制动能量回收（精选八篇）
制动能量回收 篇1
节能环保已成为汽车发展的必然趋势。探究汽车引发环境污染的原因中, 现有制动系统的缺点是显而易见的。频繁的制动带来的不仅是巨大的能量损失, 同时汽车在制动后起步加速及停车怠速阶段的油耗、黑烟及其他排放显著增多。
2 公交车工况特点
近来, 已有不少研究人员分别对京、津、沪, 以及武汉、成都等大城市公交车的工况进行了调查研究[1,2]。将这些材料提供的数据, 汇成表1, 表中的数据是以总重15t、发动机功率为150k W的公交车为反映我国大城市公交车行驶工况的概貌[3]。文献[1]和[2]中指出:城市客车实际运行特点是平均车速 (18km/h) 和最高车速 (50km/h) 都低, 加、减速频繁。频繁的制动引起油耗的增大和废气的排放增多。将汽车制动损耗能量回收起来, 充分利用回收能量辅助汽车起步加速, 则是一个很好的节能环保方案。
*注:含在加速时间段
3 储能方式研究现状及其优缺点
国内外对车辆制动能量回收与再利用方式具有代表性的用于行驶车辆的能量储存方式有以下三种。
(1) 飞轮储能。其基本工作原理是将汽车在制动或减速过程中的动能转换为一飞轮高速旋转的动能, 当汽车起步加速时, 高速旋转的飞轮又将存储的动能转化为汽车的辅助驱动力。飞轮式装置简单易行, 造价较低, 但重量和体积大, 在飞轮储能装置中, 提高飞轮的储能能量和能量的保存效率是主要的研究问题, 超高速飞轮的研制困难较大。
(2) 液压储能式。其工作原理是将汽车在制动或减速过程中的动能转换成液压能的形式, 并将液压能贮藏在液压蓄能器中。当汽车起步加速时, 蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于汽车辅助汽车起步加速。液压储能装置具有零件少、成本较低、工作可靠性高的特点, 同时还具有体积小、安装布置方便的优点。但回收利用时不可避免地伴随摩擦和热的损失同时液压系统的密封性能要求高, 一旦发生泄漏对其性能影响较大, 且造成环境污染, 成本昂贵。
(3) 电化学储能式。其工作原理是首先将汽车在制动或减速过程中的动能, 通过发电机转化为电能并以化学能形式存储在储能器中。当汽车需要起步加速时, 将储能器中的化学能通过电动机转化为辅助汽车行驶的动能。该方案具有结构简单、操作方便、可靠性好、制动能量回收利用效率高的优点。而制约其应用的技术瓶颈是高性能、低成本的电化学储能器, 且电化学储能器频繁充放电对其寿命影响较大。
4 气压储能方案
图1所示为一种气压储能式方案, 其工作原理是将汽车在制动或减速过程中的动能转换成气压能的形式, 并将气压能贮藏在储气罐中。当汽车起步加速时, 储气罐中的气压能以机械能的形式反作用于汽车, 辅助汽车起步加速。
气压式制动能量回收系统较飞轮式储能系统具有质量小、成本低、工作可靠性高、效率高的特点。液压式储能系统对密封性能要求高, 一旦发生泄漏对其性能影响较大, 且造成环境污染, 成本昂贵。而气压式储能系统无需气压回路, 以环境中的空气为媒介, 清洁环保, 零件较少, 成本较液压式低。与电化学储能式相比气压式储能系统成本低廉, 使用寿命较长。鉴于气压式储能系统的这些特性, 我们对此方案作了探索性设计。
5 机械结构设计及工作原理
探索平台:我们以公交车为设计平台
(1) 能量回收系统
机器一般是由原动机、传动装置和工作装置组成。在这里我们将轮辋作为原动机, 当制动过程开始时轮辋与二级齿轮传动装置联动, 进行能量回收。我们通过对汽车上常用摩擦式离合器的改进应用实现这一功能。
如图2所示, 当踩下刹车踏板时利用气压推动活塞来压紧刹车片从而使轮辋带动两级齿轮传动继而带动空压机压缩气体, 进行机械能到气压能的转化。
在空压机之前加装飞轮, 飞轮的作用是储存一部分能量。轮辋通过二级齿轮增速后速度降低到压缩机额定转速以下时, 飞轮会通过超越离合器与二级增速齿轮机构脱离, 从而独立带动空压机工作。
空压机产生的压缩气体经过处理进入储气罐储存, 完成机械能转化成气压能后的能量存储工作。储气罐与公交车原有的储气罐复合在一起以节省空间。
(2) 能量利用系统
如图3所示, 气动马达作为一个备用的发动机, 用来辅助汽车制动后发动机起步、加速。要保证气动马达只在汽车起步和在较低速度进行加速时才给汽车辅助起步加速, 所以设计了以下机构来实现上述想法:楔块式超越离合器部分以保证动力单向供给, 即只能气动马达驱动主轴。
供气装置设计如图4所示。汽车起步主要操作顺序 (指车辆在一般道路上起步, 坡道起步除外) :“踩”离合器、“挂”一档、“松”手刹、“稳”油门、“松”离合器。
我们采用了一种顺序机构, 踩下汽车离合器踏板后通过联动机构使牙嵌式离合器咬合并通过飞锤固定, 由于牙嵌式离合器的上半部分下移从而推动连杆转动将图示两齿轮啮合。踩下油门加速, 通过齿轮的传动触动直动式电磁阀电源开关闭合, 使气动马达供气管道的电磁阀阀门打开, 气动马达开始工作以辅助汽车起步或加速, 飞锤的设计保证汽车到达一定速度时牙嵌式离合器分开, 切断电磁阀电源, 气动马达停止工作。从而保证了汽车高速行驶时, 气动马达不会对汽车发动机工作产生干涉。
6 结语
当要把一辆重达15t的客车从高速行驶到制动停止, 其巨大的动能瞬间转化为刹车盘的高温, 本文提出在未来汽车的制动系统装备制动能量回收装置, 把制动的能量转化为一定形式能量储存下来, 以供车辆储备使用。这种方案性价比极高, 可行性良好, 将会是未来一种趋势。相信随着各种形式制动能量回收系统的推广应用, 我们的汽车将变得更加环保节能。
参考文献
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制动能量回收 篇2
摘要：随着我国城市轨道交通建设的快速发展，国内轨道交通主要采用电气再生制动方式。电气再生制动是城市轨道列车运行中的一个关键、重要的技术，关系到列车能否安全、准确、稳定地进站、停车。目前，在国内各大城市的地铁列车均采用电气再生制动方式（简称制动技术），在牵引变电所内设置有一套制动能量消耗装置，文章重点介绍了制动能耗装置的工作原理和保护设置，针对在实际运用中出现的一些问题进行分析、总结，并提出合理化建议。
关键词：再生制动能耗；IGBT；温度保护
1再生制动能耗装置简介
至今，在我国城市轨道交通领域中，牵引交流变频变压调速（即VVVF系统）、牵引1500v再生电制动系统是应用得较为广泛的调速技术。广州地铁4、5、6号线采用VVVF系统交流调速系统。再生制动能耗装置属于车辆调速设备的范畴，其功能是作为车辆再生制动时的总吸收装置，为车辆提供再生制动功能，并满足车辆各种性能试验。广州地铁4、5、6号线吸收装置采用恒压电阻整定吸收装置，即利用斩波器设置4会支路配合电阻吸收，根据列车再生制动时1500v电压的抬升状态，吸收装置内的控制元件调节斩波器的导通时间，从而在短时间内改变吸收功率大小，将列车制动产生的线网高电压恒定在某一设定值范围内波动。在目前国内各大城市应用的电气再生制动或电气再生-电阻吸收制动模式，对于上线列车密度不大的线路，再生电制动功能启动条件不满足、启动比较少，电制动方式得不到充分发挥，导致气制动投入频繁，造成列车刹车系统的闸瓦磨耗较快，使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，而且也刹车摩擦造成热能的增加，地铁隧道内温度较高，影响隧道的使用寿命。而牵引变电所的再生制动能量消耗装置是装设在牵引变电所的集中吸收设备装置，使列车再生能量消耗在地面空间，大大降低工程建设费用及运营费用。当处于再生制动状况的列车回馈出去的电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备所吸收时，能量消耗装置立即投入工作，吸收掉多余的回馈电流，使车辆再生电流持续稳定，最大限度的发挥电制动功能。
