（光学工程专业论文）混合动力电动汽车再生制动系统仿真与智能控制策略研究.pdf

t h er e s e a r c ho fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e ms i m u l a t i o na n d i n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e b y w u z h e n g q i a n 。 b e ( h u n a n n o r m a l u n i v e r s i t y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n v e h i c l e e n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v is o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rd e n g y u a n w a n g a d v a n c e de n g i n e e rc h e nj i a n m e i n o v e m b e r ，2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：毒瞳晕b 日期：为j o 年j 2 月3日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：劣珑 日期： 砷年p 月9 日 导师繇叩西谚 日期刈。年m 8 日 臌嫂 丁程硕十学位论文 摘要 混合动力汽车( h e v ) 是一种结合了传统内燃机汽车优良的动力性、续驶里 程和纯电动汽车低排放、高效率的新型汽车；是现在和不远的将来最具有可行性 的低排放、低油耗特点的新一代清洁汽车。 再生制动( 能量回馈制动) 对混合动力汽车的燃油经济性、排放性和行驶安 全性都有直接影响，是混合动力汽车的关键技术之一，它能在车辆减速或制动过 程中，在保证车辆制动性能的条件下，将车辆动能通过带动电机发电，转化为电 能储存在电池中，实现能量回收，同时产生车辆所需全部或部分制动力。既实现 了车辆的减速和制动，又有效地降低了整车的燃油消耗和污染物排放。 本文以i n s i g h t2 0 0 0 轿车为研究对象，对混合动力汽车再生制动系统做了深 入的理论分析研究，在a d v i s o r 环境下进行系统功能仿真，取得了如下成果： ( 1 ) 基于混合动力汽车制动过程的动力学基础，参照传统燃油汽车制动过 程中的制动力分配方法，对混合动力汽车制动动过程的制动力分配进行分析。 ( 2 ) 通过对i n s i g h t2 0 0 0 轿车再生制动系统组成和工作特点的分析，采用 基于能量传递的以后向仿真为主前向仿真为辅的再生制动系统建模方法，并在子 系统理论建模和数值建模基础上，建立了混合动力汽车整车和再生制动系统仿真 模型。将再生制动系统仿真模型在a d v i s o r 软件中的e c e + e u d c 驱动循环工 况和u d d s 驱动循环工况进行仿真。 ( 3 ) 根据混合动力汽车再生制动系统的工作特点，应用有效能量回收率作 为评价混合动力汽车能量回收效果的性能指标，将本文控制策略在e c e + e u d c 驱动循环工况和u d d s 驱动循环工况下仿真，有效能量回收率达1 0 1 5 。 关键词：混合动力汽车；再生制动；控制策略；模糊逻辑；神经网络；p i d 工程硕1 二学位论文 a b s r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i s an e ws t y l ev e h i c l e ，w h i c hc o m b i n e st h e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lv e h i c l ew i t hl o wm i s s i o na n dh i g he f f i c i e n c y o fe l e c t r i cv e h i c l e h e vw i l lb et h em o s tf e a s i b l ec l e a nv e h i c l ei nt h en e a rf u t u r e r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ( e n e r g yr e c o v e r yb r a k i n g ) i s o n eo fk e yt e c h n i q u e sf o r h e v , w h i c hh a sad i r e c ti m p a