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电动汽车电动机制动原理及应用

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  • 发布时间:2017/10/28 18:54:29
  • 作者:ly_yinhe

  电动汽车的一个非常重要的特点是电动机可以将动能重新转化为电能,对典型的有刷直流电动机来说,这一点是非常容易理解的,这个基本原理适用于所有类型的电动机。

配置动态制动电阻的电动机电路

图1示:配置动态制动电阻的电动机电路

  如上图1可知,一个直流电动机连接到一个可以忽略内阻的电池上,电池电压为Es。达到稳定状态后,电动机在角速度ω下提供的扭矩为T,这些变量可通过式1连接起来:

a……1

  假设开关S打到右端闭合后,电动机会以相同的角速度持续转动,产生一个电压。产生电压的大小可通过式2计算:

Eb=KmФω……2

  这部分电压将加在电阻RL上,图1中电流会因转子线圈中的电阻被进一步限制,电流的计算式3如下:

b……3

  电流流出电动机会产生一个反向扭矩。因此,负扭矩会使电动机转速下降,其计算公式4为:

c……4

  于是我们可计算出一个负扭矩,其值可以通过改变电阻RL的方式加以控制。扭矩值随着角速度的减小而减小。所以,如果电阻RL是一个常数,速度会以指数形式减小到零。

  这种用电阻使电动机减速的方法称为动态制动。要注意的是,电动汽车电机(以及与其相连接的车辆)所有的动能最终都变成热能,就像一般的摩擦制动器。然而,对产生热量的地方加以控制是非常有用的。同样,我们有极大的潜能来研发控制制动扭矩的有效方法。然而,常规摩擦制动上的进步不是很出色,如果我们能将电动机产生的电能储存在电池或者电容器内,这样会好很多。

  如果将图1所示的电阻换成蓄电池,我们就有了再生制动系统。然而,简单地把蓄电池和电动机相连是不可行的。假如蓄电池电压为Vb,电机转速为ω,那么流出电动机的电流可由下式5计算:

d……5

  下降的扭矩与电流成正比。一旦ω达到了一个数值,并且该角速度值使电动机产生的电压(=KmΦω)达到该蓄电池的电压,那么就不会产生制动效果。除非蓄电池电压非常低,这种现象会很快发生。如果蓄电池电压很低,那么很难储存能量,而且高速时,由式5计算出的电流非常大,所以此时制动效果非常强烈。

  解决办法在于电压转换电路,如图2所示。转换单元被称为直流—直流(DC/DC)转换器。电动机中的电流Im会产生Vm的电压,电压Vm会改变电动机以及车辆的速度。电流Im会随着制动力矩的改变而改变。DC/DC转换器能吸收这部分电功率(=Vm×Im),并且以增加电压减小电流的方式释放出去,因此该转换器需匹配一个可以储存能量的蓄电池或者电容器。这块储能电池可能是使电动汽车电机首先转动的同一块蓄电池。关键在于,电动机的电压与蓄电池电压相比可能相当低,但它仍然可以为蓄电池充电。

直流电动机的再生制动原理电路

图2示:直流电动机的再生制动原理电路

  DC/DC转换器电路听上去有点让人“难以置信”,而且可能性很遥远,就像让水流向山顶。然而,通过现代先进的电子技术,DC/DC转换器电路是非常有可能实现的。DC/DC转换器不产生功率,只是将低电压和高电流变换成高电压和低电流,类似于交流电路中的转换器,其功能不断得以完善,已经能够不断变化输入输出电压的比值。

  尽管我们可以制造出能完成以上工作的电压转换器电路,但转换器的效率没有达到100%,一些电功率将会从制动电动机中损失掉。我们可以说:

Vb×Ib=ηc×Vm×Im

  式中,ηc为转换器电路的效率。

  我们已经知道,电动机可以在一定的速度范围内提供可控力矩。当能量储存在电池或者电容器内时,电动机也可以用做制动器。在可控范围内,我们需要功能较强的电子电路,以便控制电路所产生的电压。