（机械电子工程专业论文）hev电控制动系统设计与特性研究.pdf

中文摘要 摘要 再生制动( 能量回馈制动) 是混合动力汽车的重要工作模式，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，将车辆动能或位能转化为电能储存 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。再生制动既实 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，是提高 混合动力汽车燃油经济性和降低排放的有效措施。 在混合动力汽车制动过程中，通过确定合理的制动力分配策略，可以在保证 制动安全条件下实现高效的能量回收，因此如何实现再生制动与摩擦制动的协调 控制是混合动力汽车再生制动的关键技术。 混合动力汽车具有再生制动、组合制动和摩擦制动三种制动工作模式，为了 保证高效能量回收和安全制动，应确定合理的制动力分配和制动系统压力控制策 略。因此传统车辆的制动系统不能满足混合动力汽车制动模式下的压力需求，必 须对传统轿车制动系统进行改造或重新设计。 本文以i s g 型混合动力长安轿车为应用对象，根据混合动力汽车制动力分配 和制动系统压力协调控制要求，进行混合动力汽车综合制动系统的设计和基于 a m e s i m 平台的h e v 制动液压系统的建模与仿真分析，其研究内容如下： 参照传统汽车的制动力分配方法，建立了基于整车安全制动和高效能量回 收的混合动力轿车制动力分配策略和压力协调控制策略； 基于定比例制动力分配策略，进行了i s g 型混合动力轿车综合液压制动系 统设计和参数选择，分析表明所设计的综合液压制动系统能满足混合动力轿车不 同制动工作模式和压力协调控制要求； 对所设计的电控液压制动系统的关键元件进行了性能分析、数学建模，并 利用a m e s i m 平台进行了性能仿真和参数优化分析； 在不同的制动工况( 电机单独制动、电液复合制动、液压摩擦制动) 下， 建立了电控液压制动系统动态模型，并进行了不同制动工况下的性能仿真和参数 优化设计； 将所设计的电控制动系统嵌入整车模型中，建立了基于a m e s i m 的电控制动 系统和s i m u l i n k 的整车系统的联合仿真模型，为再生制动系统的优化与开发提供 了思路和方法。 关键词：混合动力汽车，再生制动，制动系统，压力控制，建模与仿真 英文摘要 a bs t r a c t 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 so n eo fk e ya d v a n t a g e so fh 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 v i 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 eag e n e r a t o rf o r g 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 gt h ew h o l eb r a k i n g f 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 n l et i m e f i n a l l y , e l e c t r i ce n e r g yi ss a v e di n t o t 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 eb 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 s ot h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gi sa ne f f e c t i v em e a s u r e t oi m p r o v et h eh y b r i dv e h i c l ef u e le c o n o m ya n dr e d u c ee m i s s i o n se f f e c t i v em e a s u r e s b yi d e n t i f y i n gar e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g yo ft h eb r a k ef o r c e ，t h eh y b r i d v e h i c l ec a nm o r ee f f i c i e n c yr e c o v e r yt h ee n e r g yo fb r a k eu n d e rt h es e c u r i t yc o n d i t i o n s s oh o wt oa c h i e v et h ec o o r d i n a t ec o n t r o lt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dt