东华机械有限公司(大同机械有限公司之成员公司)研制成功了一个突破性的注塑机伺服再生能源技术,这也是国内注塑机行业首创的一项专利技术。

制动能量回收系统包括与车型相适配的发电机、蓄电池以及可以监视电池电量的智能电池管理系统。制动能量回收系统回收车辆在制动或惯性滑行中释放出的多余能量,并通过发电机将其转化为电能,再储存在蓄电池中,用于之后的加速行驶。这个蓄电池还可为车内耗电设备供电,降低对发动机的依赖、燃耗及二氧化碳排放。

1、研究制动能量回收的背景和意义

随着社会的迅速发展,能源供需矛盾加剧,同时面临艰巨的节能减排任务,因而节能产品成为人们需求的必然趋势,具有重要的社会意义。注塑机液压系统也正在大力往节能方面发展,注塑机液压系统控制从最初应用的异步电机驱动定量泵开始,经历变量泵/电子变量泵的中间发展阶段,现今已过渡到批量使用伺服驱动液压系统。伺服驱动液压系统的压力、流量值是在特定条件下调整伺服永磁电机转速,闭环压力及流量,无多余压力流量溢流掉,有比较高的效率,但是伺服永磁电机在刹车及减速过程中,制动电阻发热消耗多余的能量。此过程中一方面制动电阻发热消耗电能,而另一方面为了保证伺服电箱温度,又需增加电风扇散热,又要消耗系统电能,造成了双重浪费。

中文名制动能量回收系统外文名Braking Energy Recovery
System定义监视电池电量的智能电池管理系统意义降低对发动机的依赖

在电动汽车研究中,如何研制高性能储能设备、如何提高能量利用率,是所有研究中比较重要的两个方面。尽管蓄电池技术发展迅速,但受经济性、安全性等因素制约,难以在短时间内实现重大突破。因此如何提高电动汽车的能量利用率是一个非常关键的问题。

奥门金沙网址,东华机械有限公司注塑机再生能源技术是借鉴了跨行业的成功例子,研发将能源再生单元连接到伺服控制器件的直流母线中。当伺服永磁电机在刹车及减速过程中产生的能量转换为电能,通过伺服驱动器中的逆变模块单元和直流母线,将电能存储在伺服驱动制动回收单元中。而当系统重新提供电能开始工作时,伺服驱动制动回收单元中的电能首先释放,能源再生单元储存的能量将通过直流母线回放到系统中,实现储存能量和释放能量的双向作用,当电压低于整流模块输入的电压时,才使用外部电能,从而达到节能的目的。在战略伙伴供货商大力支持下,
我们已成功将此技术应用在注塑机上。通过实际应用,
在中型机上能普遍体现到3%~5%的节约。在本年初,国家专利局已接受我们两项有关的设计发明及实用新型的专利申请。在今年4月份上海CHINAPLAS展上,我们公司成功展出带有“伺服液压驱动制动能源再生利用装置”的Se注塑机,受到了用户和专家的强烈关注。

制动能量回收系统(Braking Energy Recovery
System)是指一种应用中汽车或者轨道交通上的,能够将制动时产生的热能转换成机械能,并将其存储在电容器内,在使用时可迅速将能力释放。[1]

研究制动能量再生对提高电动汽车的能量利用率非常有意义。汽车在制动过程中,汽车的动能通过摩擦转化为热量消耗掉,大量的能量被浪费掉。据有关数据研究表明,在几种典型城市工况下,汽车制动时由摩擦制动消耗的能量占汽车总驱动能量的50%左右。

东华机械有限公司注塑机再生能源技术主要的创新点包括:

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这对于改善汽车的能量利用效率、延长电动汽车的行驶里程具有重大意义。国外有关研究表明,在较频繁制动与起动的城市工况运行条件下,有效地回收制动能量,电动汽车大约可降低15%的能量消耗,可使电动汽车的行驶距离延长10%~30%。

1、在注塑机伺服液压系统中增加伺服驱动制动回收单元,此伺服驱动制动回收单元可以存储伺服永磁同步电机在刹车制动过程中产生的电能,同时能够将此电能释放到注塑机的工作过程中。