c to nf u e le c o n o m y ，e m i s s i o na n dv e h i c l es e c u r i t y w h e nh e vi sb r a k i n g ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mw i l lm a k et h em o t o rb e c o m ea g e n e r a t o rf o rg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yt h r o u g ht h ep o w e rt r a i ns y s t e ma n ds u p p l y i n g t h ew h o l eb r a k i n gf o r c e so rp a r t i a lb r a k i n gf o r c e sa tt h es a m et i m e f i n a l l y ，e l e c t r i c e n e r g yi ss a v e di n t ot h eb a t t e r yp a c k r e g e n e r a t i v eb r a k i n gn o to n l yr e a l i z e st h e b r a k i n ga n dd e c e l e r a t i o n ，b u ta l s or e c o v e r st h ek i n e t i ce n e r g y i n s i g h t2 0 0 0c a r sf o rt h es t u d y ，t h ep a p e rh a sat h o r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s f o r r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mo fh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，a n dh a st h es y s t e m f u n c t i o n a ls i m u l a t i o nu n d e rt h ee n v i r o n m e n to ft h ea d v i s o r ，a n da c h i e v e dt h e f o l l o w i n gr e s u l t s ： ( 1 ) b a s e do nt h ed y n a m i cb a s i so ft h eh y b r i dv e h i c l eb r a k i n gp r o c e s s ，a n d w i t hr e f e r e n c et ot h et r a d i t i o n a lf u e li nt h ev e h i c l ed u r i n gb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o n m e t h o d ，t h eb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o nf o rt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l eb r a k i n gp r o c e s s h a s b e e na n a l y z e d ( 2 ) b yt h ea n a l y s i st ot h ec o m p o n e n t sa n dw o r kc h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n s i g h t 2 0 0 0r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m ，b yt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mm o d e l i n g m e t h o dw h i c hb a s e do ne n e r g yt r a n s f e r ，a n dt h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n db a s e do nt h e t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a lm o d e l i n gf o rs u b s y s t