（机械设计及理论专业论文）纯电动汽车再生制动控制策略的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：耋却审 切f 年6 肖多日 指导教师签名：多f 杉 如f ，年6 月眸日 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 s t u d yo n c o n t r o ls t r a t e g yo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gf o r e l e c t r i cv e h i c l e 专业名称扭越逡让丛堡途 指导教师江送数援 姓名 奎垃 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 由于电动汽车具有污染低、对石油依赖程度小等优势，目前世界 各国都在致力于电动汽车的开发。作为其关键技术之一的再生制动系 统，可将摩擦制动消耗的能量部分回收再利用，能够有效提高车辆的 能量利用率、延长车辆续驶里程、节约有限的石油资源，同时减轻制 动系统过早的磨损、延长制动器的使用寿命、减少汽车使用成本。 本文以前轮驱动纯电动汽车为研究对象，主要完成了以下几点工 作： 纯电动汽车驱动系统的设计：锂电池组为动力源，超级电容回收 制动过程中的能量。 纯电动汽车再生制动系统的设计：在满足再生制动系统设计原则 的基础上，综合考虑系统的比能量、比功率、使用寿命和成本等因素， 采用超级电容和锂电池组并联的方式，并引入线控技术来精确调节前、 后轮液压制动力的大小。 综合考虑e c e 法规、制动稳定性和能量回收率，提出了一种复合 分段再生制动系统控制策略。利用m a t l a b s i m u l i n k 软件，结合不同的 循环工况，从理论上对能量的回收率进行研究，来评价控制策略的合 理性。 搭建了永磁无刷直流电机再生制动试验台，运用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了电机再生制动仿真模型，通过仿真和试验相结合的方式来 验证永磁无刷直流电机在再生制动系统中运用的可行性。 关键词：纯电动汽车，再生制动，控制策略，试验台 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 a n ds m a l ld e g r e eo f d e p e n d e n c yu p o np e t r o l e u mf e a t u r i n ge l e c t r i c a lv e h i c l e ，a l lt h ec o u n t r i e s o v e rt h ew o r l da r ed e v o t e dt ot h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e a so n e o ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ，r e g e n e r a t i v eb r a k es y s t e mc a nr e c o v e ra n dr e c y c l e p a r to ft h ee n e r g yc o n s u m e dt h r o u g hf r i c t i o nb r a k e ，e n h a n c i n ge f f i c i e n t l y t h ee n e r g y u t i l i t yr a t i o ，e x t e n d i n g v e h i c l em i l e a g e ，a n ds a v i n gf i n i t e p e t r o l e u mr e s o u r c e sw h i l ea tt h es a m et i m ea l l e v i a t i n gp r e m a t u r ea b r a s i o n o fb r a k es y s t e m ，l e n g t h e n i n gt h es e r v i c el i f eo fb r a k ea n dr e d u c i n gc o s t w i t hf r o n t - w h e e le l e c t r i c a lv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i sp a p e r m a i n l yf o c u s e su p o n t h ef o l l o w i n