2再生制动能耗装置的原理及组成
1500v制动能耗消耗装置组成含控制柜（隔离开关柜、斩波器柜）和电阻柜：（1）隔离开关柜：由电动隔离开关（QS），线路接触器（KM1），预充接触器（KM2），滤波电容，滤波电抗，电流、电压传感器，避雷器等构成。（2）1500v斩波器柜：由1500vIGBT四回斩波器（VT1～VT4）支路，1500v四回续流二极管（VD1～VD4）支路，微机控制系统，上位机，支路快速熔断器、支路故障隔离开关（QS1-QS4）、温度传感器及避雷器等构成。（3）吸收电阻柜：吸收电阻（RZ1～RZ4）。工作原理介绍：远程或当地操作合上电动隔离开关QS和直流1500v断路器219，能消装置在收到直流断路器219合闸信号后，1500v制动能耗装置柜的微机上位机发指令合上预充接触器KM2，给滤波电抗、电容充电至1500v，再发指令合上主回路接触器（KM1）。此时，1500v制动能耗装置进入稳定工作状态：微机下位机不断根据传感器检测线网1500v电压的抬升变化，结合33kV电压波动和整定的吸收电压值，判断列车是否处于再生制动状态并需要吸收能量时，启动斩波器立即导通投入吸收工作。当车辆制动级数较低，电压低时，即回馈电流较小时，微机通过自动调节斩波器导通比和时间，使斩波器处于低开通或不导通状态。随着制动级数增加，微机控制系统经过判断，快速调节斩波器导通比的大小，达到导通开和关的目的，等待车辆再次再生的出现，如此循环，实时控制，以维持1500v电网电压维持在一定的范围内，确保列车能充分有效的实施电制动。图3是典型的运行中牵引-制动波形图，我们可以清晰地看到列车在运行时电网电压、装置电压、电网电流、吸收电流的变化曲线。电网电流表示牵引电流，而装置的吸收电流大小和时间长短反映了设备正在吸收工作，吸收列车对线网多余的回馈电流，使列车再生电流持续、稳定。
3设置的保护类型
斩波器柜作为整套设备中的关键部分，起着控制、调节作用，其核心部件IGBT的状态更是决定了设备能否正常运行，因此，大部分保护是针对IGBT设置的。（1）过电压保护：1500v直流侧出现的过电压包括操作过电压、雷击过电压和来自列车上制动产生的过电压。当1500v系统网压超过设定值时，保护动作，装置退出运行。（2）IGBT超温保护：在IGBT散热器上设置温度传感器元件，当温度超过保护设定值时，发出IGBT超温故障信号，保护动作，关闭系统，装置退出运行。（3）电阻柜温度保护：电阻柜空气出口温度设定三档，当温度超过150℃时，吸收功率自动降低到最大设定功率的2/3；当温度超过170℃时，吸收功率自动降低到最大设定功率的1/2；当温度超过200℃时，斩波器自动关闭。（4）过流保护：IGBT斩波器为四相不重，针对四个IGBT支路，定义了每个支路的IGBT能承受1000A的过流。（5）熔断器熔断保护：也是为保护斩波器设计，当一个支路的熔断器熔断时，系统报警，该支路退出运行；当两个支路的熔断器熔断时，系统跳闸，能耗装置退出运行。（6）1500v回路短路保护：1500v短路保护在主回路上分为1500v斩波器前路径的短路保护和1500v斩波器后路径的短路保护。当短路点发生在斩波器后一级，设备首先关断斩波器，发出相应支路短路保护信号；短路点发生在斩波器前一级（含斩波器本身），快速断路器动作。当装置出现1500v过流、短路、接地故障时，微机迅速向所内的1500v直流断路器发出故障跳闸信号。另外，作为对IGBT元件的保护，IGBT的控制回路还增加了RCD型缓冲吸收回路。
4运行中的问题分析
广州地铁4、5、6号线采用的牵引所再生制动能量消耗装置，在国内尚属新兴技术，此前应用范例并不很多，再加上广州地铁4、5、6号线采用的是国内很少见的DC1500V三轨供电及线性电机车辆技术，从这几年的运行经验来看，还存在一些问题，下面就介绍运行中出现的一些问题，并对其原因进行简要分析：自4、5、6号线开通后，HXXS9型制动能耗装置发生过几次严重的短路，并都伴随有IGBT被击穿炸裂的情况发生。（1）发生在4号线万胜围牵引变电所，斩波柜吸收支路1和支路2的IGBT被炸裂，但支路快速熔断器没有及时动作，而是由上一级直流快速断路器的大电流脱扣保护动作来切除故障，短路电流上升到4000A。另外，经检查发现有主回路有对外壳放电现象，因为HXXS9型制动能耗装置外壳对地为非绝缘安装，在短路过程中有正极对地短路发生，从变电所钢轨电位限制装置的动作也证实了这一点。（2）较严重的短路事故发生在4号线新造牵引降压混合变电所，此次故障支路3和支路4IGBT被炸裂。与万胜围变电所不同的是，支路3和支路4快速熔断器及时切除了故障，并联跳上一级直流快速断路器，但支路3和支路4的短路电流也分别超过了540A；经检查发现同样伴有对地短路现象。（3）发生在5号线车陂南牵引变电所，斩波柜吸收支路1的IGBT被炸裂，但支路快速熔断器没有及时动作，而是由上一级直流快速断路器的大电流脱扣保护动作来切除故障，短路电流上升到4250A。（4）发生在5号线口牵混所，斩波柜吸收支路2的IGBT已击穿，导致制动能耗装置跳闸。其故障电流达到了3000A，制动能耗装置吸收电流检测量程为3000A，其实际最大电流大于3000A，而219开关大电流脱扣保护动作定值为4000A，所以导致了制动能耗装作内部保护动作的同时，219开关大电流保护动作。（5）发生在6号线北京路牵混所，斩波柜吸收支路3和支路4的IGBT被炸裂，但支路快速熔断器没有及时动作，而是由上一级直流快速断路器的`大电流脱扣保护动作来切除故障，短路电流上升到4000A。通过对现象的分析判断，可能性较大的原因有：IGBT在关断的过程中，由于线路电感的原因产生了较大的关断过电压，将IGBT击穿。击穿的过程中，由于IGBT的炸裂碎片和电弧的作用导致主回路对地短路。分析IGBT的关断过电压就要分析IGBT的特性，包括IGBT的导通特性和IGBT的关断特性。IGBT是电压控制型元器件，它的开通和关断由栅极和发射极之间的电压差UGE决定的，当UGE正电压且大于开启电压UGE（th）时，内部MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。IGBT关断过程是由IGBT的通态到阻态的过程，存在关断的过电压同电网电压叠加后施加到IGBT集射两极后，其值超过IGBT的最大允许过电压Vces将IGBT击穿的可能。广州地铁4、5、6号线在运行初期存在电网电压较高的现象，直流母线电压经常上到1700V左右，并且由于采用线性电机技术，造成线路电感的增加。针对几次故障都是保护启动了，但是IGBT元件仍然损坏。问题分析：IGBT工作在较高的工作频率下，所以IGBT只能承受很短时的短路电流。因此，对IGBT一般采用装置内部故障自我保护，当微机判断可能出现危机IGBT时，如吸收时间过长的温度保护，就发相应的跳闸信号给219开关分闸，实现自我保护。