e m ，t h es i m u l a t i o nm o d e l i n gw a s e s t a b l i s h e df o rt h ev e h i c l ea n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mo fh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e a n ds i m u l a t et h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mm o d e lu n d e rt h ec o n d i t i o n s o fd r i v i n gc y c l ee c e + e u d ca n du d d si nt h ea d v i s o rs o f t w a r e ( 3 ) b a s e do nt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh y b r i dv e h i c l er e g e n e r a t i v e b r a k i n gs y s t e m ，t h ee f f e c t i v ee n e r g yr e c o v e r yr a t e s h o u l db et h ep e r f o r m a n c ei n d e x f o rh y b r i dv e h i c l e s s i m u l a t i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h ee c e i i i 混合动力电动汽车再生制动系统仿真与智能控制策略研究 + e u d ca n du d d s ，t h ee f f e c t i v ee n e r g yr e c o v e r yr a t ec a nr e a c h1o t o15 k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) ；r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y ； f u z z yl og i c ；n e u r a ln e t w o r k ；p i d i v 工程硕上学位论文 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 混合动力电动汽车概述1 1 1 1 混合动力电动汽车的研究背景及意义：2 1 1 2 混合动力电动汽车的分类4 1 2 混合动力电动汽车再生制动系统的研究现状6 1 2 1 国外混合动力汽车再生制动的研究现状6 1 2 2 国内混合动力汽车再生制动的研究现状7 1 2 3 混合动力汽车再生制动关键技术8 1 3 本课题的研究内容9 第2 章混合动力汽车再生制动系统1 1 2 1 混合动力汽车再生制动系统的结构与工作原理一1 1 2 1 1 飞轮储能式再生制动系统结构与工作原理l l 2 1 2 液压储能式再生制动系统结构与工作原理1 2 2 1 3 电储能式再生制动系统结构与工作原理1 3 2 2 混合动力电动汽车再生制动系统的影响因素1 4 2 3 本章小结15 第3 章汽车制动过程的动力学分析1 6 3 1 汽车行驶基本理论1 6 3 2 汽车制动过程分析1 7 3 3 传统汽车制动过程的制动力分配1 8 3 4 混合动力汽车制动过程的制动力分配2 1 3 5 本章小结2 1 第4 章混合动力电动汽车再生制动系统建模与仿真2 2 4 1 混合动力电动汽车再生制动系统建模2 2 4 1 1 整车建模2 2 4 1 2 车轮建模2 3 4 1 3 主减速器建模2 5 4 1 4 变速器建模2 6 v 混合动力电动汽车再生制动系统仿真与智能控制策略研究 4 1 5 电池组建模2 7 4 1 6 电机建模3 0 4 2 混合动力电动汽车再生制动系统仿真3 1 4 2 1 仿真车辆参数31 4 2 2 混合动力电动汽车再生制动仿真工况的选择3 3 4 2 3 混合动力电动汽车再生制动系统模块的仿真3 4 4 3 本章小结一4 2 第5 章混合动力电动汽车再生制动智能控制策略一4 3 5 1 基于模糊逻辑混合动力电动汽车再生制动控制策略4 3 5 1 1 模糊控制理论基础4 3 5 1 2 模糊控制器的设计4 4 5 2 基于神经网路p i d 混合动力电动汽车再生制动控制策略一4 8 5 2 1 神经网络p i d 控制的理论基础一4 8 4 2 2 神经网络p i d 控制器的设计4 9 5 3 混合动力电动汽车再生制动系统仿真评价指标一5 3 5 4 混合动力电动汽车再生制动智能控制策略仿真5 5 5 5 本章小结：5 7 结论5 8 参考文献一6 0 致谢6 3 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 6 4 v i 工程硕士学位论文 第1 章绪论 人类为了生活和生产的需要，在1 8 8 6 年发明了汽车。