h ef r i c t i o nb r a k e b e c o m et ot h ek e y t e c h n o l o g yo ft h er e g e n e r a t i v eb r a k i n g t h e r ea r et h r e eb r a k i n gm o d et h a tr e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n dc o m b i n e db r a k i n ga n d f r i c t i o nb r a k i n gi nt h eh e v , w es h a l ld e t e r m i n et h er e a s o n a b l ef o r c ed i s t r i b u t i o na n d p r e s s u r ec o n t r o ls t r a t e g yo fb r a k i n gs y s t e mi no r d e rt oe n s u r ee f f i c i e n tb r a k i n ge n e r g y r e c o v e r ya n ds e c u r i t y s ot r a d i t i o n a lv e h i c l e sb r a k i n gs y s t e mi su n a b l et om e e th y b r i d v e h i c l eb r a k ep r e s s u r ed e m a n dm o d e ，i ti sn e e dt om o d i f ya n dr e d e s i g nf o rt r a d i t i o n a l b r a k i n gs y s t e mo fc a r s t h ep a p e r ，t a k i n gc h a n g a ni s gh y b r i dc a r sa sa p p l i c a t i o no b j e c t ，ae l e c t r i c h y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e mo fh e v i s d e s i g n e dt om e e tp r e s s u r ec o n t r o lo fd i f f e r e n t b r a k i n gm o d ew h e n i sb r a k i n g ，b a s e do nb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o na n db r a k ep r e s s u r e c o o r d i n a t i o nc o n t r o l s t r a t e g yo fh e v m e a n w h i l es i m u l a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i c b r a k i n gs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e du s i n ga m e s i ms o f t w a r ep l a t f o r m t h em a i n c o n t e n t si n c l u d e ： ( _ 1 ) b r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g ya n dp r e s s u r ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lm e t h o d so f h e va r ep r o p o s e db a s e do ns a f e t yb r a k i n ga n de n e r g yr e c o v e r yo fh i g h - p e r f o r m a n c e ， t h el i g h to ft h et r a d i t i o n a lv e h i c l eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nm e t h o d s ( 虿) b a s e do nt h ep r o p o r t i o no fb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g y , i th a sb e e nd o n ea c o m p r e h e n s i v eh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e md e s i g no fh e v w i t hi s gt