gw o r k ： t h ed e s i g no fe vd r i v es y s t e m ，l i i o nb a u e r i e ss e r v e sa st h ep o w e r s o u r c e ，a n du l t r ac a p a c i t o rr e c o v e r st h ee n e r g yd u r i n gt h eb r a k ep r o c e s s t h ed e s i g no fr e g e n e r a t i v eb r a k es y s t e mi ne v , b u i l to nt h ed e s i g n p r i n c i p l e sf o rt h er e g e n e r a t i v eb r a k es y s t e m ，s h o u l dc o n s i d e ra l lt h ef a c t o r s ， f o re x a m p l e ，s p e c i f i ce n e r g y , s p e c i f i cp o w e r ，s e r v i c el i f e ，c o s ta n ds oo n ， a d o p t i n gt h eu l t r ac a p a c i t o r a n dl i - i o nb a t t e r i e s p a r a l l e ls y s t e ma n d i n t r o d u c i n gb b wt e c h n i q u et op r e c i s e l yr e g u l a t eh y d r a u l i cb r a k i n gf o r c e o ff r o n ta n dr e a rw h e e l st oac e r t a i ne x t e n t t a k i n ge c er u l e s a n dr e g u l a t i o n s ，b r a k i n gs t a b i l i t ya n de n e r g y r e c o v e r yr a t ei n t oa c c o u n t ，t h ep a p e rp r o p o s e sc o m p o u n da n ds e g m e n t e d r e g e n e r a t i v e b r a k ec o n t r o l s t r a t e g y , w i t hr e s p e c t t od i f f e r e n t c y c l e c o n d i t i o n s ，c a r r y i n g o nt h er e s e a r c ho nt h e e n e r g yr e c o v e r y r a t e t h e o r e t i c a l l ya n de v a l u a t i n gr e a s o n a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yb yv i r t u e o fm a t l a b s i m u l i n k r e g e n e r a t i v eb r a k et e s tb e n c ho fp e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd c m o t o rh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，o nw h i c hm a t l a b s i m u l i n ki sa p p l i e dt oe l e c t r i c m a c h i n er e g e n e r a t i v eb r a k es i m u l a t i o nm o d e lt e s t i f y i n gt h eu t i l i z a t i o n 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 f e a s i b i l i t y i nt h er e g e n e r a t i v eb r a k es y s t e mo ft h e p e r m a n e n tm a g n e t b r u s h l e s sd cm o t o rb ym e a n so ft h e i n t e g r a t i o no fs