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上,当车辆减速、制动时,车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能,并向大气中释放。而在电动汽车与混合动力车上,这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中,并进一步转化为驱动能量。例如,当车辆起步或加速时,需要增大驱动力时,电机驱动力成为发动机的辅助动力,使电能获得有效应用。一般认为,在车辆非紧急制动的普通制动场合,约1/5的能量可以通过制动回收。制动能量回收按照混合动力的工作方式不同而有所不同。比如在丰田普锐斯混合动力车上,车辆运动能量能够通过液压制动和能量回收制动的协调控制回收。但在本田Insight混合动力车上,由于发动机与驱动电机连接,所以不能够消除发动机制动。因此,在制动时发动机全部气门关闭,以消除泵气损失,而只存在发动机本身的纯粹的机械摩擦损失。在发动机气门不停止工作场合,减速时能够回收的能量约是车辆运动能量的1/3。通过智能气门正时与升程控制系统使气门停止工作,发动机本身的机械摩擦能够减少约70%。回收能量增加到车辆运动能量的2/3。

因此,对电动汽车制动能量进行回收,意义如下:

2、从源头开始处理,在直流母线上串入伺服驱动制动回收单元,以减少制动电阻消耗的能量。

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在当前电动汽车电池储能技术没有重大突破的条件下,回收电动汽车制动能量可以提高电动汽车的能量利用率,增加电动汽车的行驶距离;

3、制动电阻和伺服驱动制动回收单元并联一起,用以消耗伺服驱动制动回收单元储存完成后多余的电能,保护伺服驱动制动单元和伺服驱动系统。

制动能量回收液压制动协调控制的概况

机械摩擦制动与电制动结合,可以减少机械摩擦制动器的磨损,延长制动器使用寿命,节约生产成本;

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可以通过在发动机与电机之间设置离合器,在车辆减速时,使发动机停止输出功率而得以解决。但制动能量回收还涉及到混合动力车的液压制动与制动能量回收的复杂平衡或条件优化的协调控制。那么,为什么可以通过驱动电机能够回收车辆的运动能量呢?概要地说,其原因就是电机工作的逆过程就是发电机工作状态。一般电学基础理论早已阐明,表示电机驱动的工作原理是Fleming的左手定则,而表示发电原理的则是Fleming右手定则。由于电机运转,线圈在阻碍磁通变化的方向上发生电动势。该方向与使电机旋转而流动的电流方向相反。于是人们称为逆电动势。逆电动势随着转速的增加而上升。由于转速增加,原来使电机旋转而流动的电流,其流动阻力加大,最后达到某一转速,就不能再向上超出。所以,制动时通过电机的电流被切断,代之而发生逆电动势。这就是使电机起到发电机作用的制动能量回收的原理。上述这种电机称为“电动机发电机。然而,当制动能量回收制动实施时,如何处理脚制动。脚制动时,制动踏板行程如何与制动能量回收系统保持协调关系。这是因为起到制动能量回收作用的制动部分,会引起减少脚制动的制动力。因为对于脚制动来说,从制动能量回收中所起作用考虑,必须在减少脚制动的制动力方面做出相应措施。在制动力减少的同时,制动踏板的踏板力要求与踏板行程相对应。重要的是,不论发生或不发生制动能量回收,与通常车辆一样,制动踏板的作用依然存在,为此,开发了一种称为行程模拟器(Stroke
Simulator)的装置。丰田混合动力车的制动能量回收与液压制动的协调控制

分担传统制动器部分制动强度,减少汽车在繁重工作条件下制动时产生的热量,降低了制动器温度,提高了制动系统抗热衰退的能力,提高了汽车的安全性和可靠性。

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电动汽车再生制动的基本原理是:通过具有可逆作用的电动机/发电机来实现电动汽车动能和电能的转化。在汽车减速或制动时,可逆电机以发电机形式工作,汽车行驶的动能带动发电机将汽车动能转化为的电能并储存在储能器中;汽车起步或加速时,可逆电机以电动机形式工作,将储存在储能器中的电能转化为机械能给汽车。

图二 车辆制动能量协调控制

2、国内外制动能量再生领域研究状况

丰田混合动力车制动能量回收系统是由原发动机车型的液压制动器(包括液压传感器、液压阀)与电机(减速、制动时起发电机作用,即转变为能量回收发电工况)、逆变器、电控单元(包括动力蓄电池电控单元、电机电控单元和能量回收电控单元)组成。

美国Texas A&M大学:

丰田的能量回收制动系统的特点是采用制动能量回收与液压制动的协调控制,其协调制动的原理是在不同路况和工况条件下首先确保车辆制动稳定性和安全性,同时考虑到动力蓄电池的再生制动的能力(由动力蓄电池电控单元控制)使车轮制动扭矩与电机能量回收制动扭矩之间达到优化目标的协调控制,并由整车电控单元实施集中控制。当驾驶员踩制动踏板,则按照制动踏板力大小,通过行程模拟器(Stroke
Simulator)等部分,液压制动器实时进入相应工作,紧接着制动能量回收系统也将进入工作状态。亦即如果动力蓄电池的电控单元判断动力蓄电池有相应的荷电量回收能力,制动能量回收制动力占整个制动力的相应部分。当车辆接近停止时,制动能量回收系统制动力变为零。这两种制动力的能量变换比例与图1中所示相应面积的比例相当。当液压制动的面积小,制动能量回收制动的面积大时,表示制动能量回收量增加。增加制动能量回收的面积直接与降低燃油耗相关。但是在液压制动保持不变的状态下,只考虑制动能量回收率上升而增加制动力,导致驾驶员对制动路感变差不舒适。为解决这一问题开发了电子线控制动(Brake
by Wire)的电子控制制动器(ECB: Electronic Control Brake)。

Yimin
Gao
提出了评价制动能量回收效率的三种制动力分配控制策略,在此基础上建立了纯电动汽车的制动能量仿真实验模型,针对不同的制动强度进行了仿真实验。

如图2所示,在电子控制制动器中,制动踏板与车轮制动分泵不是通过液压管路直接连接,而是通过电控单元向液压能量供给源发出相应指令,使对应于制动能量回收制动强度的液压传递到相应车轮制动分泵。因此,制动能量回收制动与液压制动之和达到与制动踏板行程量相对应的制动力值,从而改善驾驶员制动操作时路感。

YImin Gao和Mehrdad
Ehsani
提出了一种基于制动能量回收系统的纯电动汽车和混合动力汽车ABS系统的控制策略,通过精确设计电机制动力门限值,使得再生制动系统与ABS系统可兼容工作。

由图2可知,制动能量回收控制受到脚制动踏板力信号经过制动总泵与行程模拟器输入部再进入液压控制部(包括液压泵电机、蓄压器)的液压机构再经过制动液压调节传递到车轮制动分泵,同时该液压信号如果系统发生故障停止时,液压紧急启动,电磁切换阀开启,即又通过电磁阀切换,传递到车轮制动分泵。本田第四代IMA混合动力系统的制动能量回收系统控制本田第四代IMA混合动力系统应用在2010款Insight混合动力车上。其制动能量回收系统采用执行器和电控单元组成一体化模块型式,包括IMA系统电机控制模块、动力蓄电池监控模块和电机驱动模块。

Wicks等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的数学模型,研究再生制动系统的节能效果。

制动能量回收系统工作过程如下:IMA电机在制动、缓慢减速时,通过混合动力整车电控单元发出相应指令使电机转为发电机再生发电工况,通过制动能量回收控制系统以电能形式向动力蓄电池充电。其基本工作过程是:当制动时,制动踏板传感器使IMA电控单元激活制动总泵伺服装置,通过动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等电控单元发出相应指令,使液压机械制动和电机能量回收之间制动力协调均衡以实现最优能量回收。第四代IMA系统采用了可变制动能量分配比率,比上一代的制动能量回收能力增加70%

Hongwei
Gao
等提出了混合动力汽车基于开关磁阻电机再生制动的神经网络控制系统,并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析。

IMA电机、动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等都属于本田第四代IMA混合动力系统的“智能动力单元IPU(Intelligent
Power Unit)”组成部分。它是由动力控制单元PCU(Power Control
Unit)、高性能镍氢蓄电池和制冷系统组成。PCU是IPU的核心部分,控制电机助力。PCU通过接收节气门传感器输入的开度信号,按照发动机的有关运行参数和动力蓄电池荷电状态等信号决定电能辅助量,并同时决定蓄电池能量回收能力。PCU主要组成部分有蓄电池监控模块——蓄电池状态检测BCM(
Battery Condition Monitor)、电机控制模块MCM(Motor Control
Module)、电机驱动模块MDM(Motor Driver
Module)。综观现有实用化的不同的混合动力系统,制动能量回收控制在细节上有所不同。一般都采用电子控制的液压制动与制动能量回收的组合方式,也称为电液制动伺服控制系统。