h er e s u l t ss h o wt h a t t h eh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e mt om e e td i f f e r e n tb r a k i n gm o d e la n dp r e s s u r ec o o r d i n a t i o n c o n t r o ld e m a n do fh e v i i i 重庆人学硕十学位论文 ( 查) p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go ft h ek e yc o m p o n e n t sa r e m a d ef o re l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dh y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e mo fh e v a n dm a k ea p e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nu s i n g a m e s i mt o o l s s y s t e m a t i cm o d e l i n ga r em a d ef o rd e s i g n e de l e c t r i cc o n t r o lb r a k i n gs y s t e m o f h e vu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ( s e p a r a t em o t o rb r a k e ，e l e c t r o - h y d r a u l i cb r a k e ， h y d r a u l i cf r i c t i o nb r a k i n g ) ，m e a n w h i l ea n a l y s i s e d t h es t a t i ca n dd y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i e so ft h es y s t e ma n do p t i m i z e dt h ed e s i g np a r a m e t e r s a d dd e s i g n e de l e c t r i c a lc o n t r o lb r a k i n gs y s t e mt ov e h i c l em o d e l i n g ，aj o i n t m o d e l i n gp r o g r a mw h i c he l e c t r i c a l c o n t r o lb r a k i n gs y s t e mb a s e do na m e s i ma n d w h o l ev e h i c l es y s t e mb a s e do ns i m u l i n ki sm a d e a n dw h i c hp r o v i d et h en e wi d e a sa n d m e t h o d sf o rt h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m o f h e v k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，h y d r a u l i cb r a k i n gs y s t e m ， h y d r a u l i cc o n t r o l ，s y s t e mm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n i v 7 - 学位论文独创性声明 本人 声明 所 呈 ，交 的 互廷 士学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究 中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：亩l橛签字日期： 岬钆少 签字日期：研多2 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称章程) ，愿意将本人的砸士学位论文臼别啦物纽军蚴章掰拱扩 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文企文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n i ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：j 半 导师签名：多劢捌 娜7 年莎月2 - 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1绪论 1 1 引言 汽车发明一百年来，为人类文明作出了巨大贡献，创造了难以计算的直接或 间接经济效益和社会利益。