i m u l a t i o nw i t h e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：e 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 a k e ，c o n t r o ls t r a t e g y , t e s t b e n c h 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 课题研究背景与意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 课题研究状况。4 1 2 1国外再生制动领域的研究状况5 1 2 2国内再生制动领域的研究状况。7 1 3 课题研究的主要内容9 第二章制动系统特性分析。一一一。一。一。一。一。一一一1 0 2 1 车轮制动动力学分析。1 0 2 2 前、后轴制动器制动力分配关系1 1 2 2 1 理想的前、后轴制动器制动力分配曲线1 1 2 2 2 实际的前、后轴制动器制动力分配曲线1 3 2 3 本章小结1 4 第三章 电动汽车再生制动系统结构方案研究一。一。一。1 5 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章 再生制动系统设计原则1 5 纯电动汽车驱动系统设计1 5 纯电动汽车再生制动系统结构分析1 7 3 3 1 再生制动系统结构方案研究1 7 3 3 2 再生制动系统储能装置的选择1 8 3 3 3 纯电动汽车再生制动系统结构方案设计2 0 本章小结2 0 电动汽车再生制动控制策略研究 2 1 4 1 典型再生制动控制策略2 1 4 1 1 最佳制动能量回收控制策略2 1 4 1 2 理想制动力分配控制策略2 2 4 1 3 并行制动能量回收控制策略2 3 4 2 纯电动汽车再生制动控制策略2 4 4 2 1 满足e c e 法规的纯电动汽车制动力分配系数。2 4 4 2 2 再生制动力分配曲线2 6 4 2 3 控制策略流程图2 9 4 2 4 能量回收过程分析2 9 4 3 再生制动系统液压制动力精确控制的实现3 0 4 3 1 电液比例控制系统结构及工作原理3 0 4 3 2 电液比例电磁阀对液压缸液压力的控制3 2 4 4 本章小结3 3 v 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 第五章再生制动系统建模与仿真分析 矿 5 1 再生制动系统模型- 3 4 5 1 1 车辆动力学模型3 4 5 1 2 电机模型3 5 5 1 3 电池模型3 7 5 1 4 超级电容模型3 8 5 1 5 制动模型3 9 5 2 制动性能的评价指标。4 1 5 2 1 常规制动性能的评价。4 1 5 2 2 再生制动性能的评价4 2 5 3 仿真与分析4 3 5 3 1 常规制动仿真4 3 5 3 2 常规制动仿真结果分析5 0 5 3 3循环工况仿真5 0 5 3 3 循环工况仿真结果分析5 2 5 4 本章小结。5 3 第六章再生制动系统台架试验研究。一5 4 6 1再生制动试验台的搭建5 4 6 1 1 永磁无刷直流电机再生制动系统实验台的设计5 4 6 1 2 试验台的控制策略5 7 6 1 3电机再生制动试验5 8 6 2 试验与仿真对比分析6 0 6 3 本章小结6 2 第七章结论。一一。6 3 7 1 总结6 3 7 2 创新6 3 7 3 展望6 4 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的论文 v i 6 5 6 8 6 8 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1研究背景 具有“改革世界的机器”之称的汽车，在诞生的这一百多年里，使人们的生 活与思维方式发生了极大的转变，为人类文明做出了巨大贡献，汽车已成为人们 生产和生活中不可或缺的交通运输工具。然而，汽车工业在推动人类社会向前发 展的同时，也带来了很大的负面影响：如温室效应、噪音、能源危机和环境污染 等等。面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，寻求社会、经济与资源、环境 相互促进与协调发展的可持续发展模式正在成为世界性潮流【1 1 。 进入2 1 世纪以来，能源和环境对人类生活和社会发展影响越来越大，要求改 善人类生存环境的呼声日渐高涨，开发更节能、更环保的新能源汽车成为当今汽 车工业的首要任务。为了适应这一形势，世界各国以及大的汽车公司都致力于新 能源汽车的开发，如纯电动、混合动力、燃料电池汽车，其中纯电动汽车被称为“绿 色环保车”，最具有产业化和市场前景，越来越受到世界各国的重视。