5在实际运用中可以改进的方法如下
（1）通过控制IGBT关断时间来抑制关断过压。（2）针对制动能耗装置外壳对地非绝缘安装的问题，目前说法不一，主要是制动能耗装置的定位问题，是否将制动能耗装置看为馈线柜。如果将其看作馈线柜就须绝缘安装，如果不是就不必绝缘安装。绝缘安装可以解决正极对地短路的问题，但是绝缘安装如果发生正极对地短路现象，则由直流系统的框架保护动作，将会扩大停电范围。我们认为，制动能耗装置柜内一次元件已经全部采用双重绝缘安装，带电体与外壳发生电流泄漏的概率非常小。制动电阻支路均串接于IGBT后方，当电阻回路发生低于装置整定电压下的电流时，装置将闭锁IGBT并报警。IGBT控制回路对故障电流的限制能力非常灵敏且迅速，动作时间比直流断路器快得多。如果IGBT前发生带电体与外壳间电流泄漏，由对应的直流开关柜判断故障并切除。短路电流幅值较大时直流断路器动作，短路电流幅值较小时，OVPD闭合后直流断路器动作，均能可靠切除故障设备。若设置框架保护，则必须单独为制动能耗装置设置一套，否则发生泄漏时故障范围将扩大到直流开关柜设备。显然，在泄漏概率极低的条件下，设置这样一套单独的框架保护是没必要的，不但增加维护量、资金投入，也增加各种保护之间的配合难度。综上所述，制动能耗装置发生直流泄漏的概率是极低的，采用非绝缘安装方式完全适合，即使发生泄漏，也不会对值班员或操作人员的人身安全构成威胁，不必设置框架保护。
6结束语
至今，牵引变电所再生制动能量消耗装置作为新技术的应用，不可避免的存在一些问题，相信随着时间的推移，在厂家与用户的努力下，所有问题都会慢慢得到妥善解决。
参考文献：
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城市轨道交通制动能量的回收方案 篇3
目前, 在国内给机车供电的直流接触网大多是采用二极管整流得来的, 有12脉波和24脉波。当机车制动时, 将再生制动的能量回馈到直流牵引网, 使直流电网的电位升高;当直流电压大于牵引网的电压时, 多余的这些再生制动能量除了被其他相邻的机车吸收使用外, 剩余能量主要被车载制动电阻消耗掉, 以发热的方式释放出去。因此, 再生制动能量不能得到有效的利用。随着电力电子技术的飞速发展, 轨道交通机车制动能量的回收方案也有很多种, 机车的制动能量可以转换为电能回收再次利用, 如果可以从系统设计方面着手, 使机车再生制动时的二次电能得到充分利用, 则轨道交通系统可以节约非常可观的能源, 对城市轨道交通的节发展产生重要影响。
机车制动能量回收利用方法与原理
目前, 国内外对机车制动能量的回收方案均有一定的研究, 主要的方法有:电阻消耗型、飞轮储能型、电容储能型、逆变回馈型。
电阻消耗型
电阻消耗型再生制动能量回收装置主要元件是IGBT斩波器和吸收电阻, 通过它们之间的配合实现恒压吸收, 如图1所示, 通过监测直流接触网上电压的变化来实时控制IGBT斩波器的导通比, 从而改变电阻的消耗功率, 将直流接触网的电压维持在某一设定的范围内, 并将机车制动的能量消耗在吸收电阻上。
飞轮储能型
飞轮储能型吸收装置的主要功能元件是IGBT斩波器、储能飞轮电机、电动隔离开关、直流快速断路器、控制模块和传感器等。飞轮储能型制动能量吸收装置主要是利用飞轮机旋转的惯性, 通过电动机将机车制动的能量转化为飞轮机的动能储存起来。装置通过检测变电所的直流空载电压和接触网母线电压, 来判断机车再生制动的能量是否被本车的动力设备或相邻车辆吸收完。如果检测测到变电所还有多余的制动能量, 飞轮机将加速旋转, 将电能储存为动能;如果检测到附近本机车启动或附近有列车经过, 飞轮机将减少转速, 又将储存的动能转化为电能释放给直流接触网。装置示意图如图2所示。
电容储能型
超级电容的应用比较广泛, 所以利用超级电容来回收机车的制动能量是可取的, 电容储能装置是将多个超级电容元件单体通过串、并联构成一个满足所需容量的电容器组, 电容储能装置除了超级电容组之外还有直流快速断路器、双向DC/DC变换电路、控制电路和电压电流传感器等用来控制电容器组的充、放电, 其装置原理图如图3所示电容储能装置的工作原理是通过检测电压传感器测量到的直流接触网的电压信号, 来决定电容器的充、放电模式, 这两种工作模式可以实现自动切换, 电容储能装置不仅可以充分回收机车的再生制动能量能, 同时还可以稳定牵引网的电压, 从而改善接触网供电效果。
逆变回馈型
逆变回馈型再生制动能量吸收方案采用PWM逆变器, 可以通过将原有的二极管整流电路改为可控硅整流电路, 也可以在原有的整流支路两端重新并联一组可控硅整流电路来实现。该装置主要部件有开关柜、隔离变压器、PWM逆变器。其中, PWM逆变器主要由电力电子功率模块、滤波器、控制单元等组成。逆变回馈型再生制动能量回收装置的原理图如图4所示。
逆变回馈方案的比较与选择
电阻消耗型再生制动能量吸收装置是通过IGBT和电阻的相互配合配合的来实现的, 根据机车制动时直流牵引网的电压来调节IGBT的导通比, 将制动能量消耗在电阻上, 从而将牵引网电压稳定在一定的范围值内。该装置国内已有比较成熟的产品制造经验, 价格较低。但是再生电能不能有效利用, 消耗的热能会带来变电所环境温升等问题。
电容储能型再生制动能量吸收装置主要工作原理是通过DC/DC变换器来控制超级电容器对再生制动能量的吸收, 如果在供电区间内有机车启动, 则超级电容将其所储存的电能释放到牵引网上, 供需要取流的列车利用。从而达到稳定牵引网的电压。该方案节能效果好, 更换器件和维护方便。但由于技术国产化程度低, 而且国外相关产品价格又较高, 体积大, 储能量有限, 对于运量较大的地铁线路, 如果储能电容的容量较小, 则列车再生制动能量不能得到完全吸收。
飞轮储能型是利用飞轮机的转动惯量来储存机车的制动能量, 节能效果良好, 但是国内产品研究较少, 达不到应用水平, 需要完全进口国外产品, 价格比较昂贵。
逆变回馈型制动能量吸收方案主要采用由IGBT构成的逆变器, 逆变器的交流侧接到整流变压器35k V或变电所0.4k V动力照明电网, 直流侧接到1500V直流母线上。这样不仅可以使再生制动能量回收利用, 而且稳定了牵引网的电压。随着大功率电力电子技术的发展, 研发更高效、可靠的逆变回馈型再生制动能量利用技术已成为热点。因此从节约能源的角度综合考虑, 逆变回馈型是未来必然发展的趋势。国内相对有实力的研究机构如许继电气、株洲时代等正在研发大功率逆变装置, 其中部分已挂网试验成功, 为未来逆变回馈制动能量回收装置产品的生产国产化和工程应用奠定了基础。
逆变回馈型再生制动方案
逆变回馈装置的原理