但是，随着世界汽车保有量的急剧增长，人们越来越 认识到传统的内燃机汽车给人类环境带来了巨大危害。环境保护的迫切性和石油 储量同见短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的发展问题。据统计我国可开 采的石油储量仅占世界总储量4 左右【l 】，从1 9 9 3 年丌始进口石油逐年增长，2 0 0 5 年进口石油达到1 3 6 亿吨，2 0 0 8 年进口石油已经超过2 亿吨，未来我国石油缺口 将更大；同时城市大气污染的4 2 来源于交通运输，传统燃油汽车排放的废气主 要是n o x 、c o 、h c 和颗粒物等，它们是大气污染的主要来源。而且由于机动车 的排放位置低，实际对环境污染浓度的分担率在7 0 以上。经过对各种新燃料， 新能源和新型动力汽车系统的探索研究，电动汽车成为最主要的选择之一。 电动汽车包括纯电动汽车( b e v ) 、混合电动汽车( h e v ) 和燃料电池汽车 ( f c v ) 三种形式，纯电动汽车是理想的零排放或低排放车辆。但由于在发展中 受到了技术上的制约，只适用于低速短距离的运输，所以产业化前景并不看好。 燃料电池汽车具有极高的效率、低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，并 可再生等重大优势，已成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为2 1 世纪改变人类生活的十大高科技之首，不过其产业化进程仍需较长时问。而混合 电动汽车( h e v ) 的性能既能够满足用户的需求，又实现了低油耗、低排放【2 】【3 1 。 在目前的技术水平和应用条件下，h e v 是比较理想的交通工具，成为了当前解决 节能、环保问题最切实可行的方案。 1 2 混合动力汽车概述 混合动力汽车( h e v ) 是传统内燃机汽车与纯电动汽车相结合的一种新型汽 车产物，它由辅助动力单元( 汽油机、柴油机、燃气轮机、燃料电池) 、电机和 能量储存装置( 蓄电池、惯性飞轮、超级电容器) 等组成 4 】【5 】 3 1 1 。由于电机可以参 与驱动和实行再生制动，所以它继承了电动汽车低排放的优点，又保持了石油燃 料比能量和比功率高的长处，因而能显著改善传统内燃机汽车的排放和燃油经济 性，增加电动汽车的续驶里程，在由燃油汽车向新能源汽车的转变过程中起着承 上启下，继往开来的作用。 1 2 1 混合动力汽车研究的背景 汽车作为主要交通工具和国民经济的重要支柱产业，自诞生以来得到了快速 重庆人学硕士学位论文 发展，而与此同时汽车的发展也带来了能源大量消耗和环境恶化的诸多影响，因 此汽车的环保与节能已经引起世界各国的广泛关注。自2 0 世纪以来，欧美同等先 进国家相继开始推进“清洁汽车计划”，在燃料电池汽车、电动汽车和混合动力电动 汽车领域展开了大量的研究与开发工作。 研制开发低油耗和低排放汽车是清洁汽车计划的核心内容，纯电动汽车e v 和 燃料电池汽车f c v 是理想的零排放汽车，但由于目前电池的能量密度与汽油相比 差百倍，高性能电池和燃料电池的关键技术尚未成熟，在相当长的一段时间内难 以实现其丌发目标，更谈不是产业化，而混合动力电动汽车对电池的比能量要求 较低，从而可以大幅降低电池的重量和成本，弥补了由于目前电池性能缺陷而引 起的不足，具有低排放、低油耗、性价比较高的综合优势。根据丰田公司的测试 数据表明，与常规燃油汽车相比，混合动力电动汽车c 0 2 的排放大约降低1 2 ，而 c o 、h c 和n o 的排放则大约降到1 1 0 。因此，各世界普遍把混合动力电动汽车 作为清洁汽车研究与开发的重点【1 3 l 【1 8 1 1 3 9 1 。 丰f f l 汽车公司是走在h e v 开发最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行 h e v 研究的汽车公司之一。早在1 9 9 7 年，丰田公司就在世界上推出了名为p r i u s 的 首辆混联式混合动力电动汽车，在日本1 0 - - 1 5 7 - 况下燃油经济性指标达到了每百 公里3 5 7 l 。2 0 0 3 年又推出了新一代的p r i u s ，它的装备被称为”新时代丰田混合动力 系统的”t h s i i ”，节能效果可达到每1 0 0 k m 少于3 l 。本田汽车公司独立研制开发 的i n s i g h t 混合动力汽车也早已经实现量产，该车实现了目前全世界最低的油耗( 每 升汽油可行驶3 5 k m ) 和最洁净的排放( 每行驶l k m 仅排放8 0 9 z 氧化碳) ，并且 创造了一次加油行驶1 5 0 0 k m 的纪录。继i n s i g h t 之后，2 0 0 2 年本田公司又推出了 d u a l n o t e 运动型概念车。 丰阳汽车在2 0 0 6 年2 月2 8 同开幕的“第7 6 届日内瓦车展”上宣布，将把混合 动力汽车在雷克萨斯品牌中占有的销售比例增至2 5 。