我国在“十一 五”期间，为了支持电动汽车的发展，国家制定了相应的补助政策。财政部、科技 部联合发出节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法，针对公共 服务领域购车进行一定的补贴同。 目前，在电动汽车的研究中，如何提高能量的储备和利用率，是所有研究中 比较重要的两个方面。能量储备问题主要集中在电池上，从目前技术发展趋势来 看在短期内很难有重大突破，在电动汽车产业化的进程中如何提高能量利用率成 为一个关键问题。电动汽车最突出的优点就是能够实现再生制动能量的回收，即 在电动汽车制动或减速时，汽车行驶的惯性能量通过传动系传递给电机，使电机 工作在发电状态，为动力电池充电，实现制动能量的再生利用，从而降低了电动 汽车的能耗，延长电动汽车续驶里程和制动器的使用寿命【3 】。 本文的研究工作正是基于上述大环境下开展的，主要围绕纯电动汽车再生制 动系统进行研究。 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 1 1 2 研究意义 再生制动又称制动能量回收，当车辆减速制动( 或下长坡) 时将车辆的部分 动能转化为电能，存储在能量存储装置中，最终增加电动汽车的续驶里程【4 】。 再生制动系统的主要结构如图1 1 所示：由驱动轮、主减速器、变速器、电动 机、电池、a i c d c 转换器、d c d c 转换器、再生制动控制器以及传感器组成。 图1 1 再生制动系统原理图 f i g1 1p r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m 汽车在制动过程中，根据驾驶员的制动意图，由制动控制器计算汽车需要的 总制动力，根据制定的制动力分配控制策略计算电机应该提供的再生制动力，电 机控制器计算需要的电机电枢中的制动电流，通过一定的控制方法使电机跟踪需 要的制动电流，以此来提供再生制动力矩，在电机的电枢中产生的电流经枷c 整流再经d c d c 控制器反充到蓄能装置中。 再生制动是电动汽车所特有的，传统汽车的制动是通过制动盘与制动钳或制 动鼓与制动蹄之间的摩擦力来实现的。在此过程中，整车动能或势能通过摩擦以 热量的形式消耗，造成大量的能量浪费。电动汽车采用再生制动系统可获得以下 几方面的好处【3 】： ( 1 ) 回收利用车辆制动时以摩擦生热的形式消耗的动能或势能，可显著提高 整车经济性，延长电动汽车的续驶里程。 ( 2 ) 在能量回收过程中，电机产生全部或部分制动力，减少了制动器摩擦副 表面产生的热量，提高了制动器抗热衰退性能，甚至可以避免汽车下长坡长时间 制动时引起的制动器失效，大大提高制动时的安全性。 ( 3 ) 当车辆制动强度较低时，可仅靠再生制动力来制动，从而减少了车轮和 摩擦片的磨损，降低制动器摩擦片的更换频率，减少了车辆的维修保养费用。 2 江苏大学硕士学位论文 由制动动力学理论可知：车辆制动时的主要行驶阻力包括制动器产生的车轮 与地面之间的制动力、空气阻力和滚动阻力。在城市循环工况中，车速较低，空 气阻力和轮胎滚动阻力对车辆制动的作用较小，车辆制动主要依靠制动器产生的 制动力，实现停车或减速作用。图1 2 给出了各种制动因素的比例关系，可以看出： 制动时制动器消耗的惯性能量约占9 1 ，轮胎和空气因素只占9 。而消耗在制动 器上的惯性能量是可以进行回收的。这也是电动汽车和传统汽车的一个重要区别。 如果能够有效地将这部分损失的能量回收利用，电动汽车的续驶里程将得到大大 提高。 制动系统摩擦阻力 图1 2 车辆制动过程主要受力的组成 r i g 1 2b r a k i n gp r o c e s so f t h ec o m p o s i t i o no ft h em a i nf o r c e 在城市循环工况下，由于交通拥挤，车速不高且经常变化，需要车辆频繁的加 速和制动，造成大部分牵引能量在制动过程中以制动系统摩擦发热的形式消耗掉。 通过对一些典型城市循环工况下整车牵引能量和制动能量的计算 5 - 6 1 ，可得到制动能 量占整车有效牵引总能量的比例，各种典型驱动循环下的计算结果与比较见表1 1 。 表1 1 典型循环下整车牵引能量和制动能量分析 t a b 1 1a n a l y s i so ft y p i c a lc y c l ee n e r g yv e h i c l et r a c t i o na n db r a k i n ge n e r g y 3 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 由表1 1 可得以下结论：在不同城市循环工况下，制动工况消耗的能量约占整 车牵引总能量的3 1 6 6 。