如图5所示再生制动能量逆变回馈系统的原理图, 主电路主要由整流变压器、隔离变压器、LC滤波器和PWM型逆变器组成。PWM型逆变器电路是由六个IGBT构成, 将牵引直流电逆变到交流电侧。因为逆变器采用的是6脉波逆变, 所以输出的交流电中含有大量的谐波成分, 因此在交流输出侧设置一个滤波电路进行滤波。当逆变器的某一桥臂发生故障时, 为了防止直流侧电流进入交流侧系统, 所以在整流器与逆变器之间设置一台隔离变压器, 确保直流侧电流不会进入交流侧系统。
当检测到直流母线电压高于设定值时, 通过逆变回馈装置将直流电逆变回馈到交流侧, 逆变回馈装置可以稳定直流母线电压在某一设定值。
设置逆变回馈装置的原则
机车制动能量的大小与线路条件、行车密度等密切相关, 因此设置车辆再生制动能量逆变回馈装置应满足以下两个基本原则:
(1) 应能最大程度的吸收机车制动能量, 并将其逆变回馈到所连接的供电网络, 实现电能的回收利用, 保证轨道交通供电系统的节能运行。
(2) 衡量该种回收装置的节能效果与投资成本之间关系, 不仅达到节能效果同时满足经济性要求。
结语
通过分析, 在轨道交通系统中安装车辆制动能量吸收装置是必不可少的, 符合我国节约型社会的要求。使用逆变回馈型机车制动能量回收装置, 在国产化水平、技术成熟度、经济效益等方面均符合国内轨道交通工程建设运营的发展要求, 是未来工程应用的主要方向。机车制动能量吸收装置的设置应根据供电方案、设备投资、车辆形式、行车组织、电费水平等因素进行综合选择, 最终选择的设置方案不仅要满足机车牵引制动节能效果好、投资少, 而且使运营成本降低, 满足经济效益与社会效益并行。
电动汽车制动能量回收系统研究 篇4
随着环境污染与能源危机问题的日益严峻,新能源汽车成为了世界各国研究的热点。电动汽车使人们看到了解决环境污染和能源短缺问题最有效的途径和方法。研究表明,在城市行驶工况,大约有50%甚至更多的驱动能量在制动过程中损失掉[1],郊区工况也有至少20%的驱动能量在制动过程损失掉。因此制动能量回收是提高电动车能量利用率的有效措施之一。
制动能量回收,又称回馈制动或再生制动,其可将车辆的部分动能转化为电能储存于电池中,同时施加电机回馈转矩减少传统制动器的磨损,且改善了整车动力学的控制性能[2]。因此,研究制动能量回收技术具有重要意义。
1、再生制动系统结构及其原理
1.1 传统汽车制动系统结构及原理
使行驶中的汽车减速直至停车,使下坡行驶的汽车速度保持稳定,以及使已停驶的汽车保持不动,这些作用统称为汽车制动。传统汽车的制动系统主要为摩擦制动,可分为鼓式制动和盘式制动两大类[3]。
传统制动系统由图1可见:
传统制动系统主要由四部分组成:供能装置,控制装置,传动装置和制动器。制动过程中驾驶员踩下制动踏板通过真空助力器作用到制动总泵上,再通过制动管路将制动油压传到四个车轮的制动器上,从而使得鼓式或盘式制动器进行各车轮的制动。
1.2 再生制动系统结构及其原理
1.2.1 再生制动系统基本结构
再生制动是电动车在保证制动效能的前提下,通过与驱动轴相连的能量转换装置把一部分能量转化为电能储存起来,达到回收制动能量目标的一种技术[4]。再生制动系统基本工作流程如图2所示:实线流程为再生制动能量回收过程;虚线流程为车辆驱动过程,本文主要研究实现部分的再生制动能量回收过程。
电动汽车的能量转换装置为电机,储能装置为蓄电池。再生制动即是电动汽车制动控制系统通过对相关功率器件开关状态的控制,实现电机转速、转矩大小与方向的改变,从而实现车辆从驱动状态切换到制动状态,进而将部分行进动能转换为电能回收到蓄电池中。
1.2.2 制动能量回收系统的基本原理
电动汽车制动能量回收是指汽车在减速制动时,将一部分机械能转化为其它形式的能量,存储在储能装置中,并加以利用。
电动汽车制动能量回收时,电机工作于再生制动运行状态,其电路原理图如图3所示:制动过程中,在保证制动稳定性的前提下,控制电机两端电源断开,切断驱动电机转动电流,电机电枢两端接入一个高频开关电路,使该电路能够高频通断[5]。由于电机属于点感性设备,在高频通断过程中便会产生感应电动势Ea和感生电流i两者关系为:
式中,L为电机电感量;t为时间变量。
开关K闭合时,电机处于回路中,感应电流为制动电流Iz,即:
式中,Rd为电枢电阻,Rw为限流电阻。
开关K断开时,由于电感作用,|di/dt|会迅速上升,感应电动势Ea大小也随即升高,当其不断升高直至高于蓄电池电压U(即|Ea|>U)时,电机电枢与蓄电池即形成回馈电路,感应电动势引起的感应电流Ie将流向蓄电池,Ie大小为:
电机再生制动过程实际就是电机在正转制动运行中电机电池通过回馈电路连接而形成的回馈制动过程,出一部分电量消耗于电枢负载外,其余都回流到蓄电池组,实现能量回收目标。
2、机械制动与电机制动的分配关系
在电动汽车的制动系统中,制动力分配如图4所示,制动力是由两部分力组成,一部分由传统的气/液压制动系统提供的摩擦制动力,另一部分是由电机提供的能量回收制动力。电动汽车的制动控制策略核心是在最大限度的实现能量回收的前提下,协调电机制动与机械摩擦制动力的分配关系。
汽车总的制动力由摩擦制动力与电机制动力共同作用。则有,
则汽车的减速度为:
式中,Fb总的制动力;Fhyd机械摩擦系统提供的制动力;Fmot电机制动系统提供的制动力,m为汽车质量。
通常汽车制动过程可以分为紧急制动、正常制动、长下坡缓行制动三类[6]。
(1)紧急制动
一般汽车紧急制动的制动减速度大于。从安全角度考虑,紧急制动时应以机械摩擦制动力Fhyd为主,电机制动力Fmot为辅。Fhyd=max(Fhyd),Fmot=max(Fhyd),(Fhyd+Fmot)达到最大。由于紧急制动过程非常短,因此能够回收的制动能量比较少。
(2)正常制动
该制动过程可分为减速过程和停止过程,其中减速过程对应的制动减速度小于。整车制动力主要由Fmot提供,在Fmot所提供的制动力不能满足制动要求时,摩擦制动力Fhyd才起作用。减速过程能够最大限度的利用再生制动力,使汽车减速的同时把动能转化成电能加以存储利用,停止过程主要由摩擦制动完成。因此正常制动情况下能够回收的制动能量较多。
(3)长下坡缓行制动
汽车长下坡,当制动力要求不大时,可完全由电机再生制动力Fmot提供,因此这部分能量也可以回收。当Fmot不能满足下坡制动要求时,摩擦制动力Fhyd才起作用。但由于下长坡的几率比较小,故回收能量情况较少。
3、复合制动系统与传统摩擦制动系统的对比[5]
(1)能量利用率
传统的制动系统,主要通过摩擦方式制动,在制动过程中把机械能通过摩擦转换成热能。而复合制动系统,可以把制动过程中的部分机械能转化成电能存储到储能元件加以再利用,从而增加了能量利用率。
(2)制动可靠性
在电动汽车长下坡时,因频繁制动摩擦,使制动副表面温度升高而失效,不稳定因素增加。而复合制动系统,可以减小摩擦制动器的使用频率,有效的降低制动副表面温度,提高了制动效能和制动安全性。
(3)续驶里程
传统的制动系统,把制动过程中的动能通过摩擦转换成热能的形式损失掉。而复合制动系统,可以吸收再利用这部分制动能量,很大程度的提高了电动汽车的续驶里程。
(4)维修保养