公司2 0 0 7 年在美国市场推 出1 0 款混合动力车型。到2 0 1 0 年，丰田预计其混合动力汽车年销量将达1 0 0 万 辆，其中在美国市场的年销量将达到6 0 万辆，在丰田汽车美国总销量中的比重将 增加到2 5 。 本田2 0 0 5 年推出本田雅阁混合动力轿车，雅阁是世界上首部装备6 缸发动机 的混合动力汽车【3 6 】，而其油耗城市路况为8 3 升1 0 0 公里，高速路仅6 1 升1 0 0 公 里，与普通款式相比，市区模式及高速模式下的燃油效率分别提高了4 3 和2 3 ， 与配备4 缸引擎的小型车思域大体相同。本田新思域c i v i c 混合动力汽车，平均油 耗百公里约合3 4 升，同时也是唯一的一款二氧化碳排放低于每公里1 0 0 克的车型， 仅为8 0 克公里。本田汽车公司己于2 0 0 7 年在全球范围内开始销售混合动力版f i t ， 该车采用了1 0 升排量的汽油发动机和永磁电机。 2 l 绪论 2 0 0 4 年l o 月l 同，韩国现代汽车公司在汉城举行的“未来型汽车丌发纪念仪 式”上推出了韩国第一辆混合动力汽车“混合动力c l i c k ”。其耗油量为每升1 8 公 里，比汽油型c l i c k 减少了5 0 油耗。 雷诺2 0 0 5 年1 1 月2 5 日，针对城市用车需求研制的雷诺m i d l u m2 7 0 混合动力 卡车，亮相第四届北京国际清洁汽车技术研讨暨展览会。该车由柴油机和电动机 两种动力串联形式驱动。雷诺和同产公司总裁卡洛斯戈恩表示，混合动力版a l t i m a 已于2 0 0 7 年初投放美国。2 0 0 6 年3 月的同内瓦车展上，p s a 集团重点推介了其搭 载柴油混合动力的标致3 0 7 和雪铁龙c 4 两款车型，作为旗下两款在欧洲销量最大 的中级车型，标致3 0 7 和雪铁龙c 4 的柴油混合动力车型搭载1 6 升新一代高压共 轨直喷柴油机，使用混合动力技术。它在汽车减速和制动的时候回收能量，在起 步阶段和城市路况时速5 0 公里以下可以完全使用电力驱动，超过5 0 公里小时后， 柴油机将进入工作状态。在加速超车时电动机能助力，从而显著提高汽车动力性 能。标致雪铁龙目标是在5 年内投产柴油混合动力车。集团总裁j e a nm a r t i nf o l z 称从2 0 1 0 年起将向市场投放几万辆中低端柴油混合动力轿车。 国内2 0 世纪9 0 年代末期开始了混合动力汽车的研发工作。1 9 9 9 年，清华大 学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客 车。2 0 0 1 年底，国家“8 6 3 ”电动汽车科技攻关项目正式启动，通过十五期间的研 究，混合动力汽车己初步具备产业化条件。目前，我国自主开发的混合动力汽车， 采取了各具特色的混合动力结构方案，拥有自主知识产权，效果好的其节油率可 达3 0 以上，己投入试验示范运营和风险销售阶段。 东风电动车辆股份有限公司自主研发的2 0 辆混合动力公交客车已在武汉累计 运行4 0 多万公罩，载客8 6 万人次；一汽集团研发的混合动力客车产品车也已下 线，具备了小批量生产能力。东风电动车辆股份有限公司联合高校和科研院所开 发出e q 7 2 0 0 h e v 型混合动力轿车，基本实现了通用化、标准化设计。长安汽车股 份有限公司与高校、科研院所一起丌发的c v l1 型i s g 混合动力轿车，实现了降 低油耗2 0 ，排放优于欧i i i 的性能，完成了各项法规测试和上公告试验。中国第 一汽车集团公司与相关高校、科研院所开发的一汽混合动力轿车也完成了各项法 规试验，实现了降低油耗3 0 ，排放满足欧i i i 标准，也进入了产业化阶段。天津 清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型客车，排放达到欧i i i 标准，燃油经济 性提高1 5 以上。北京嘉捷博大电动车有限公司和常州客车厂合作开发了我国第 一辆以燃气涡轮机作为动力机的混合动力电动大客车，排放指标低于2 0 0 8 年将在 欧洲开始执行的欧v 标准。深圳明华环保汽车有限公司也开发出混合动力电动轻 型客车。奇瑞、华普等汽车厂家目前也在研发自己的混合动力车型。我国通过国 家“十五”的科技攻关，在混合动力方面已经积累了一定的技术基础和经验，正向商 重庆夫学硕十学位论文 品化、产业化阶段迈进。 从上面分析可以看出，混合动力汽车已经成为目前最为热门和最有前途的清 洁汽车开展混合动力汽车的研究，具有非常重要的现实意义。 1 2 2 混合动力汽车的分类 混合动力汽车园各个组成部件、布置方式及控制荒略的不同，形成了各式各 样的混台动力汽车的类型。 根据动力源传递方式的不同，分为串联式、并联式和混联式三种组合型式( 图 li ) ：根据发动机和电机的功率比的大小，分为轻度混合型( i s g 型) 、中度混合 型( 功率混合型或电动辅助型) 和重度混合型( 能量混合型或燃油辅助型) ，根据 发动机和电动机是否布置在同一轴线上，分为单轴式和取轴式；根据蓄电池维的 荷电状态的变化情况，又分为荷电消耗型和荷电维持型p 5 1 1 ”】。