如果能找到一种行之有效的方法回收这部分由制动 工况所消耗的能量，并加以合理的利用，可显著提高整车能量利用率，降低整车 的能耗。 总之，应用再生制动技术有助于提高电动汽车的能量利用率，延长续驶里程， 同时减轻制动器的热负荷，减少磨损，提高行驶的安全性和使用的经济性，是电 动汽车开发的关键技术之一。开展再生制动的理论和实验研究，不仅有重要的学 术价值，同时对应对全球能源和环境污染问题具有重要的实际意义。 1 2 课题研究状况 国内外对电动汽车再生制动的研究已经开展了几十年，研究领域主要集中在 以下几个方面【7 嘲： ( 1 ) 再生制动过程中整车制动综合建模与仿真； ( 2 ) 再生制动过程中储能系统；电机发电机和c v t 的性能及控制方法； ( 3 ) 回收制动能量的方法和效率； ( 4 ) 电机及其控制器的集成控制技术； ( 5 ) 再生制动控制策略； ( 6 ) 再生制动、摩擦制动与a b s 的综合协调控制。 电动汽车加入再生制动系统后呈现出两个基本问题【9 】： ( 1 ) 如何在前、后轴上分配总制动力，以实现汽车制动稳定性。为提高能量 回收率，须控制牵引电动机产生特定量的制动力。同时，应控制传统制动系统满 足由驾驶员给出的制动指令。 ( 2 ) 如何在再生制动和传统制动之间分配所需的总制动力，以便提高能量回 收率。 目前有关再生制动与液压制动协调工作的制动系统研究，根据制动力分配模 式不同，可将制动能量回收系统分为并联式制动能量回收系统和串联式制动能量 回收系统。其制动力分配模式分别如图1 3 和图1 4 所示。 4 江苏大学硕士学位论文 制动踏板力制动踏板力 图1 3 并联式制动力分配模式图1 4 串联式制动力分配模式 f i g 1 3p a r a l l e lm o d eo fb r a k i n g f o r c e s f i g 1 4s e r i e sm o d eo fb r a k i n gf o r c e s d i s t r i b u t i o nd i s t r i b u t i o n 并联式制动力分配模式中，前后制动器制动力按照固定的比例分配目标制动 力，在不超过前轮最大制动力的前提下电机输出制动力，其大小与目标制动力成 一定比例。串联式制动力分配模式中，驱动轮的制动力由电机制动力和制动器制 动力共同组成，电机制动力占主要地位，剩余部分由制动器制动力提供。 1 2 1国外再生制动领域的研究状况 再生制动技术最早应用于电力机车，应用次技术后，机车显著提高了能量利 用率。上世纪6 0 年代起，工程师们不断尝试将再生制动技术应用于电动汽车，到 上世纪8 0 年代再生制动技术有了进一步的发展【1 0 l 。至今国外在理论研究和实际应 用方面均取得了一定成果。 ( 1 ) 理论研究 美国的y t m i ng a o 、h o o ny e o 、m e h r d n de h s a n i 等提出了评价制动能量回收效 率的制动力分配控制策略【1 1 。1 4 】，并在城市循环工况下对中度混合动力汽车进行了 仿真分析。结果如下表所示。 表1 2 四种控制策略性能对比 t a b 1 2p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ff o u rc o n t r o ls t r a t e g i e s 5 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 ( 2 ) 实验与仿真 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， 仿真计算了再生制动的效果，对比分析了各种影响因素【1 5 l ：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【垌。另外，美国福特研究所，日本交通研究所以及荷兰e i n d h o v e n 大学等 研究机构都对再生制动系统进行了大量的研究。 ( 3 ) 实车应用 目前已成功应用再生制动系统的车型主要有：丰田公司p r i u s 、e s t i m a ，本田 公司i n s i g h t 、e vp l u s ，福特公司的混合动力款的e s c a p e 等。 丰田混合动力汽车p r i u s 的再生制动系统利用电、液比例控制单元来调节液压 制动力，实现再生制动与摩擦制动的综合控制。搭载丰田h t s i i 混合系统的车辆， 在满足制动安全性的前提下利用再生制动技术可回收2 0 以上的能量。丰田公司 在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，通过c v t 控制，提高了能量回收率。 