传统的制动系统,由于制动器以摩擦制动方式工作,需要经常更换刹车片,因此增加了车辆的维修保养费用。而带有制动能量回收装置的复合制动系统,可以有效的减小摩擦制动器的使用频率,降低车辆的维修保养费用。
4、电动汽车制动能量回收的约束条件
一般情况下其约束因素有储能装置、制动力分配比例、电机性能、驱动类型、行驶工况、符合驾驶习惯等[7]。
(1)储能装置。电动汽车上常用的储能装置有蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮等,其中最主要的还是蓄电池,因此,在制动能量回收时要充分考虑蓄电池的状态,如果电池SOC值超过上限值,为保护电池则不应充电[8]。
(2)制动力分配比例。制动过程中,对车辆制动安全性的要求是第一位的。需要找到机械制动与电制动的最佳结合点,在确保制动安全性的前提下,最大限度的回收制动能量[9]。
(3)电机性能。作为再生制动系统的关键部件,电机的制动能力越好,就可在分配再生制动力与机械制动力时提高再生制动力比例,提高制动能量回收效果。此外电机的发电效率对制动能量回收有很大影响。
(4)驱动类型。从车型角度考虑,制动过程中能够回收能量均只是驱动轮上的行驶动能,而从动轮上的动能只能依靠机械摩擦制动产生的热量消耗掉。因此,在保证制动安全的前提下,尽可能多的向驱动轮分配制动力有利于提高制动能量回收效率。
(5)行驶工况。若电动汽车行驶在城市交通较拥挤道路上,需要频繁起步、加速、减速,则制动工况较多,能够增加能量回收效果;若电动汽车行驶在高速公路,很少出现制动减速工况,则制动能量回收较少。
(6)符合驾驶习惯。应充分考虑电动汽车驾驶人和乘客的舒适性,对于传统的摩擦制动系统,制动踏板开度角的大小与制动力矩成正比[10]。则在具有能量回收系统的电动汽车制动过程中,驾驶人对制动踏板的感觉应尽可能与传统的制动过程相近[9]。
5、总结
本文在对传统制动系统与电动汽车回馈制动系统的基础上论述了其制动能量回收的原理以及机械摩擦制动力与电机回馈制动力的分配关系得出了在最大比例回收能量条件下的分配关系图,并将复合制动系统与传统机械摩擦制动系统在能量利用率、制动可靠性、续驶里程、维修保养方面作比较得出复合制动的优缺点,最后通过分析论证得出制动能量回收系统的约束条件储能装置、制动力分配比例、电机性能、驱动类型、行驶工况、符合驾驶习惯等,为今后继续发展制动能量回收系统指明了方向。
摘要：为进一步提高电动汽车的能量利用率以提高其续驶里程,本文对电动汽车制动能量回收系统作了进一步研究。本文论述了电动汽车能量回收系统的原理并与传统制动系统进行比较,同时分析了机械制动与电机制动的分配关系并总结了复合制动与传统摩擦制动系统的区别,最后论述了电动汽车制动能量回收的约束因素。
关键词：电动汽车,制动,能量回收,原理
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制动能量回收 篇5
关键词：城市轨道交通,再生制动,超级电容,能量回收,电力牵引
城市轨道车辆电力牵引能量效率改进是近年来一些国家和研究机构的主要目标,由于城市轨道车辆运行过程中频繁的启动、制动过程,制动能量相当可观。据统计,地铁再生制动产生的能量除了一定比例(一般为20%～80%)被其他相邻列车吸收利用外,剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉,这样不仅大量能源被浪费而且会导致隧道和站台内的温度升高。目前国内外轨道交通方面的节能技术主要集中在如何进行制动能量的回收再利用,现有方案有利用逆变技术,将直流电逆变成工频交流电馈送交流电网;或利用各种储能设备(超级电容、飞轮、液压装置等)将制动能量储存起来再利用等。本文提出一种基于超级电容的制动能量回收利用方案,电机再生制动时制动能量通过特殊设计的制动单元存贮于超级电容中,用于列车照明和空调供电,为了验证该设计方案以及进行深入研究,开发了相应的试验平台。
1 基于超级电容的城市轨道车辆制动能量回收系统设计
城市轨道交通以电力牵引为主,其中牵引电机以交流感应电机居多,整个系统主要包括:牵引供电、整流、逆变、电机、制动单元等几部分。其中牵引供电主要由变电站将交流高压电转换为交流低压电,然后经过整流滤波电路将交流电转换为接触网的1 500 V或750 V直流电供给逆变器驱动交流牵引电机;逆变器主电路由IGBT或GTO等功率开关器件构成,其导通和关断由驱动控制单元产生的6路PWM信号控制实现;控制系统采用转子磁场定向的矢量控制。制动单元通常情况下为高速功率开关与制动电阻串联而成,制动时将制动能量以热能形式消耗在制动电阻上,从而保证直流母线电压的稳定以及电气设备的安全。本文考虑对制动电阻上消耗的制动能量予以回收,在原有制动单元基础上,并联一超级电容单元,如图1所示。
当列车开始制动时,列车停止从接触网受电,电动机工作于发电机状态,将列车运行的动能转换为电能向接触网回馈电能。如果接触网电压过高而又不能实现再生制动则通过车辆的牵引控制单元转变为电阻能耗制动,加入超级电容储能装置,见图1,通过牵引控制单元控制,使得当储能元件容量小于额定容量时,通过充电电路向储能元件充电;一旦储能元件能量达到额定容量时,切换到电阻制动。辅助控制单元(ACU)的功能是判定超级电容储能大小,以满足车辆空调和照明使用。
2 交流感应电机再生制动能量回馈原理
车辆制动时,逆变器的输出电压、频率下降,电机工作于发电状态,将车辆的动能转换为电机电能回馈给电网,电机的机械特性如图2所示,电机原来运行于A点,制动时,频率从f1逐渐下降到f2乃至 f3,机械特性曲线下调,由于转速不能突变,工作点从A点变为B点,此时,电机产生与电机转速方向相反的制动电磁转矩,电机转速逐渐下降,如果在其减速过程中始终保持供电频率比转速下降得快, 电机将始终运行于第二象限,即回馈制动状态,电机为发电运行,将车辆的动能转换成三相交流电能,并通过功率变换器的续流回路返回给直流母线,使得母线电压升高。图3所示为牵引变流器拖动电机运行时等值电路,假定绕组反电动势为E,电阻为r,电感为L,可得回路方程如下:
电动状态时
发电状态时
可见,再生发电状态时E和i同向,其能量关系为直流母线不仅吸收电感放出的电能,而且连制动时产生的电能也一起吸收,因此,如果没有吸收再生能量的环节,将导致直流母线电压升高。如果此时同一车辆段有其他车辆正在启动或加速,则这部分能量得以消耗,从而平抑母线电压,同时可以减弱电网的峰值负荷,起到一举两得的目的,但此种情况依赖于车辆的运营安排,当一辆车辆制动时,同一车辆段没有其他车辆正在启动或加速,必须通过制动电阻将这部分制动能量以热能形式消耗掉。
在本文设计的系统中,对消耗在制动电阻上的能量予以回收,储存于超级电容单元中。保留系统原有制动单元,通过检测母线电压,调整制动单元功率开关器件的导通脉宽,从而实现网压平抑。超级电容和制动电阻通过2个高速开关并联连接,当超级电容容量低于额定容量时,超级电容接入,通过专用大功率DC/DC给超级电容充电,一旦超级电容能量达到额定容量时,切换到电阻制动。同时设计辅助控制单元(ACU)控制超级电容,通过DC/DC和DC/AC设备给车载交流及直流用电器供电以满足车辆空调和照明正常使用。当储能元件能量满足空调和照明用电时,ACU发出指令,由储能元件通过辅助电路向用电器供电;当储能元件能量小于空调和照明等用电器容量时,ACU再次发出指令,切断储能元件供电,采用主回路向辅助电路供电方式。