其中最常见的是按 动力传递方式进行混合动力汽车的分类。 ( c ) 圈1 1 混合动力汽午的分类 f i g1 1t h e d a s s l f y o f h e v 图l1 ( a 所示的串联式混合动力汽车中，发动机带动发电机发电，通过控制器 将电能直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱动汽车。电池起平衡原动机 输出功率和电动机输入功率的作用。当发电机的发电功率大于电动机所需的功率 1 绪论 时( 如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况) ，控制器控制发电机向电池充 电；当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时( 如汽车起步、加速、高速行 驶、爬坡等工况) ，电池则向电动机提供额外的电能。由于发动机不受汽车行驶工 况影响，始终在最佳工作区稳定运行，选定的发动机功率较小，整车的油耗和排 放降低。串联型混合动力汽车的结构及其控制系统比较简单，动力特性更加趋近 于纯电动汽车，缺点是在热能一电能一机械能之间的转换过程中，总效率低于内 燃机汽车，整个系统体积大，质量重，一般适合大型客车采用。 并联式混合动力汽车图1 1 ( b ) 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( 电力辅助型) 时，功率较小。与串联式相比， 发动机被控制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转，没有串联型 混合动力汽车在热能一电能一机械能的转换过程中的能量损失，其能量的利用率相 对较高，使得燃油经济性比较高，因此并联式混合电力汽车最适合在城市间公路 和高速公路上的稳定行驶工况。但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，要维持发动机在最佳工作区工作，相比于串联结构，需要变速装 置和动力合成装置，传动机构较为复杂。 图1 1 ( c ) 所示的混联式混合动力汽车中，发动机发出的功率一部分通过机械传 动装置输送给驱动轮，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合成装置传送给驱动轮。混联式混 合动力汽车低速行驶时，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。 混联式混合动力汽车充分发挥了串联式和并联式的优点，能实现发动机、发 电机、电动机的优化匹配，在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优 状态，更容易实现排放和油耗的控制目标，因此是最具潜力的混合动力汽车。与 并联式相比，混联式的性能更加完善，经济性更好，但结构较复杂，对动力合成 装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力合成装置的基本构 架。丰田公司p r i u s 车的混合动力系统被公认为目前最先进、最成功的结构。 本课题研究的载体是前轮驱动的长安i s g 型混合动力轿车，属于并联型混合 动力汽车【4 】【1 4 】【1 6 】【2 s 】。 1 3 混合动力汽车进行再生制动研究的意义 电动汽车、混合动力汽车与传统汽车的一个最重要的区别是可以实现再生制 动，能回收一部分传统车辆在制动过程中损失的能量，这样大大提高了汽车燃油 经济性。 所谓再生制动是指在制动时将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电 重庆人学硕十学位论文 机，电机以发电方式工作，为动力电池充电，实现制动能量的再生利用。与此同 时，产生的电机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动，产生制动力。由 于再生制动利用了原本被消耗于摩擦制动的能量，因而可降低混合动力汽车的能 耗，改善汽车的燃油经济性1 9 】【1 5 1 【2 9 】【3 0 】f 3 。在目前的h e v 技术研究中，再生制动己 成为一种降低能耗、提高燃油经济性进而提高车辆续驶里程的重要技术手段。 混合动力汽车也不是所有的动能都能够被回收和再利用的，只有在驱动轴才 能进行再生制动，其余部分能量仍以热量形式被摩擦制动系统消耗掉。在回收 和再利用能量的过程中，传递能量和储存能量环节会损失一部分能量。另外一个 影响回收能量的因素是当制动力需求超出再生制动的最大能力时，摩擦制动必须 来分担一部分制动力。 为了衡量车辆制动过程中消耗的制动能，引入了车辆制动功率： r ：上( j md v m g r 一一1p c 。a v 2 ) (11)1000d”t2 “、 式中：v 车速( m s ) ； m 汽车质量( k g ) ； c n 空气阻力系数； p 空气密度； a 汽车正向迎风面积( m 2 ) ； 厂滚动阻力系数； 只车辆制动功率( k w ) 则制动中消耗的能量为： 民= n 班 ( 1 2 ) 在典型城市工况下，由于交通拥挤，汽车车速不高，车辆经常反复起停，使得 汽车能量效率低下。