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 d s t a r t e rg e n e r a t o r ，集成启动电机) 、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的再生制动系统。通过该系统，实现了混合动力汽车制 动能量的高效回收。本田公司还在其开发的e vp l u s 纯电动汽车上基于能量回收最 大化、驾驶员制动感觉以及能量的较大回收并兼顾驾驶员的制动感觉这三种再生 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【1 7 1 。结果 表明，各控制策略都能够达到预期的效果，为实现混合动力汽车或纯电动汽车再 生制动系统的个性化提供了基础。 美国福特公司混合动力款汽车e s c a p e 采用了线控再生制动技术，以电子系统 和机械制动器代替机械及液压制动系统，将驾驶者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、汽车制动方向稳定性和汽 车舒适性。 世界其他各大汽车公司也开始大力发展电动汽车：通用、戴克、大众、雪铁 龙、雷诺和宝马等公司开发了数十款电动汽车，并即将推向市场，为研究再生制 动技术提供了必要条件。与此同时，电动商用车也得到了快速发展，特别是各种 电动公交车。而结合再生制动与a b s 控制功能的混合动力客车技术也愈加成熟。 6 江苏大学硕士学位论文 其中最具代表性的是在纽约投入示范运行的o r i o nb u sv i 客车、n o v ab u s 客车、 日野h i m r 客车以及m a e 公司开发的低地板串联混合动力客车。 总之，国外在再生制动领域的研究已日趋成熟，一些已经量产的电动汽车都 普遍采用再生制动系统。 1 2 2 国内再生制动领域的研究状况 国内的再生制动技术研究起步相对较晚。2 0 0 1 年，科技部启动“十五”国家电 动汽车重大科技专项。近几年来随着国内电动汽车技术的突飞猛进，再生制动领 域研究处于蓬勃发展时期。国内各高校、汽车厂商、科研院所都在这一领域进行 了研究，并取得了一定成果。但是大部分研究都处于理论分析和建模仿真阶段， 实用车型不多，表1 3 是国内再生制动研究现状的总结【1 s - 2 9 l 。 与国外相比，国内对电动汽车再生制动系统的研究，在以下方面还有待深入： 再生制动能量管理和控制策略：根据电动汽车不同行驶工况、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电动汽车综合制动动力学模型。 基于整车综合制动动力学仿真的综合优化：在对电动汽车进行综合制动动力 学仿真基础上，如何通过对再生制动过程中电池、电机工作过程中的变化规律和 相互关系分析，实现基于最高制动能量回收率的各子系统工作参数的综合控制； 如何通过对多工况条件下制动性能与制动能量回收率的分析和评价，实现制动能 量分配控制策略的优化。 再生制动系统的实验模拟、匹配控制和综合评价：如何构建能反映车辆行驶 状态的电动汽车再生制动系统的物理模拟环境，并对再生制动系统进行参数匹配 和性能优化；如何根据再生制动系统的实验模拟，提出科学合理的电动汽车再生 制动综合性能的测试与评价方法。 7 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 表1 3 国内再生制动控制策略研究现状 t a b 1 3r e g e n e r a t i v eb r a k i n g6 0 n t r o ls t r a t e g i e so ft h ed o m e s t i cs i t u a t i o n 8 江苏大学硕士学位论文 1 3 课题研究的主要内容 本文以某型号前驱微型电动汽车为研究对象，在借鉴国内外学者研究的基础 上，主要研究与探讨了以下内容： 1 再生制动系统结构的设计。首先设计了再生制动系统的驱动系统；其次对 比了各种储能形式，分析了车辆结构形式对再生制动控制系统和能量回收率的影 响；最后确定以超级电容和锂电池组相互独立的串联结构形式作为再生制动系统 的结构方案。 2 再生制动系统控制策略的制定。提出了适合本文研究的电动汽车的再生制 动控制策略，并给出了控制流程图和能量回收逻辑图，引入线控系统来实现液压 制动力在动态条件下的精确调节，为今后的试车试验研究提供依据和参考。 3 车辆在不同工况下的仿真研究。运用s i m u l i n k 软件建立了电动汽车整车再 生制动控制模型，分别选择常规工况和城市循环工况对再生制动系统的性能进行 仿真，并将本文的控制策略与经典的并行制动控制策略进行对比，验证控制策略 的有效性。 4 再生制动系统台架试验研究。以永磁直流无刷电机为研究对象，搭建了再 生制动试验台，依据再生制动控制策略进行了相关研究。