3 再生能量回馈状态下的能量关系及超级电容选择
3.1 再生制动状态下的能量关系
设n为电机转速(r/min),J 和GD为车辆等效到电机上的转动惯量(kg·m2 ),则由电机及车辆构成的等效旋转体具有的运动能量为
当车辆制动时,速度从n1下降为n2,释放出的动能为
假定电感中所存储的能量与机械阻力能和各种损耗相抵消, 即机械系统的动能全部转化为再生能量回馈变频器直流侧,则有:
对于城市轨道车辆,如果有源逆变停止时直流母线电压最高为Umax,正常工作时为Unom,则制动单元需吸收的制动能量(或超级电容需储存的制动能量)计算为
式中:WS为超级电容储存的制动能量;WB为制动单元需吸收的能量;CDC-line为直流母线侧的滤波电容;Csup-C为超级电容的电容量。
3.2 超级电容特性、容量及选择
超级电容容量选择主要受超级电容的充放电时间、车辆的制动时间及超级电容输出功率的限制。在实际应用中,常采用同型号的超级电容单体串并联构成超级电容组,假设所使用的超级电容组由Nseries个超级电容单体串联成一条支路,再由Nparallel个相同支路并联而成,超级电容组的容量为
超级电容组的等效内阻为
式中:Ccell 为单体容量;Rcell 为单体内阻;Csup-C为超级电容组的总电容量;Rsup-C为超级电容组的总等效内阻。
根据超级电容的特性,超级电容存储能量可以表示为
式中:U1 为超级电容充电完成时电压;U2为超级电容放电完成时电压;α为超级电容的放电深度。根据城市轨道车辆制动时需要制动单元吸收的制动能量,考虑一定的裕度,可以确定超级电容组的容量及超级电容单体个数和串并联方式。
本文建立的实验测试系统中的超级电容组件,根据试验需求选择北京集星联合电子科技有限公司生产的型号为SU2400P-0027V-1 RA单体容量为2 400 F的超级电容器200支组成,组合原则为将2支超级电容器并联成1组,组成一个工作电压为2.5 V容量为4 800 F的超级电容器储能组件,再将100组2支并联的组件串联组成一个工作电压为250 V容量为48 F的超级电容储能单元,在储能单元中的每支超级电容器上均装有旁路电流达8 A的平衡电路板,以均衡在串联工作状态下每支超级电容器上的工作电压,保证超级电容器的工作安全。
超级电容储能组件主要技术指标为:总电容量48 F;工作电压DC 250 V;最大储能1 500 kJ;额定放电电流1 296 A(25 ℃);最大放电电流>3 600 A;直流最大内阻约50 mΩ(100 A);外形尺寸1 300 mm×600 mm×500 mm;重量约170 kg。
4 试验平台开发及试验研究
本项目拟采用的实验测试系统如图4所示,其中上半部分为城市轨道车辆牵引和制动实验平台,包括牵引整流逆变单元、牵引电机(三相异步交流电机)、制动电阻、负载整流逆变单元、负载电机、转速转矩传感器、三级飞轮、功率分析仪、工业控制计算机等;下半部分是制动能量回收实验系统,包括ACU辅助控制单元、超级电容充电DC/DC变换装置、超级电容(系统拟采用的储能元件)、DC/DC、DC/AC以及交、直流用电器等,见图1。其中三级飞轮通过牙嵌式离合器结合在一起,通过机械手柄调节加载的飞轮数,用于模拟城市轨道车辆的空载、满载、超载3种载客状态。交流电机用于模拟城市轨道车辆中的牵引电机,交流测功机用于模拟车辆行使过程中遇到的动态阻力。
实验时,交流牵引电机在变频器的驱动控制下带动三级飞轮旋转,当电机达到一定速度时,控制电机减速制动,此时,电机工作于发电状态,变频器直流侧电压上升,当上升到上线时,制动单元工作,通过DC/DC充电装置给超级电容充电,变频器直流侧电压得到平抑,同时,超级电容电压升高,重复电机启动、制动过程,超级电容电压不断升高,当超级电容电压升高到超级电容干节点时,超级电容给ACU信号,ACU控制超级电容,通过DC/DC和DC/AC给交、直流用电器(2 kW照明设备)供电,2 kW灯泡被点亮,当超级电容电压低于干节点电压时,ACU控制切断超级电容给用电设备供电,切换到辅助电源供电。实验现象为超级电容给用电设备供电,超级电容上的面板显示超级电容的电压,同时用电设备柜中的DC/DC和DC/AC变换装置显示面板显示供电电源的电压和电流,从而确定是超级电容供电还是辅助电源供电,从实验现象可见,该设计方案可以有效回收制动能量并进行再利用。
图5为采集到的电机转速、转矩和制动电流波形。 从图5中可见,交流牵引电机在变频器的驱动控制下从启动、稳定运行到制动的全过程。制动时,转速逐渐下降,转矩方向发生改变,与电机转速方向相反,起到制动转矩的作用,同时牵引电流方向改变,向电网回馈能量。所测得的数据波形与轨道交通典型运行曲线基本吻合,因此可以反映实际城市轨道交通牵引制动运行情况。
5 结论
基于能源的角度,开发、研制城轨车辆制动能量回收再利用系统是必然趋势,对其进行深入研究具有重要意义。本文给出了一套基于超级电容的城市轨道车辆制动能量回收方案,对交流感应电机回馈制动过程进行了详细分析,并建立了一套试验平台对设计方案进行验证,实验现象和数据说明该设计方案可以有效回收及再利用制动能量。
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制动能量回收 篇6
以火车、汽车为代表的车辆运输业是国民经济的基础行业,其运输效益的优劣对国民经济的正常运行有着举足轻重的影响。高速、快捷、大吨位、低成本运输已成为车辆运输的主流。随之而来对车辆的安全性、可靠性提出的要求也越来越高。工作可靠、动作灵敏、性能优良的制动装置是实现上述工作要求的根本保证。尽管目前正在使用的车辆制动装置的品种繁多,形式多样,如机械式、液压式、气动式、气-液混合式等,但就制动工作原理来讲则完全相同,即都是利用制动装置工作时产生摩擦热的方式来逐渐消耗车辆所具有的动能,以达到车辆减速制动的目的。当车辆制动装置采用上述方式工作时,将会存在如下缺点。
(1)制动过程中不能将车辆行驶时所具有的能量(动能)回收,而是将这部分动能通过车轮与路面、制动装置与刹车毂之间的相互摩擦转换成热能的形式损失掉了,因而制动装置增加了车辆行驶过程中的功率损失,降低了车辆的功率利用率。
(2)在路况较复杂的情况下,行驶的车辆往往需要长时间的频繁制动,或连续较长时间的制动,因而在有关的制动副表面将会产生大量热量,使制动装置的摩擦副表面温度急剧升高,这将导致制动装置的制动效果明显减弱,甚至失效,使车辆行驶的安全性大大降低。在这种情况下常常采用往制动装置的磨擦副表面注入冷却水的方法来减少温升。
(3)由于车辆行驶过程中制动装置的频繁工作,加剧了车轮的磨损和制动装置中摩擦片的磨损,因而需要经常更换车轮和刹车片,由此增加了车辆的维修保养费用。
2 系统总体方案设计
2.1 火车制动系统分析