根据( 1 1 ) 和( 1 2 ) ，可以得到如图1 2 所示的典型工况下的 牵引能与制动能的关系图。 图1 2 典型上况下的整车牵引能量和制动能量 f i g 1 2t h et r a c t i o ne n e r g ya n db r a k i n ge n e r g yo fr e p r e s e n t a t i v ec y c l e s 6 l 绪论 从图1 2 可以看出在城市循环工况下，由于车辆频繁启停，消耗的制动能占了 总牵引能的相当大一部分，如果能通用再生制动回收一部份被摩擦制动消耗的制 动能量，将大大降低整车的燃油消耗，提高整车的能量效率。 1 4 混合动力汽车再生制动系统的研究现状及关键问题 1 4 1 再生制动系统的国内外研究现状 日本丰田公司开发了用于混合动力汽车“p r i u s ”的再生制动系统，该系统根据车 辆制动过程中的能量控制策略，通过电液比例控制调节液压制动力，实现再生制 动与摩擦制动的综合控制，提高了整车燃油经济性，对整车能量效率的提升达到 了2 0 以上，同时也确保了制动安全。在混合动力汽车“e s t i m a 中采用了电控柔性 制动系统，并将再生制动纳入整车动力控制系统进行集中控制，并通过c v t 控制， 提高了再生制动能量回收率。 本田公司还在其开发的e v p l u s 纯电动汽车上，针对基于能量的最大化回收、 驾驶员制动感觉以及能量的较大回收和兼顾驾驶员制动感觉这三种制动目标，分 别建立了再生制动系统制动力分配控制策略并进行了试验，结果表明，各控制策 略都达到了预期的效果，为混合动力汽车或纯电动汽车再生制动系统的打造提供 了坚实的基础。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吲1 7 】【1 8 】【l9 1 ，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。 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。 美国m i c h a h i a i l 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。美国福特研究所的c i k a n e k 等人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。日本交通公害 研究所的h a y a s h i d a 等对装备蓄电池和超级电容组合储能系统的混合动力客车的 再生制动进行了仿真分析和台架试验研究。荷兰e i n d h o v e n 大学的s h u i w e ns h e n 对飞轮储能的c v t 系统进行了仿真研究。美国奥克兰大学的n i e l sj s c h o u t e n a ， m u t a s i ma s a l m a n b 等人提出了基于模糊控制技术的并联型混合动力汽车能量管 理和动力分配控制策略，综合考虑了并联型混合动力汽车的车速、加速踏板和制 动踏板指令、蓄电池荷电状态s o c 和电机发电机转速，优化了电机发电机和内 7 重庆人学硕士学位论文 燃机的输出功率，从而达到提高并联型混合动力汽车燃油经济性的目标【5 4 】。 我国对于混合动力电动汽车的研究处于起步阶段，因此，再生制动这一混合动 力汽车所具有的关键功能的研究也显得非常薄弱，有关理论和技术研究的文献很 少，基本上处于起步阶段。国内目前对混合动力汽车的再生制动的研究【1 3 】b 6 ，在 以下方面还有待深入研究： 再生制动能量管理和控制策略：根据混合动力汽车不同的行驶工况、路面 附着条件和制动力要求，在保证制动安全性等条件下，如何确定合理的再生制动 和摩擦制动的能量分配管理模型和控制策略，如何实现再生制动、摩擦制动和a b s 的综合协调控制，提高制动能量回收率。 再生制动系统建模和车辆制动动力学建模：如何根据再生制动要求，建立 合理的电池充电能量控制模型、电机发电机效率控制模型；如何基于各子系统模 型，建立可实现高效能量回收的再生制动系统模型；如何基于再生制动模型、摩 擦制动模型，建立多工况条件下的混合动力汽车综合制动动力学模型。 再生制动、摩擦制动和a b s 在实际车辆系统中的实现问题：如何改装现有 燃油车辆的制动系统，来实现混合动力车辆再生制动的需求，并对液压摩擦制动 和a b s 提出合理的制动容量需求；如何模拟制动路感，在最大化的提高制动能量 回收率情况下，使得液压制动系统能够满足不同制动路况下的综合制动需求。 1 4 2 再生制动系统的关键问题 由常规摩擦制动与再生制动复合而成的混合动力汽车制动系统，存在下列三 个主要关键问题： 制动过程的稳定性：由于电机制动力矩( 即再生制动力矩) 随车速变化大， 它的制动过程与传统燃油汽车只具有摩擦制动的制动过程有所不同，对于后驱型 混合动力电动汽车，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。