随着科学技术的进步 与经济的发展，汽车扩张了人们的生活半径，也改变了社会的产业结构、生产和 生活方式，尤其是发达国家汽车已经成为了支柱产业，巨大的促进了世界经济的 发展。因此，汽车被誉为“改变世界的机器”【1 1 。然而，汽车工业的发展使得石油 资源需求急剧增加，以及对全球环境带来的严重负面影响日益引起了人们的关 注，研究汽车节能和环保技术成为当今汽车工业发展的主要方向之一，因此新能 源汽车得到了大家的关注和开发研究。但是各种替代燃料汽车存在整车动力性能 不理想、燃料提供的普遍性等问题；纯电动汽车存在续驶里程短、整车动力性能 不佳、充电时间长、基础设施建设以及电能提供均存在污染等问题；燃料汽车存 在燃料单一、价格昂贵、比功率不高、无法回收制动能量等问题使它们的可行性 较低，其发展得到了限制1 2 l 。经过多年的研究和实践，国际上已形成一个共识， 即混合动力汽车( h e v ) 是当前和不远的将来最具有可行性的低排放、低油耗特 点的新一代清洁汽车。 1 1 混合动力电动汽车概述 文献 3 】对混合动力车辆定义如下，即能量与功率传送路线具有如下特点的 车辆称为混合动力车辆： ( 1 ) 传送到车轮推进车辆运动的能量，至少来自两种不同的能量转换装置 ( 例如内燃机、燃气涡轮、斯特林发动机、电机、液压马达、燃料电池等) ； ( 2 ) 这些能量转换装置至少要从两种不同的能量存储装置( 例如燃油箱、 蓄电池、飞轮、超级电容、高压储氢罐等) 吸取能量； ( 3 ) 从储能装置流向车轮的这些通道，至少有一条是可逆的( 既可放出能 量，也可吸取能量) ，并至少还有一条是不可逆的； ( 4 ) 如果可逆的储能装置供应的是电能时，则称为混合动力电动车。 迄今为止，开发成功的大多数混合动力汽车可以叫做“油一电”混合动力电 动汽车，因为这类车辆中，不可逆储能装置是燃油箱，它向内燃机供应能量，通 过内燃机再把它变成机械能；而这类车辆中，可逆的电能储能装置通常是蓄电池、 电机械飞轮或超级电容。近年来采用燃料电池作为能量转换装置和用储氢罐作为 能量储存装置的车辆开始出现，因而相应也就有燃料电池混合动力电动车。 混合动力电动汽车再生制动系统仿真与智能控制策略研究 1 1 1 混合动力电动汽车的研究背景及意义 当今世界汽车工业的可持续发展面临着两大难题：一是全球石油资源的枯竭 和人类对石油资源需求的日益增长；另一个是世界汽车数量的增加对环境造成的 巨大污染。人类要想更好的发展，必须解决解决这两大难题。因此，环保和节能 成为了2 1 世纪汽车技术的一个重要发展方向1 4 1 。 据预测地球上现已探明的石油储藏量只能够人类再用4 0 - - 5 0 年【5 1 。而且只 有一半用于交通运输，而汽车是交通运输的主要交通工具，如果这些汽车全部采 用内燃机，那么所需的石油从何而来? 另一方面，自7 0 年代中东石油危机以来， 国际市场上石油价格一直处于上升势头，汽车的运营成本大大增加。再者传统汽 车的发动机排量大，而发动机大部分时间( 尤其在市区行驶时) 是运行在中小负 荷的低效率区，这不可避免地导致汽车油耗上升。因此，开发低油耗的新型汽车 具有非常现实和深远的意义。 同时，汽车虽然推动了社会的发展，但随之而来的也造成了环境大气危害和 城市的空气污染，如汽车排放的c 0 2 、硫化物s o x 、氮氧化物n o x 、氟氯烃等 使温室效应、臭氧层破坏和酸雨等大气环境问题变得更为严重；汽车排出的c o 、 n o x 、s o x 、未燃烧碳氢化物h c 、颗粒物p m 和臭味气体等污染了环境，对人 类和动、植物危害甚大。据环境部门统计，大气污染的4 2 来源于交通运输。 面对环境问题各国政府也制定了日益严格的汽车尾气排放标准。美国加州制定了 世界上最严格的排放标准。加州空气资源委员会规定从2 0 0 3 年开始，在加州出 售的“零排放”汽车要达到销售份额的1 0 ，把能达到低排放或超低排放的混合动 力汽车包括在零排放汽车条款中。因此，开发低排放的新型汽车也成为了汽车工 业的当务之急。 尽管在汽油机、柴油机上使用燃料直喷技术以及更先进的催化剂技术在一定 程度上能够减少汽车的排污和油耗，但仍不能从根本上解决汽车的尾气排放问 题，必须开发新型的汽车。2 0 世纪9 0 年代以后，一种结合了传统内燃机汽车优 良的动力性、续驶里程和纯电动汽车低排放、高效率的汽车一混合动力汽车 ( h e v ) 的研究逐步得到发展。1 9 9 3 年，美国成立了“新一代汽车联合体 ( p n g v ) ”，由美国政府牵头，组织了三大汽车公司、国家实验室和各国立大 学共同开发能将燃油经济性提高3 倍( 百公里油耗约3 升) 以上，又能达到2 0 0 4 年排放要求，且能以现行成本生产的新一代汽车。