电容串联升压“再生技术”
EV技研
公众号EV技研作者1900 2019-6-13 电动汽车

回收减速动能以提高效率

位于日本秋田县大泻村的世界节能行驶比赛的赛道

3km 直线赛道绕行1 圈约6km,每圈设有2 个折返点。一端的折返点半径较大,即使以接近40km/h 的速度也能够转向掉头。

另一端的折返点半径只有10m,近似于原地掉头的折返必须减速才行(照片1)。参赛车必须从40km/h 以上的速度减速到20km/h,因此有效利用制动能量的意义是不言而喻的。这可以通过计算来确认。假设车体质量为30kg,驾驶员体重为70kg。总质量为100kg 的物体,从40km/h(11.1m/s) 减速到20km/h(5.55m/s),这时的动能差值为

E= 1/2×m ×(v 12-v 22)

=50×(11.12-5.552)=50×(123.21-30.8)

=4620(J) → 1.28Wh

第一阵营行驶15 圈,需要做15 次再生制动,理论上可以回收19Wh 的能量。实际上,考虑到发电能量损失及行驶阻力带来的能量损失,只能回收19Wh 的70%~80%。即使这样,也能够使总能量为144Wh(12V×3Ah×4)的电池组增加约10% 的量,这个效果也很明显。

实现再生制动发电的方法

现在来讨论实现再生制动发电的具体方法。节能行驶比赛中所用的再生制动发电主要有图4 所示的3 类方法。

图4(a)是最传统的方法,市售的普通EV 多采用这种方法。但是,相较于电池容量(144Wh),节能行驶比赛过程中的再生制动发电(200~400W)当量较小,加之制动距离很短,又是在短时间内急速充电,对充电效率不如锂离子电池的铅酸蓄电池而言,这并不是一个有效的方法。

利用电容器提高效率

比锂离子电池充放电效率更高的元件是双电层电容器(效率接近100%)。这是超大容量的电容器,由于它是电容器的构造,以再生制动回收能量的程度来看,可以做到近乎瞬间完成充放电过程。图4(b)是利用双电层电容器(简称电容器)提高再生效率的方法。为了防止形成从电容器流向电池的逆向电流,在电容器和电池之间接入二极管。在正常行驶过程中,电流流过二极管会增加损耗。如图5 所示,

利用MOSFET 和运算放大器构成理想二极管;或者为二极管设置旁路开关,待再生制动过程结束后,电池电压升高,接通旁路开关。这种对策很有必要。对于电源是发电机或燃料电池的情况,这种方法也可以实现再生。

电容串联升压进一步提高效率

最后一类方法如图4(c)~(e)所示,电容器串联升压的再生制动方法。通常行驶时用电池驱动电机[ 图4(c)],再生制动时把电池切换为电容器[ 图4(d)]。这种方法的要点是,电容器电压是电池电压的一半以下。因为电容器的电压低于电机的发电电压,即使不用电机控制器升压,也可以进行再生制动充电。没有电机控制器的升压损失,提高了再生效率,是此方法的优点。再生制动储存在电容器上的能量,如果不加处理,就会因电压过低而无法使用,因此需要把电容器和电池串联起来使用(图4(e))。例如,电池电压为24V,电容器电压为12V,串联后得到36V 电压。

图6 是电池和电容器的串并联切换电路。假设一组电池的电压为6V,在高速(30~40km/h)时将电容器串联,得到12V 的再生电压(图6(a));如果速度降低,则将电容器并联,得到6V 的再生电压(图6(b)),提高了再生效率。升压时把电容器(6V)并联后与电池串联(图6(c)),控制电源电压的变化(24V → 30V)。这种方法的缺点是难于调整制动力的大小。它的优点是电路简单、再生效率高,是一种容易实现的再生方法。

在普通EV 方面的应用

与电容器串联升压的方法相似,可以把电池与电源串联起来,临时提高电压。这种方法也可以应用于再生制动之外的场合。例如,在高速公路上行驶需要超车之际,为了达到临时提高电压的目的,将增程器(EV 用辅助发电机)与电池串联(图7)。

也可以用DC-DC 变换器升压(图8)。

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