理想的解决方案是当储能系统被充满以后,有一个装置可以长时间工作,消耗电机制动产生的能量,而电阻辅助制动系统是一个较好的选择,这样就可以避免超级电容混合动力公交车出现电容被充满后,电制动消失的问题。
当前国内混合动力公交车的储能系统以超级电容为主,典型产品代表是宇通和金龙的混联混合动力公交车,二者均采用Maxwell的BMOD0165-P048模块,8串2并,最高电压388 V,容量42F。针对以上混合动力系统,该配置的超级电容储能系统可以满足车辆动力性的要求。但是在制动能量回收时,会出现超级电容能量回收满后无法继续回收能量的情况,尤其是对熟练驾驶员而言,其能量回收做得较好,出现该情况较频繁,一旦能量回收满,电制动必须撤销,否则有电容过充危险。电制动撤销后,车辆失去制动力会带来以下问题:首先,与驾驶员预期的制动效果相差很大,有撞车的危险;其次,对于没有经验的驾驶员,制动力突然消失,会造成驾驶员心里恐慌,引发交通事故;再次,并不是在制动时都会出现制动力消失的情况,因此驾驶员无法做提前判断和准备。
针对以上情况,设计人员可以增加储能系统的容量来改善,但是这样做会增加成本,而且并不能彻底解决问题,遇到长时间制动时,还是会出现储能系统被充满的问题。笔者认为,理想的解决方案是当储能系统被充满以后,有一个装置可以长时间工作,消耗电机制动产生的能量,而电阻辅助制动系统是一个较好的选择,这样就可以避免超级电容混合动力公交车出现电容被充满后,电制动消失的问题。
电阻辅助制动系统工作原理
混合动力公交车制动时,驱动电机制动产生回馈能量,由电机控制器把交流电转换为直流电,给超级电容充电。如果在超级电容的电量接近满时还在继续制动,控制开关Kl闭合,利用制动电阻来消耗回馈能量。制动电阻把电能转化为热能,冷却水把制动电阻产生的热量带走。可以与发动机共用一个水冷系统,车辆制动时发动机处于怠速或停机状态,不存在发动机和制动电阻同时满负荷工作的情况,散热系统不会增加负荷(图1)。
电机控制器实现对制动电阻的独立控制,整车控制器可以不参与,其中控制开关K1集成到电机控制器中,同时还要采集制动电阻的温度,控制散热系统的水泵,保证制动电阻工作稳定,并在出现故障时可以报警提醒驾驶员,避免出现安全事故。
制动电阻的参数计算
制动电阻把驱动电机回馈的能量通过热的形式消耗,因此,电阻阻值和电阻功率是最重要的2个参数。从工程实际应用的角度来说,无法精确计算制动电阻和制动功率的值,一般情况下采用估算的方法确定制动电阻的参数。
1.制动电阻阻值的确定
制动电阻的选择要遵循一个重要的原则,制动时流过制动电阻的电流不能超过电机最大允许电流。同时,为了保证制动效果,制动转矩不能太小。从工程实践可知,当回馈电流为电机额定电流一半时,可以获得与电机额定转矩相同的制动转矩。因此制动电阻的阻值要大于制动电压与最大电流的比值,同时制动电阻的阻值要小于制动电压与额定电流比值的2倍。理论上制动电阻应取最接近上述结果的最小阻值,可以获得最大的制动转矩,但是这么做需要相对较大的制动功率,成本会有所增加。一般在满足制动转矩需求的条件下,选择较大的电阻值,可以降低成本。阻值的选择还受到控制策略、乘坐感受和道路情况的影响,在满足制动转矩要求的前提下综合考虑。
2.制动电阻功率的确定
制动电阻阻值确定后,就可以计算制动功率了,制动电阻的功率可以根据制动电压和阻值计算得到,同时要考虑制动电阻的使用率(图2)。
制动电阻使用率定义为在一个平均制动周期中,制动时间所占的比例,针对超级电容混合动力汽车,还要考虑超级电容被回馈满的概率。
理论上讲,制动电阻使用率为100%时,对电制动系统的利用率最高,制动效果最明显,但是需要大的制动功率。如果制动电阻使用率选择较低,可以减少电阻发热量,但是制动效果不好。混合动力公交车匹配制动电阻时,需要综合考虑道路情况、驾驶习惯等因素来选择制动电阻使用率。比如有些城市下坡路最长可以达到3 km,这种情况下超级电容一定会被充满电,满电后所有的制动能量要制动电阻吸收,而且是连续不断制动,制动电阻使用率应选100%。一般城市道路,最好根据公交线路的实际情况,采集车辆运行数据,根据统计数据来选择制动电阻使用率。
电阻总成,包括冷却水套、制动电阻和温度传感器3部分。冷却水套为一个圆柱型的桶,包括进水口和出水口,安装时,要保证进水口竖直向下。制动电阻采用优质合金丝绕制,用铝合金外壳封装,内部选用高绝缘不燃性材枓填充,具有耐冲击、热传导性好的特点,电阻端部配有接线盒。温度传感器用于检测出水口的温度,当电阻温度过高时,主动控制降低制动转矩,并提醒驾驶员。当需要更大制动功率时,可以并联使用制动电阻。该型制动电阻总成的参数见表l。