再生制动

使用在电动车辆上的制动技术

再生制动(Regenerative braking) 亦称反馈制动,是一种使用在电动车辆上的制动技术。在制动时把车辆的动能转化及储存起来;而不是变成无用的热。

再生制动可以用于所有电动机械中,而电动机械主要是旋转式,例如电动机,所以再生制动常见于电动机拖动的系统中,简称电力拖动系统。再生制动在 电力机车 、 有轨电车 、 无轨电车 及纯电动或 混合动力汽车 上常见。当切除电源时,电动机 惯性 转动,此时通过电路切换,往 定子和转子 中提供相比而言功率较小的 励磁 电源,产生 磁场 ,该磁场通过转子的物理旋转,切割定子的 绕组 ,定子于是感应出 电动势 ,此电动势通过电力装置接入电网,即为能量回馈。

再生制动在制动工况将电动机切换成 发电机 运转,利用车的惯性带动电动机转子旋转而产生反转 力矩 ,将一部分的动能或 势能 转化为 电能 并加以储存或利用,因此这是一个能量回收的过程。再生制动的效率约为30%的动能。

再生制动被广泛应用于纯电动车、 混合动力汽车 、铁路机车车辆上。

概念解析

电动机在运转中如果降低指令频率,即电动机的转速低于机械负载的转速,则电动机变为 异步发电机 工作状态,在电动机的轴上产生的力矩,该力矩的方向与转速的方向相反,即在轴上产生机械制动力矩。这种制动叫再生制动(也叫回馈制动)。

从电动机再生出来的能量储存在 变频器 的滤波 电容 中,由于 电容器 的容量和耐压的关系, 通用变频器 的再生制动 力矩 约为额定转矩的10%~20%,如采用选用件 制动单元 ,可以达到50%~100%。

再生制动在 电力机车 、 有轨电车 、 无轨电车 及纯电动或 混合动力汽车 上常见。电力机车、有轨电车、无轨电车通常是把产生的 电能 输回 接触网 ,而汽车则可能把电能储在飞轮、电池或电容器之内。传统的的动力制动则会把电能在 电阻 转成 热能 后逸散。

最普通的制动方法会把车的动能,以摩擦直接转化成热能。“再生制动”和另一种原理接近,但较为简单的“动力制动”(Dynamic Braking),则是把电动机转成 发电机 使用,把车辆的动能转成电能。动力制动通常只会把产生的电,经过电阻转成无用的热放走。而再生制动则会把电力储起来或透过电网送走,再生循环使用。使用再生制动的车辆仍然会有传统的摩擦制动,提供快速、强力的制动。一般的再生制动只会把约30%的动能再生使用,其余的动能还是成为热。这效率根据不同的使用环境而有所不同。

工作原理

将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况,将列出动能转化为 电能 ,电能通过转换电器和 受电弓 反馈给供电触网,可提供给相邻运行的列车使用的制动方式。

再生制动的三种不同的制动控制策略:

1、具有最佳制动感觉的串联制动;

2、具有最佳能量回收率的串联制动;

3、以及并联制动。

在前轮上的再生制动比后轮上的再生制动将更为有效,同时大部分制动能量消耗在10~50km/h的车速范围内。

主要类型

1897年由Frenchman M.A.Darracq在其小轿车上实现。这是对 fcv 和混合动力电动汽车应用技术最有价值的贡献之一: 变频器 再生制动。

能量消耗型

这种方法是在变频器直流回路中并联一个 制动电阻 ,通过检测直流母线电压来控制一个功率管的通断。在直流母线电压上升至700V左右时,功率管导通,将再生能量通入 电阻 ,以 热能 的形式消耗掉,从而防止直流电压的上升。由于再生能量没能得到利用,因此属于能量消耗型。同为能量消耗型,它与直流制动的不同点是将能量消耗于电机之外的制动电阻上,电机不会 过热 ,因而可以较频繁的工作。

并联直流母线吸收型

适用于多电机传动系统(如牵伸机),在这个系统中,每台电机均需一台 变频器 ,多台变频器共用一个网侧 电流互感器 ,所有的逆变部并接在一条共用直流母线上。这种系统中往往有一台或数台电机正常工作于制动状态,处于制动状态的电机被其它电动机拖动,产生再生能量,这些能量再通过并联直流母线被处于电动状态的电机所吸收。在不能完全吸收的情况下,则通过共用的 制动电阻 消耗掉。这里的再生能量部分被吸收利用,但没有回馈到电网中。

能量回馈型

能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的,当有再生能量产生时,可逆变流器将再生能量回馈给电网,使再生能量得到完全利用。但这种方法对电源的稳定性要求较高,一旦突然停电,将发生逆变颠覆。

再生制动可以用于所有电动机械中,而电动机械主要是旋转式,例如电动机,所以再生制动常见于电动机拖动的系统中,简称电力拖动系统。

意义

把电动机械的无用的或不需要的或有害的 惯性 转动产生的动能转化为 电能 ,并回馈电网,同时产生制动 力矩 ,使电动机械快速停止无用的惯性转动。

电动机械是一个电能转化为 机械能 的带有运动部件的装置,常见为旋转运动,例如电动机。而这个转化过程常见的是通过 电磁场 的能量变化来传递能量和转化能量的,从更直观的力学角度来讲,是磁场大小的变化。电动机 接通电源 ,产生电流,构建了磁场。交变的电流产生了交变的磁场,当 绕组 们在物理空间上呈一定角度布置时,将产生圆形旋转磁场。

运动是相对的,等于该 磁场 被其空间作用范围内的 导体 进行了切割,于是导体两端建立了感应 电动势 ,通过导体本身和连接部件,构成了回路,产生了电流,形成了一个载流导体,该载流导体在旋转磁场中将受到力的作用,这个力最终成为电动机输出的 扭矩 中的力。当切除电源时,电动机 惯性 转动,此时通过电路切换,往 定子和转子 中提供相比而言功率较小的 励磁 电源,产生 磁场 ,该磁场通过转子的物理旋转,切割定子的 绕组 ,定子于是感应出电动势,此电动势通过电力装置接入电网,即为能量回馈。同时转子受力减速,此为制动。合称再生制动。