Panagiotidis等建立了并联式混合动力汽车的再生制动模型,对再生制动的效果进行仿真计算和影响因素的分析比较。

MINI
Clubman从一开始就凭借独特的概念,外向的设计以及别具魅力的发动机脱颖而出,为新一代MINI开发的三款高技术发动机确保了无时不在的运动驾驶乐趣和非凡的高效。这些智能技术提高了发动机的效率,适度降低了耗油量,同时也进一步提高了驾驶乐趣。这里一个很好的例子就是制动能量回收系统,能源管理系统确保发动机的输出功率主要被转化成为驱动力,只有在应用制动时或发动机处于超速状态时才会转化成电能供车载系统使用。为了达到这个效果,发电机会在发动机输出功率,即加速或牵引汽车时自动与发动机脱离。因此,传统模式下发电机消耗和从汽车那里获得的动力现在全部用以实现更快更具动态的加速。因为在MINI回到超速状态或驾驶者应用制动时,发电机就会再次启动,从而确保车载系统能够得到充足的电力供应。​​​

Hoon
Yeo
采用Ⅰ曲线作为前后制动力分配策略,但是该分配策略加大了后轮制动器制动力,减小了电机制动力,从而降低了能量回收率,增大了前轮或后轮抱死的可能性。

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。近年来,世界各国汽车公司都推出了自己的能量回收系统,这些再生制动系统所采用的控制策略都比较先进:

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。丰田Prius轿车的ECB制动系统能够实现四轮单独控制,车辆的常规制动、紧急制动、制动能量回收以及防加速打滑控制等技术只需一套制动系统就可能实现;

本田Insight制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。轿车的ESP系统同时集成了多种控制技术,可实现制动能量回收,车轮防抱死和防加速打滑控制等功能;

福特公司的Prodigy,日产的Tino和通用的Precept轿车均为新研制出的混合动力电动汽车,它们的制动系统都具有制动能量回收功能。

3、制动能量回收要解决的问题

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。目前汽车制动能量回收系统研究主要集中在回收制动能量方法、回收制动能量的效率、驱动电机与功率转换器的控制技术、再生制动控制策略、机电复合制动的协调等方面。目前急需解决的制动能量回收系统关键技术问题主要有四个方面:

  1. 制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。制动稳定性问题

  2. 制动能量回收的充分性问题

  3. 制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。制动踏板平稳性问题

  4. 符合制动协调兼容问题

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。4、制动能量回收要考虑的几个因素

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。电动汽车制动能量回收,是提高电动汽车能源效率的一个主要因素。制动能量回收要考虑到制动效果、制动能量分配、储能电池的特性、储存能量的利用等几个方面,然后确定制动储能系统如何实现。

4.1、储能电池的特点:

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。电动汽车制动时有时缓慢,有时很突然,这就要求储能电池能够迅速转换充放模式而对电池无害,而且能够高倍率充放电,以及时储存制动能量,也能将储能电池里的能量及时利用。

电动汽车主流的驱动电池是锂离子电池,锂离子电池的充放电原理是化学反应,它在充放电之间转换需要时间,不是随意的,不然就会对锂电池有害。因此,制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。锂电池是不适合做制动能量回收储能电池的,更不适合用电动汽车的驱动电池简单地用作对制动能量回收的储存。目前只有超级电容具有高倍率充放电和迅速转换充放电模式的特点,是真正适合用作制动能量回收的储存部件。

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。4.2、储存能量的利用:

制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一,1、研究制动能量回收的背景和意义。储存在制动能量回收储存部件里的能量,要赶在下次制动前及时释放出去,牵涉到放电分配,储能超级电容应该优先释放能量。超级电容的内阻比锂电池大,要使超级电容先放电,就得使超级电容储能部件的电压比驱动电池的电压高,当电动汽车停下来一定时间时,把超级电容里的能量馈送给锂电池。

4.3、制动效果和制动能量分配:

司机踩下刹车,用力不同,需要的制动效果不同,能量回收的程度不同。缓慢刹车,可以100%用电子刹车,停止驱动,把电机的能量馈送到超级电容里。如果刹车狠,就要在回收能量的同时,加上机械刹车,不同的用力,按照不同的比例分配。

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