶。
从试验6上看来，能量回收***还能作为充电机，利用市电对电池充电，实现了该***的最高性价比。
Claims (1)
1.回收充电电流正比于制动电压变化的制动能量回收***，其特征在于：
本***包含限流限压模块、升压模块、充电模块3种DC-DC变换的功能模块，本***由这3种功能模块依次级联组成，每种功能模块都包含有各自的功率开关与控制电路；
第一级是限流限压模块，其电路是Buck拓扑结构的DC-DC降压变换器；第二级至倒数第二级是升压模块，其电路是Boost拓扑结构的DC-DC升压变换器；最后一级是充电模块，其电路是Buck拓扑结构的DC-DC降压变换器；限流限压模块、升压模块、充电模块的控制电路都包含有PWM脉冲宽度调制控制器、电压检测电路、电压比较器、驱动电路、电流检测电路；
电机在制动时所产生电能的输出正端与第一级限流限压模块的输入正端相连接；电机在制动时所产生电能的输出负端与第一级限流限压模块的输入负端相连接；
第一级限流限压模块的输出正端与第二级升压模块的输入正端相连接，第一级限流限压模块的输出负端与第二级升压模块的输入负端相连接；第二级升压模块的输出正端与第三级升压模块的输入正端相连接，第二级升压模块的输出负端与第三级升压模块的输入负端相连接；以此类推，倒数第二级升压模块的输出正端与最后一级充电模块的输入正端相连接，倒数第二级升压模块的输出负端与最后一级充电模块的输入负端相连接；最后一级充电模块的输出正端与电池组的正极相连接，最后一级充电模块的输出负端与电池组的负极相连接；
在控制电路中，电压检测电路的输出信号与本级电压比较器的输入相连，电压比较器的输出与本级的PWM控制器的电压检测引脚相连，电流检测电路与本级的PWM控制器的电流检测引脚相连，PWM控制器的输出与驱动电路的输入相连接，驱动电路的输出与本级的功率开关相连接；第一级输出电压检测电路的输出与最后一级的PWM控制器的同相输入端相连接。
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