本系统的作用是将行使中的车辆的动能转化成液压能,并且在车辆再次启动的时候将能量返还给车辆。车辆的动能就必须经过机械传输到液压系统中去,在车辆再次启动时,也必须通过机械传输把液压系统的液压能传输到车轮轴上去,从而转化为车辆的动能。故选用传动功率大,传动平稳,具有吸振作用且过载时还具有保护作用的带传动作为机械传输方式。利用带传动这一机械传输方式,把车辆的动能转化成了机械能。而能量转化成机械能后,还必须有转换装置把机械能转换成液压能最终封存起来。液压泵就是一个很理想的机械与液压能的转换装置,因此选用液压泵与机械传动装置连接,将机械能转换成液压能。由于能量转换成液压能后,不是立刻返还给车辆,而是经过一段时间,车辆再次启动的时候才能形成能量返还,所以选用蓄能器将能量封存起来,在车辆启动时释放。由于火车车厢很多,设计系统时还必须考虑系统装在火车后的远程控制问题。
2.2 制定系统设计
经过上述分析及了解了火车结构和原来的制动系统后,制定系统原理图的基本设计方案如图1。
图1中车轮轴、皮带轮、皮带,传动轴,气液两用离合器组成系统的机械传动部分,液压泵、顺序阀、气动换向阀、溢流阀,单向阀、蓄能器、压力表等组成系统的液压部分。其工作原理为当火车开始制动时,气液两用离合器受到来自车辆原制动分配阀的压力气体的作用转换成接合状态,在通过皮带和传动轴与液压泵两在一起,实现启动液压系统工作,开始吸收车辆动能。液压油经过单向阀、液压泵、顺序阀(用于调节液压泵的出口压力,即调节系统的制动力)进入蓄能器。气动换向阀处于左位,使液压油不能通过换向阀,而只能进入蓄能器。当液压油的压力超过了蓄能器的额定压力容量时,作为安全阀的溢流阀打开,起过载保护作用。当车辆再次启动时,气动换向阀连接着的气体分配阀打开,换向阀受到高压气体的作用处于工作状态,使得高压液压油从蓄能器经过换向阀进入液压泵和气液两用离合器,离合器在受到压力油的作用后处于接合状态,液压泵通过系统的机械传动装置与车轮轴再次连接在一起,从而实现了液压能以机械能的形式返还给车辆,用来增加车辆的动能。当液压油压力很低时,由于离合器的弹簧回复力的作用,离合器自动分开,实现车轮轴与液压泵的自动脱离。
注:1.蓄能器2.压力表3.溢流阀4.油箱5.气动换向阀6.顺序阀7.液压泵8.单向阀9.火车轮轴10.皮带轮111.皮带12.皮带轮2 13.气液两用离合器14.传动轴
2.3 机械传动部分设计
2.3.1 带传动的设计
按照装在自身重为22.4t,载重为62t的运货火车上,开始制动车时速为60km/h,制动时间为2min,制动距离为1000m的标准进行设计,经计算火车所需要的制动力为1172N,火车刚开始制动时具有的动能1.17×108J,系统在这工程中传递的功率为98kW,火车的动能相当大,而制动时间不长,因此本系统传递的功率相当大,且要求结构紧凑,所以选用摩擦力大,能传递大功率的联组窄V带传动,选用联组窄V带还可以较好的解决多跟V带长短不一而使受力不均匀的问题。
2.3.2 传动轴的设计
本系统的传动轴是把火车的动力通过离合器传送到液压泵的轴上,因此轴受到较大的扭矩,虽然有离合器和皮带轮悬挂在轴上,轴受到一定的弯矩,但与扭矩相比很小,所以轴的设计不考虑弯矩,只从扭矩方面考虑。由于轴全动的载荷相当大,且火车行驶路线较长,轴需要经常在恶劣的天气下工作,顾采用材料为。由于装在传动轴上的气液两用离合器的采用轴配流技术,传动轴内需要装配配流轴,还要做配流槽,装配流轴的部分结构比较复杂,顾轴的毛坯形式采用铸件。
由于轴所受到的弯矩比转矩小很多,顾轴的计算只考虑转矩,所以轴径的大小为:,考虑到轴上有键槽以及装配流轴的一部分是空心的,顾选取轴的直径为d=80mm。
2.3.3 气液两用离合器的设计
离合器的类型为湿式多片离合器,摩擦副的材料选用贴合性好、导热性好的10号钢并进行渗碳淬火处理。离合器摩擦副与轴选用的是花键连接的方式,轴做成是花键轴,大径是78mm,摩擦副与离合器的外壳连接也是采用花键连接的方式。
2.4 液压部分的设计
由于系统在火车制动和启动的两个工作过程是一个互逆的过程,液压部分的执行元件在火车制动时是起液压泵的作用,而在火车启动时却是起一个液压马达的作用。因此,本系统对液压泵—马达的互逆性要求相当高,选用液压系统的执行元件为A2F系列斜轴式定量液压泵—马达。此系列是目前国内外较先进的液压元件,国外的相同型号、规格的产品与国产的能完全互换,是一种互换性能极高的可逆定量泵—马达,且作为泵与马达的工作过程是一个完全互逆的过程。再配以不同的配流盘和后盖,可以满足各种液压系统的需要。
由于火车车体很长,车厢数目很多,所以要求换向阀必须便于远程控制,理论上选择电磁换向阀是很合适的,但由于火车行使路线途径的地方天气、环境差异很大,而且经常是在恶劣的环境下工作,而电磁换向阀不能满足这个要求(如电磁换向阀正常工作的温度是—5℃以上,海拔4000m以下),再加上从经济性的角度考虑(尽可能的利用火车系统原有的设备),所以自行设计一两位两通的换向阀,压力控制气体接原制动系统里的高压气体。
3 结语
火车的结构较大,可以选取容量较大的蓄能器,在选取系统的蓄能器的时候是按照理论上把火车的全部动能转化成液压能所需压力油的总体积计算的,因此,除掉机械传动系统的摩擦损失及液压系统的损失外,系统理论上可以把火车制动前的能量全部回收。因此系统的实际效率应该等于机械传动部分的效率与液压系统的效率的积,故系统的实际效率为η总=η机械×η液压≈80%×75%≈60%,火车要实现准停位置的时候,还必须要原来的制动系统配合使用,故这里也要损失掉一部分能量,所以按照估算,系统的实际效率应该在50%左右。
摘要：介绍了一种新型的安装在火车上的能量回收式的制动系统的工作原理,针对整套系统进行了具体的设计。该系统解决了现有火车的制动系统工作时只能消耗能量而不能把能量回收和重复利用的难题。
关键词：能量,回收,火车制动,制动系统
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制动能量回收 篇7
1 系统硬件结构
手持式电动工具能量回收系统的硬件结构如图1所示。
在该系统中, 电源由蓄电池和超级电容组成。工作时超级电容辅助蓄电池工作, 可以使电池工作在安全的范围, 保护电池不受大电流的冲击, 可以提高电池的使用寿命。制动能量回收是指回收电动工具断电时的惯性动能, 通过能量转化将其转化为电能。这利用制动能量回收技术, 汽车能耗可以降低5%～10%。对于手持式电动工具这种频繁启停的工作模式, 采用制动能量回收技术能量回收效果将会非常可观。在本系统中, 能量回收方法是:当电机断电时, 电机制动时的能量经DC/DC升压模块给超级电容组充电, 电容充不满部分由蓄电池续充。发电电路非常简单, 可以利用直流电机四象限运行时第二象限正向发电制动模式进行发电。电动工具断电后, 在惯性作用下电机转子继续正向旋转。这时将电机正负极与充电电路正负极相连, 可以进入发电制动模式。加速电机停转。同时电机转速逐渐降低, 输出的电压也逐渐降低, 为了保证向超级电容充电的电压稳定, 可以通过DC/DC升压模块将电压升到12V, 然后再向电容充电。
在本系统中, 控制器通过换向开关控制电机的正反转;通过调速电路以PWM方式, 通过改变占空比的大小来调节电机转速;控制器可以控制超级电容与蓄电池的通断, 而且还可以检测超级电容组、蓄电池的电量和温度, 具有监测报警功能。