我国也于1 9 9 9 年4 月由国家 科技部、环保总局、国家机械局等十多个部委联合召开了“空气净化工程一清洁 车辆行动”会议，提出通过电动汽车、混合动力汽车技术的攻关和推广应用，解 决汽车排放污染问题。 世界各大汽车公司更是投入了大量的资金和技术人员，相续推出自己的混合 动力汽车。如丰田汽车公司推出了p r i u s 、e s t i m a 、c o a s t e r 、c r o w n ( h e v ) 等车 2 工程硕士学位论文 型，其中p r i u s 一举获得了“2 0 0 5 年欧洲风云车型”称号，从1 9 9 7 年面世至今累 计销售量已突破lo o 万辆，在混合动力汽车领域走在了世界的前列；本田汽车公 司独立研制开发了i n s i g h t 混合动力车，该车已实现量产，实现了世界最低的油 耗( 每升汽油可行驶3 5 k m ) 、最洁净的排放( 每行驶l k m 仅排放8 0 9 c 0 2 ) 和世界上 最高水平的碰撞安全性能，是一种充分考虑到环境和安全并充分体现驾车乐趣的 轻便、实用型油电混合动力汽车；福特汽车公司也推出了e s c a p e 混合动力s u v ， 此后又推出m a r i n e r ( 水星) 、福特f u s i o n 、马自达t r i b u t e 混合动力汽车，其中 翼虎h e v 2 0 0 4 年实现了量产，是当今世界上最省油、最清洁的多功能车( s u v ) ， 并被评为“2 0 0 5 北美年度卡车”。其他几个大汽车公司，如戴一克公司、通用、 雷诺、日产等，也都推出了各自的h e v 。混合动力汽车在发达国家已经日益成 熟，有些已经进入实用阶段。国内各科研院所与汽车厂商密切合作也推出了自己 的混合动力汽车样车。长安汽车公司联合清华大学、重庆大学等科研院所承担了 国家“8 6 3 ”重大专项课题。并推出了代号为c v 9 的混合动力m p v 样车，该车现 在已经通过了国家科技部两次考核，各项指标都达到了设计目标；一汽于2 0 0 1 年4 月l9 日闭幕的第3 届北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车红旗 c a 7 l8 0 a e ，这是一汽汽研所、美国电动车( 亚洲) 公司、汕头国家电动汽车试验 示范区三方共同合作的成果。 我国是一个能源短缺国家，随着燃油汽车保有量的急剧增加，能源问题和环 境污染问题必将日益严重。特别地，我国是一个多山的国家，丘陵和山地占国土 面积的三分之二，通过实地路况试验，可以充分证明在中国，特别是在中国的西 部，山高坡陡，开展再生制动研究十分必要，中国西部大部分地区道路起伏变化 明显，常有数十米乃至数百米的大坡道，在下坡时，将车辆的制动、减速能量回 收储存起来，等到上坡时再释放使用，这样不但可以节省能源，还可以减少刹车 片的磨损，降低故障率，减少使用成本。在城市交通中，由于需要频繁的加减速， 再生制动同样具有重要的意义，有着显著的经济价值。因此，对电动汽车的再生 制动，采用合适的控制策略，对电动汽车的减速、制动时的能量进行回收利用， 将产生非常可观的经济和社会效应。 然而，电动汽车的研究和开发近年来虽然取得了一定的进展，但还存在如下 的一些技术难题亟待解决：( 1 ) 一次充电续驶里程太短；( 2 ) 电池的循环寿命短、 更换率高；( 3 ) 电池的充电时间长。通常需要6 10 个小时才能完成；( 4 ) 电动汽 车的动力性能还不够理想，电机的调速控制系统和蓄电池的能量管理系统复杂， 技术不成熟。 由此可见，电动汽车发展的关键问题是提高蓄电池的性能、电机的控制系统 和蓄电池的能量管理系统的性能，以增加续驶里程、提高动力性能。目前电动车 上大多采用的驱动能源是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池的功率密度比较小，电动 混合动力电动汽车再生制动系统仿真与智能控制策略研究 车能够携带的蓄电池能量有限，所以电动车的一次充电续驶里程相对比较短，目 前一般为15 0 k m 左右。电动车续驶里程偏低，其主要原因有：电池容量有限；系 统效率偏低；驱动方式不够理想；城市运行工况下频繁刹车及下坡刹车能量没有 回收。因此，合理的利用电制动，不仅能为汽车提供辅助制动功能，提高整车制 动性能，而且能够通过回收制动能量来节约能源，延长电动车辆的一次充电续驶 里程，所以可以说在现有的情况下混合动力汽车再生制动的研究是一项非常有意 义的工作。 1 1 2 混合动力电动汽车的分类 混合动力车辆的分类从使用电池电机与内燃机的搭配比例来看，混合动力 车辆有微混合、轻混合、全混合、可外接电源充电混合动力( p h e v ) 四种类型【3 1 。 ( 1 ) 微混合系统。