首先通过电机性能试验 验证了电机的发电特性，然后根据所提出的再生制动控制策略进行了电机再生制 动试验与仿真，并对试验和仿真结果进行了对比分析，验证了电机模型的正确性。 9 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 第二章制动系统特性分析 电动汽车制动系统多采用再生制动和机械制动相结合的方式，因此在研究再 生制动系统之前需要先了解汽车机械制动时的有关特性。 2 1 车轮制动动力学分析 图2 1 给出了在良好的硬路面上制动时车轮的受力情况嗍： 衫、 lt 。7 i 乙耳 f 、k ： l 狳。 r i y e 图2 1 车轮在制动时的受力情况 f i g 2 1f o r c ea n a l y z eo fw h e e lw h i l eb r a k i n g ! 时的惯性力、惯性力偶矩均忽略不计。图中l 是车轮制动 览制动盘相对滑转时的摩擦力矩( n m ) ；是地面制动力 蓖荷( n ) ；乙为车轴对车轮的推力( n ) ；e 为地面对车轮 由力矩平衡可以得到地面制动力为： ：孕 ( 2 1 ) ， m ) 。 ：车制动减速行驶的外力，取决于两个摩擦副的摩擦力：一 片与制动鼓或制动盘间的摩擦力，一个是轮胎与地面间的 ! 在轮胎周缘为了克服制动器摩擦力矩所需要的力。 巴：孕 ( 2 2 ) r 江苏大学硕士学位论文 由式( 2 2 ) 可知，制动器制动力仅由制动器结构参数决定，即取决于制动器 的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数以及车轮半径，并与制动踏板力， 即制动系的液压成正比。 2 2 前、后轴制动器制动力分配关系 对于一般汽车而言，根据其前、后轴制动器制动力的分配、载荷情况及道路 附着系数和坡度等因素，当制动器制动力足够时，制动过程可能出现如下三种情 况，即： 1 ) 前轮先抱死拖滑，然后后轮抱死拖滑； 2 ) 后轮先抱死拖滑，然后前轮抱死拖滑； 3 ) 前、后轮同时抱死拖滑。 情况1 ) 是稳定工况，但在制动时汽车丧失转向能力，未充分利用附着条件； 情况2 ) 中，后轴可能出现侧滑，是不稳定工况，附着利用率也低；而情况3 ) 可以 避免后轴侧滑，同时前轮转向时只在最大制动强度下才使汽车失去转向能力，较 之前两种工况，附着条件利用情况较好，对汽车制动性能的发挥，制动时的稳定性 和转向能力均有利。 下面以本文所研究的超微型纯电动汽车为例，分析其液压制动系统在满载和 空载两种情况下，理想的前、后轴制动器制动力和实际的前、后轴制动器制动力 分配情况。 2 2 1理想的前、后轴制动器制动力分配曲线 图2 2 为车辆在水平路面制动时受力简图【3 0 l ： 图2 2 制动时车辆受力图 f i g 2 2f o r c ea c t i v eo fv e h i c l ew h i l eb r a k i n g 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 制动时，汽车的前、后轴荷会发生变化。制动过程中前、后轴所受的地面法 向反作用力为： 易= g p + 噍) l ( 2 3 ) 巴= g 一巩) l ( 2 4 ) 式( 2 3 ) ( 2 4 ) 中，易为前轮所受地面法向反力( n ) ；l 为后轮所受地面 法向反力( n ) ；g 为汽车所受的重力( n ) ；j i 。为汽车质心高度( m ) ；l 为轴距( m ) ； 口为质心到前轴的距离( m ) 6 为质心到后轴的距离( m ) z 为制动强度，z = 警g ( 材为车速，f 为时间，g 为重力加速度) 。 在不同附着系数够的路面上制动，前、后轮都抱死时( 不论是同时抱死还是分 别先后抱死) ，此时瓦d u = c g ，地面作用于前、后轮的法向反作用力分别为： 乃= g ( b + f o h g ) l ( 2 5 ) e = g 一巩) 三 ( 2 6 ) 由前面的分析知：在任何附着系数为p 的路面上，前、后车轮同时抱死的条件 是前、后轮制动器制动力之和等于附着力，并且前、后轮制动器制动力分别等于 各自的附着力，即： l q 七f 曩= p g 2 fi l = 啦唾 f 。= c f = ( 2 7 ) 式中，已r 和分别为前、后制动器制动力( n ) ，将式( 2 5 ) ( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) 并消去矽可得： 兄= 采f 甄一睁巧 由式( 2 8 ) 画出的前、后轮制动器制动力分配曲线即为理想的前、后轮制动器 制动力分配曲线( i 曲线) 。代入整车参数，可得到空载和满载时的理想制动力分 配曲线，如图2 3 所示。 