在该控制系统中, 能量回收系统的控制器检测换向、速度、启动等开关的模式控制相应电路动作。监测电池、电容的电量、温度等信息, 根据工况对能量的分配进行管理。当温度超限、电量不足时具有报警功能。
2 实验
目前该系统样机已经完成, 使用的电动工具蓄电池为12V, 1.5Ah, 超级电容为12V, 16.7F。针对该系统, 分别进行了超级电容充电实验, 电动工具能量回收实验。
用12V直流稳压电源对12V超级电容组充电, 电压变化波形呈指数变化。对电容充满电的时间约为8s, 这个充电时间相比于能量回收时电机几秒钟的制动时间是吻合的。同时超级电容充电电路简单, 充电电流大, 制动能量回收充分, 因此在能量回收场合应用广泛。
使用示波器测量电动工具电机两电极处电压, 断电后自由停止及电阻制动时的电压波形如图3所示。
由图3可以看到, 对该电动工具断电后, 未加载制动电阻时, 电机需要1.7s才能够停止。当加载1Ω制动电阻时, 电机需要0.4s就可以停止。由于加载的制动电阻为1Ω, 波形所示电压变化即是流过1Ω负载的电流变化, 由波形可以计算电机制动时消耗在电阻上的电量, 而当将制动电阻去掉, 直接连充电电路时, 这部分电量也是可能回收的总电量。有计算结果可知, 消耗在电阻上的能量为6.65Ws, 这也是可以回收的总电量。设回收能量与消耗能量之比为能量回收比例, 能量回收比例的变化与电动工具每次持续通电时间、输出电流大小有关。额定输出情况下, 通电时间为1s时, 能量回收比例为36%, 2s通电时间情况下, 0.5A电流输出时, 能量回收比例高达50%。手持式电动工具的单次持续通电时间一般在1s～5s之间, 输出电流变化也较大, 综合考虑, 回收能量可以达到20%以上。
a.未加制动电阻时;b.加载1Ω制动电阻时
3 结语
综上所述, 电动工具能量回收系统在电机工作时可降低蓄电池的瞬时压降, 减小大电流对蓄电池的冲击, 延长电池的使用寿命。可有效回收制动电能, 平均可回收能量20%以上。目前该系统试验样机已经完成, 能量回收效果明显。能量管理系统完成后, 各项性能会有更大的提高。随着超级电容生产规模的扩大, 价格降低, 制约该系统实用化的成本高的问题将得到有效解决, 市场前景光明。该能量回收系统也适用于电动车等使用二次电池的场合。
摘要：针对手提式电动工具启停频繁、单次通电时间短的工作特点, 进行了手提式电动工具能量回收技术的研究。采用超级电容与铅酸电池组成二元电源的方式, 设计控制电路回收制动能量, 可以在增加较小成本的基础上, 同样工况能量回收20%以上。
关键词：电动工具,超级电容,铅酸电池,能量回收
参考文献
[1]孟蕊, 邱瑞珍, 高俊奎.电动工具用锂离子电池的开发和性能研究[J].电源技术, 2007 (1) .
制动能量回收 篇8
现代工业文明对石油等能源的依赖程度与日俱增,越来越多的国家面临着能源危机;与此同时,对石油等化石燃料的大规模消耗也成为环境污染的重要原因之一,如雾霾等极端天气的形成与汽车尾气排放有重要关系。面临这样的发展困境,应用清洁能源、新能源已成为工业发展的必然趋势。
在交通领域,发展新能源汽车已成为共识,已成为降低我国对石油依赖、缓解环境污染并促进汽车工业产业升级的必然途径。在新能源汽车领域,纯电动汽车因高效、节能和零排放而受到广泛关注,然而在现阶段,动力电池组尚未突破能量密度较低且成本高昂的瓶颈。而增程/插电式电动汽车能有效克服这一缺点,能够全面发挥纯电动汽车的优势,已受到越来越多的青睐。作为电动汽车的显著优点,车辆在制动的过程中能够实现对制动能量的回收,将车辆动能转化为电池或电容的电能存储起来,从而有效增加车辆的续驶里程。
本文以一款增程/插电式电动汽车为研究对象,对其制动能量回收控制策略进行分析,并进行仿真,从而为制动能量控制策略的制定提供参考。
1、制动系统结构和工作原理
设计的增程/插电式电动商用车底盘如图1所示,整车由一台永磁磁阻电机经过主减速器、半轴与车轮相连驱动车辆行驶。由一款小排量柴油机和发电机构成发电机组为驱动电机提供电能,也可以为动力电池组充电。
1—气喇叭;2—气喇叭开关;3—气压调节阀;4一前制动器室;5—双针气压表;6—主储气筒(供后制动器);7—放水阀;8—低压报警器;9—取气阀;10—储气筒单向阀;11一主储气筒(供前制动器);12一快放阀;13—后制动器室;14—连接头;15—挂车分离开关;17—梭阀;18—安全阀;19一湿储气筒;20一并列双腔制动阀;21—单缸空气压缩机
整车的制动系统由双回路气压制动系统和电机制动系统组成。气压双回路制动系统如图2所示[1],其动力由空气压缩机提供;而电机制动系统则利用驱动电机产生的负力矩对制动轮施加制动力矩来实现制动。对于制动能量的回收,除了电机能够产生制动力矩外,动力电池组还需要有容纳电能的能力,同时,回收的电流也不能对电池形成较大的冲击,损害其寿命。另外,当电机制动参与时,为避免驾驶人因感觉不适而产生误动作,控制策略的制动还要考虑到驾驶员和乘客的制动感觉。
2、制动系统的控制策略
对于电动汽车来说,电机制动和气压制动同时存在。然而,它们作用在制动轮上的方式可以不同。从电机制动和气压制动的作用方式来划分主要包括串联制动方式和并联制动方式。对串联制动系统来说,当制动踏板被踩下,在一个给定的制动踏板开度内如30%以内,首先由驱动电机产生的负力矩通过传动系统施加于制动轮,当制动踏板越过设定值后,电机制动和气压制动将同时作用。而当驾驶员的制动踏板开度达到80%以上时,认为驾驶员有紧急制动需求,此时,为了不对制动防抱死系统(ABS)产生影响,解除电制动,由单纯的气压制动完成制动过程[2]。而在并联制动过程中,当驾驶员踩下制动踏板时,在一定的踏板开度内,气压制动系统形成的机械制动力矩和电机制动力矩共同作用在制动轮上,如图3所示。
3、仿真分析
为了对增程/插电式电动商用车的能量回收过程进行分析,基于中国典型城市工况进行行驶过程的仿真[3],如图4所示。整车质量约17t,电池组电压538V,驱动电机最大功率200kW,最大扭矩2500N.m,驱动电机额度转速800r.min-1,如图4所示。基于图3的电气并联式复合制动控制策略进行包含驾驶员的正向仿真。从仿真结果可以看到,电机的最大制动功率为72kW,如图6所示,驱动电机在制动过会中的力矩变化如图7所示。在整个行驶过程中,回收到电池组的制动能量不断增长,在仿真结束时回收的总能量达到约4200J .
4、结论
对一款增程/插电式电动商用车制动系统进行了分析。同时,基于中国典型城市工况进行了行驶过程的仿真,并把气压和电机复合制动嵌入到控制策略中,得到该车辆行驶过程中驱动电机的制动功率、制动力矩和回收的电能,为其制动能量回收的进一步优化提供了参考。
参考文献
[1]陈家瑞.汽车构造[M].机械工业出版社.
[2]解少博刘玺斌王佳.汽车技术[J].增程式电动环卫车能量管理策略仿真研究,2014第7期.
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