有时也叫“启停混合( s t a n s t o p ) ，依靠电池电机的功 率比例很小，车辆的驱动功率主要有内燃机提供。微混合可实现5 1o 的节 油效果。 ( 2 ) 轻混合系统。与微混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电池 电机功率的比例增大，内燃机功率的比例相对减小。轻混合系统节油可达1 0 1 5 ，h o n d a 公司的i n s i g h t 和c i v i ch y b r i d s 是典型的轻度混合汽车。 ( 3 ) 全混合系统。与轻混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电池 电机功率的比例更大，内燃机功率的比例更小。全混合系统节油可达3 0 5 0 。 丰田p r i u s 就是典型的全混合汽车。 ( 4 ) 可外接电源充电混合动力系统( p l u g i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 。 该系统电机功率比例与纯电动情况基本相同( 或稍小) ，视对纯电动车行驶模式 的性能要求而定，但内燃机功率比例与全混合系统基本相同。此外，电池容量( 应 保证必要的纯电动行驶里程) 要比全混合系统的大，比纯电动车辆小。 混合动力车辆的传统分类方法是按照混合动力驱车传动系统采用什么样的 机械连接结构进行分类，主要分类依据是判断内燃机是否与驱动轮有直接的机械 连接【们，将混合动力汽车分为：串联式混合动力汽车( s e r i e sh y b r i d v e h i c l e s h e v ) 、并联式混合动力汽车( p a r a l l e lh y b r i dv e h i c l e s p h e v ) 以及串 并混联式混合动力汽车( s e r i e sa n dp a r a l l e lh y b r i dv e h i c l e s s p h e v ) 。 ( 1 ) 串联式混合动力汽车的结构图如图1 1 所示，其特点是发动机带动发 电机发电，发出的电能通过电机控制器输送给电机，有电机产生电磁力矩驱动汽 车行驶。在发动机与传动系之间通过电机实现动力传递，蓄电池( 也可以是其他 储能装置，如超级电容、机械飞轮等) 是发电机与电机之间的储能装置，其功能 是起到功率平衡的作用，即当发电机发出的功率大于电机所需的功率时( 如 汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况) ，发电机向电池充电；而当发电机 工程硕上学位论文 发出的功率低于电机所需的功率时( 如汽车起步、加速、爬坡、高速行驶等工况) ， 蓄电池则想电机提供额外的电能，补充发电机功率的不足，满足车辆峰值功率要 求。 圆 m 珊诎胱m 圆 图1 1 串联式混合动力汽车的结构图 ( 2 ) 。并联式混合动力汽车的结构图如图1 2 所示，汽车可由发动机和电动 机共同驱动或各自单独驱动。当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比 较小。与串联式结构相比，发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的 利用率相对较高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最 适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统的 发动机工况要受汽车行驶工况的影响，与串联式结构相比，需要变速装置和动 力复合装置，传动机构较为复杂，因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大的 情况。另外行驶里程更长系统结构复杂，由于人们对控制单元要求较高，因而 成本昂贵。 图1 2 并联式混合动力汽车的结构 ( 3 ) 串并联式混合动力汽车的结构图如图1 3 所示，串并联式驱动系统是串 联式与并联式的综合，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另 一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生 的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是在汽 雪 两嘞 混合动力电动汽车再生制动系统仿真j 智能控制策略研究 车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以 并联工作方式为主。这种结构能较好地综合实现汽车的各项性能需求，但控制 技术复杂，结构设计与制造要求高。