对于前驱型混合动力电动汽 车，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【3 9 1 。 制动能量回收的充分性：即在保证混合动力电动汽车制动安全性和稳定性 前提下，尽可能多的回收制动能量。混合动力电动汽车的再生制动能量回收能力 受动力电池s o c 、电机工作特性、充电的快慢等因素的影响。由于再生制动时常 存在过充电及急速充电等情况，使得电机和蓄电池工作条件变得复杂，因此提高 短时间内充电系统的充电效率是保证制动能充分回收的关键。 制动过程的平顺性：混合动力电动汽车制动时，电制动力矩作为辅助制动 力矩，减少了摩擦制动力矩，从而会影响制动踏板的和驾驶过程中的平顺性以及 液压制动容量的需求。因此需要对电制动力矩和液压摩擦制动力的大小进行优化 1 绪论 控制以使混合动力电动汽车的制动与常规汽车制动有着相似的制动感觉，并且保 证液压摩擦制动和电机再生制动系统协调控制，以提高制动安全性和平顺性。 1 5 本课题研究意义和主要内容 1 5 1 本课题的来源和研究意义 本课题是国家8 6 3 计划电动汽车重大专项课题“i s g 型中混合动力系统技术平 台研究开发”( 2 0 0 6 a a l l a l 0 7 ) 和国家自然科学基金项目“c v t 混合动力再生制动 理论研究与实验模拟”( 0 5 4 7 5 0 6 7 ) 的研究内容， 为了进一步提高混合动力汽车 的燃油经济性，真正做到再生制动能量合理回收，必须对现有燃油车辆的制动系 统进行相应的设计改进，以满足混合动力车辆再生制动的要求，本课题便在此背 景下提出的。 通过本课题的研究，提出了混合动力轿车综合液压制动系统的设计方案，并 对此方案进行了比较深入的仿真分析和探索，给混合动力轿车再生制动系统的开 发提供了理论依据；并提出了一种基于摩擦制动、再生制动、a b s 综合协调控制 在现有混合动力车辆上的可行性实现方案，具有较大的实践意义。 1 5 2 本课题的主要内容 本课题以前轮驱动的i s g 型混合动力长安轿车为应用对象，基于混合动力整 车制动力分配与制动系统压力协调控制策略，进行了混合动力轿车综合液压制动 系统的设计和探索，以满足车辆在不同制动模式下，对制动系统的压力协调控制。 其主要的研究内容如下： 参照传统汽车的制动力分配方法，建立了基于整车安全制动和高效能量回 收的混合动力汽车制动力分配策略和压力协调控制策略； 基于定比例制动力分配策略，进行了i s g 型混合动力轿车综合液压制动系 统设计和参数选择； 对所设计的电控液压制动系统的关键元件进行了性能分析、数学建模，并 利用a m e s i m 平台进行了性能仿真和参数优化分析； 在不同的制动工况( 电机单独制动、电液复合制动、液压摩擦制动) 下， 建立了电控液压制动系统动态模型，并进行了不同制动工况下的性能仿真和参数 优化设计； 将所设计的电控制动系统嵌入整车模型中，建立了基于a m e s i m 的电控制动 系统和s i m u l i n k 整车系统的联合仿真模型，为再生制动系统的优化与开发提供了 思路和方法。 9 重庆人学硕士学位论文 l53 样车配置和主要参数 奉论文研究的样车为i s g 型混台动力c v t 长安羚羊轿车，其混合动力系统如 图13 所不，系统类型为同轴型并联式轻度混合动力系统，其再生制动系统主要山 发动机、离舍器、i s g 电机、c v t 变速器、镍氢电池、摩擦制动液压系统和各子 系统控制器及整年控制器组成。整车参数和各部件参数如表11 所示。 发功机 拄$ 惮元 自台罄 i s g 龟机 无绒窘动 竖- 童器 圉13 i s g 型混台动力长安羚羊轿午基本结构组成示意圈 h g i3 c o m p o s i t i o nd i a g r a m o f h e v w i t h i s g ( s c 7 1 0 1 表ii 混台动力汽车整车和关键部什主要参数 旦坐! ! 堡竺竺p ! 竺璺竺堕里型 2 混合动力轿车电控制动系统设计 2混合动力轿车电控制动系统设计 混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 减速制动时，能将车辆动能或 位能通过带动电机发电，转化为电能储存到电池中，实现能量回馈( 再生制动) ， 并产生车辆所需的部分或全部制动力。因此再生制动是混合动力汽车实现低油耗 和低排放的重要措施。 混合动力汽车具有再生制动、组合制动和摩擦制动三种制动工作模式，为了 保证高效能量回收和制动安全，应确定合理的制动力分配和制动系统压力控制策 略及其实现方式。 2 1 混合动力轿车的制动力分配策略 对混合动力汽车来说，除了在各种制动工况下优先采用电机再生制动以实现 最大化能量回收以外，还应保证整车制动性能，满足混合动力汽车的制动力分配 和制动法规的要求。因此有必要研究混合动力汽车的制动力分配策略，实现电机 制动力、摩擦制动的最佳分配与控制。 根据制动时汽车方向稳定性可知： 制动时，若只有前轮抱死或前轮先抱死，汽车基本沿直线向前行驶( 减速 停车) ，汽车处于稳定状态，但丧失转向能力； 若后轮比前轮提前一定时间先抱死，且车速超过某一数值时，汽车在轻微 的侧向力作用下就会侧滑。 从保护汽车方向稳定性的角度出发，不能出现只有后轮抱