发动机的工作不受汽车行驶状况的影响，总 是在最高效率状态下工作或自动关闭，使汽车任何时候都可实现低排放及超低 油耗，达到环保和节能效果。 图1 3 混联式混合动力汽车的结构图 1 2 混合动力电动汽车再生制动系统的研究现状 汽车制动能量至今还是一种未充分利用的能源，在制动过程中大量的动能 只能通过摩擦转化为热能耗散掉，这不但浪费了宝贵的能源，也导致了汽车制动 系统过早磨损，增加汽车使用成本。有关文献表明，在城市驾驶工况下制动能量 占总驱动能量的5 0 左右【7 j 。而在汽车下长坡及滑行中，为了消除汽车多余的动 能，制动器的热衰退性问题成了汽车在这些工况下的安全隐患。在人们对汽车能 耗、环保、安全性能要求日益苛刻的今天，制动能量回收再利用成为汽车技术 研究中的热点问题。 1 2 1 国外混合动力汽车再生制动的研究现状 面对石油资源日益枯竭和人们对能源需求不断增加的矛盾，节能优势明显的 混合动力汽车成为研究热点。目前，国际上各大汽车公司都积极开发自己的混合 动力车型。随着混合动力汽车的发展，再生制动能量回收技术的研究也逐渐走向 成熟。 日本丰田p r i u s 轿车的e c b 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，该款混合动力汽车在搭载丰田h t s i i 混合系统以后，能通过再生制动 系统提高整车能量利用率达2 0 以上，同时也确保了制动安全【黔1 0 j 。 本田汽车公司在其开发的i n s i g h t 混合动力汽车上，基于i s g 电机 ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) 、液压系统并结合发动机节气门控制，提出了一种 双制动力分配系数控制再生制动系统，通过该系统，实现了混合动力汽车制动能 6 工程硕士学位论文 量的高效回收q3 1 。 美国福特公司推出的混合动力款e s c a p e 应用了线传电液系列再生制动系 统，线传控制技术以及电子机械制动器代替机械及液压制动系统，把来自驾驶员 的命令转变为电信号，以驱动电机实现所需的操作，显著提高了制动能量回收效 率，改善了汽车制动方向的稳定性和舒适性【l 4 1 。 美国t e x a sa & m 大学的y i m i ng a o 等提出了评价再生制动能量回收效率的 三种制动力分配的控制策略，并在城市行驶循环工况下对中度混合动力汽车进行 了仿真分析。此后，又进一步提出了一种基于再生制动系统的纯电动汽车和混合 动力汽车a b s 系统的控制策略，在该控制策略的基础上建立了基于电子制动系 统的混合动力和纯电动汽车的制动系统仿真模型，实现了在不同制动强度下的制 动能量的最大化回收【l5 。1 6 j 。美国m i c h a h i a n 大学的p a n a g i o t i d i s 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了仿真计算和影响因素的 分析比较。美国u n i o n 学院的w i c k s 等建立了城市客车在市区行驶循环工况下的 数学模型，研究了再生制动系统的节能效果【1 7 】。美国福特研究所的c i k a n e k 等提 出了基于最小附加成本并能有效改善制动性能和效率的并联式混合动力汽车的 再生制动系统【l 引。 韩国s u n g k y u n k w a nu n i v e r s i t y 的k o n g h y e o nk i m 等针对4 w d 混合动力汽 车提出了四轮驱动混合动力汽车再生制动系统制动力分配控制策略，并针对该策 略，提出了基于模糊控制的四轮驱动混合动力汽车再生制动系统、四轮液压力及 a b s 控制，并通过硬件在环仿真，实现了四轮驱动混合动力汽车再生制动的综 合控制【1 9 2 0 1 。 综上所述，国外对再生制动领域的研究己具有了一定的基础，也取得了比较 快的进展。许多大公司已经将再生制动技术应用于所开发的混合动力汽车上，以 达到降低整车燃油消耗，增加续驶里程的目的。 1 2 2 国内混合动力汽车再生制动的研究现状 重庆大学的研究人员对复合制动中的电机和液压制动器制动力分配控制策 略有所涉及，其基于制动强度和制动稳定性，按照i 曲线进行制动力分配和制动 模式的选择，以实现制动能量的回收，并保证良好的制动效能口。 清华大学罗禹贡等人对混合动力汽车在中小制动强度下制动能量回收系统 进行了研究，并以制动意图和制动能量回收率为设计目标，应用最优理论和p i d 理论设计有效的制动力分配模型。仿真结果表明，该控制方法能够显著提高汽车 制动时的响应速度，大约在0 5 s 以内就能实现制动意图，并且能够提高制动能 量回收率1 0 左右 2 2 1 。 仇斌，陈全世【2 3 】等在分析影响电动汽车制动能量回收潜力各种主要因素的 基础上，以一辆电动轻型客车为例，结合北京市区轻型客车行驶工况调查数据， 7 混合动力电动汽车再生制动系统仿真与智能控制策略研究 统计分析了在不同车速下最大制动功率的分布特征，发现其与电动机的制动工作 特性能够很好地吻合。通过对典型路段上净制动能量和可回收制动能量的统计分 析，表明在行驶工况变化比较频繁的长安街上行驶，采用制动能量回收可增加的 续驶里程为2 4 4 左右。 江苏大学1 2 4 的研究人员把再生制动力矩折算为相应的液压制动踏板行程， 使再生制动力矩产生的制动感觉和液压制动感觉相一致，并根据纯再生制动模 式、紧急制动模式和一般制动模式三种情况下的制动距离的计算，提出了合理的 再生制动控制策略。 重庆大学的褚明以“在满足车辆制动性能要求、保证车辆制动稳定性的条件 下，最大限度地回收再生制动能量的原则，对独立式制动控制系统的制动力分 配原理进行了分析，得出再生制动力及液压制动力的分配与控制规律：制动强度 小于z 时，只有前轮提供需求制动力，包括再生制动力和摩擦制动力，在提供足 够的需求制动力的同时也能保证制动稳定性；制动强度大于z 时，则由前、后轮 同时提供制动力【25 1 。 北京交通大学耿聪、刘溧和张欣等分析了典型循环工况下城市公交车制动能 量随制动减速度变化的分布规律，根据城市公交车车速变化大，制动频繁且制动 强度较低的特点，提出了适合于混合动力电动公交汽车( h e b ) 的再生制动控制策 略一一低制动强度时优先采用再生制动，高强度时按比例复合再生制动与摩擦制 动 2 6 - 2 8 j 。这种控制策略既可保证低制动强度时制动能量的再生利用，又能保证 制动效能和制动安全性的要求。针对e q 6 1 1 0 h e v 混合动力电动汽车进行的再生 制动性能仿真计算表明：不同循环工况下，采用这种再生制动控制策略的h e b 均有较好的节能效果，可降低能耗1 0 2 5 【2 9 1 。武汉理工大学过学迅、张靖 分析了在混合动力电动汽车上实现再生制动的必要性和可行性，对再生制动控 制策略进行了分析，建立了混合动力电动汽车h e v 7 2 0 0 0 的系统仿真模型，并 应用线控再生制动策略对并联式的制动回收能力进行了仿真研究。 西安交通大学白志峰，曹秉刚等分析了当前几种电动汽车再生制动方式的不 足，为防止过大的充电电流对蓄电池造成损害，提出了以蓄电池充电电流为控制 对象的再生制动方案。另外，根据电动汽车电机反电动势、电池电压、道路状况， 以及初始车速有较大范围变化的特点，设计了电动汽车再生制动h 。鲁棒控制器， 并利用s i m u l i n k 建立了电动汽车再生制动系统模型以进行不同条件下的仿真研 究，结果表明h 。鲁棒控制器比传统的p i d 控制器具有更好的稳定性、更强的鲁 棒性和抗干扰能力1 3 0 。 1 2 3 混合动力汽车再生制动关键技术 从国内外研究现状可看出，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 工程硕上学位论文 生制动控制策略、机电复合制动的协调等方面。目前亟待解决的混合动力汽车 制动能量回收系统关键技术问题主要有4 个方面：制动稳定性问题、制动能量 回收的充分性问题、制动踏板平稳性问题、复合制动协调兼容问题【3 1 引】。 1 ) 制动稳定性。由于电制动力矩( 即再生制动力矩) 随车速变化大，它的制 动过程与只具有摩擦制动系统的制动过程有所不同。对于后驱动型汽车由于电制 动力矩是加在后轴上，当电制动力矩过大时会使后轴提前抱死，从而使汽车出现 后轴侧滑丧失稳定性；对于前驱动型，电制动力矩位于前轴上，过大的电制动力 矩会使前轴过早于后轴抱死，不但使前轮丧失转向能力，还会使附着利用率降 低。 2 ) 能量回收充分性。充电能力受蓄电池特性、电机工作特性、充电的快 慢等因素的影响，由于制动能量回收时常存在过充电及急速充电等问题，使得电 机和蓄电池工作条件变得复杂，因此通过改进电机控制技术、蓄电池储能技术 和采用先进的储能方式来提高短时间内充电系统的充电效率是保证制动能量回 收充分性的关键。 3 ) 制动踏板平稳性。电制动力矩作为辅助制动力矩将影响制动踏板跳动与 驾驶平顺性，需要对电制动力矩的大小进行优化控制以使汽车制动与常规汽车 制动系制动感觉一样。 4 ) 复合制动协调兼容。要在保证制动安全的条件下实现能量充分回收，就 要与常规制动系统、a b s 系统良好协调兼容，要合理设计电机制动转矩和制动 器制动转矩调整的综合控制策略，实现电机回馈能量制动与a b s 制动协调控 制。 1 3 本课题的研究内容 再生制动理论的研究主要集中于能量回收最大化和制动过程安全性高，稳定 性好两个方面，本课题将在目前现有研究成果的基础上，对电动汽车的再生制动 系统进行全面分析，结合模糊逻辑控制理论和神经网络p i d 控制理论，采用了 基于模糊逻辑和神经网络p i d 再生制动智能控制策略，并利用a d v i s o r 软件在欧 洲e c e + e u d c 驱动循环工况和美国u d d s 驱动循环工况下进行仿真，验证本 文提出的控制策略提高了电动汽车的能量回收率，