1 2 江苏大学硕士学位论文 图2 3 空载和满载时j 曲线 f i g 2 3ic u r v eo fn o l o a da n df u l l 2 2 2 实际的前、后轴制动器制动力分配曲线 如果汽车的前、后轴制动力始终都能按照，曲线分配，那么无论在何种路面 上制动时，前、后轴车轮总可以同时抱死。然而这需要对制动系统的硬件提出很 高的要求。由于技术和成本的因素，目前国内不少车辆的前后制动器制动力的比 值为一固定值。常用前制动器制动力与汽车总制动器制动力之比来表明分配的比 例，称为制动器制动力分配系数，并以符号表示，即： ：生：j l ( 2 9 ) e巳+ 巴 纯电动汽车液压制动系统装有比例阀，可通过调节前、后制动器液压缸压力 来调节前、后制动器制动力，其制动力分配系数= 0 8 0 。电动汽车实际前、后制 动器制动力分配曲线如图2 4 所示，简称线 3 0 l 。 另外，同步附着系数是反映汽车制动性能的一个重要参数，由汽车的结构 参数决定。在图2 4 中线与，曲线交点处的附着系数即为同步附着系数。由解析 法可得： 缟：掣 ( 2 1 0 ) 缟2 二- 一 毕 n s 将参数带入式( 2 1 0 ) 计算得，满载时= 0 8 7 7 ，空载时= 0 7 1 3 。解析法计 算所得的数值与图2 4 中线与，曲线交点处的附着系数值是一致的。 1 3 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 图2 4 b 线与，曲线 f i g 2 4 卢a n dic u r v e 结合汽车理论和由图2 4 可知，纯电动汽车满载时，在附着系数矽 0 8 7 7 的路面制动，后轮先于前轮抱死。也就是说满载时电动 汽车在附着系数矽 0 8 7 7 的路面制动不会出现后轮先抱死的不稳定制动工况，但 不能充分利用地面附着力，影响车辆的制动效果。 同理可知汽车空载时在附着系数矽= 0 7 1 3 的路面制动前、后轮同时抱死，可 充分利用地面附着力，在其他附着系数路面制动时均不能充分利用地面附着力， 影响车辆的制动效果。 2 3 本章小结 本章从制动动力学方面入手，对汽车液压制动的整个过程加以分析，重点研 究了满载和空载两种情况下制动系统的前、后轴制动力分配问题，为后续章节分 析电动汽车再生制动系统提供理论依据。 1 4 再生制动系统是电动汽车关键技术之一，本章主要内容就是结合纯电动车本 身的结构特点，制定一套合理的再生制动系统结构方案，为下章再生制动控制策 略的提出打下基础。 3 1再生制动系统设计原则 再生制动系统工作时，受诸多条件的制约，很难保证在任何情况下都可以进 行安全有效的制动，尤其在紧急制动和大强度制动时必须与传统的机械制动系统 相配合才能实现有效的制动。电动汽车再生制动系统应遵循以下设计原则： ( 1 ) 对原车机械制动系统改动小，增加再生制动系统后不影响汽车原机械制 动系统的正常工作，保证整个制动系统能稳定工作。此外，当再生制动系统处于 失效模式时，机械制动系统仍可单独承担制动任务，保证汽车制动效能； ( 2 ) 为实现车辆制动稳定性，必须合理分配前后车轮上的制动力。在驱动轴 上增加再生制动系统后，新的前后轴制动力分配关系仍能满足e c e 制动法规的相 关规定，以保证汽车制动效能及制动稳定性； ( 3 ) 制动过程中，不应引起过大的制动冲击，尽可能使驾驶员制动时感觉与 传统汽车制动相一致，保证驾驶员和乘员的舒适性； ( 4 ) 在保证制动安全性与稳定性的前提下，应用合理的再生制动控制策略， 实现制动能量回收的最大化； ( 5 ) 制动系统要具有一定的制动脚感，符合相关法律法规的要求，如g b7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件等。 3 2 纯电动汽车驱动系统设计 电动汽车的驱动系统主要包括电动机、动力电池、传动系和控制系统四部分。 其中，机械传动部分因电动汽车结构形式的不同而不同。最大的区别就在于对传 统的机械传动部件保留的多少。布置方式越高级，传统燃油汽车的机械传动部件 保留得越少，电动汽车的优势就越明显f 3 1 1 。 本课题研究的纯电动汽车只设主驾驶和副驾驶两个座位，用途为城市代步车 辆( 前轮驱动) 。动力系统采用永磁无刷直流电机和锂离子动力电池组，锂离子动 1 5 纯电动汽车再生制动控制策略的研究 力电池组的主要功能是为驱动电机提供电能，通过电池管理系统采集电池的动态 及静态参数，均衡电池组的充放电电压，对电池组起到保护作用。永磁直流无刷 电机与锂离子电池组之间的能量流动由控制器进行调节。制动系统为型双回路 液压制动。 整车的驱动系统和主要附件布置方案如图3 1 所示。 1 6 图3 1 驱动系统示意图 f i g 3 1s t r u c t u r eo fd r i v es y s t e m 纯电动汽车基本参数如表3 1 所示。 表3 1 纯电动汽车基本参数 t a b 3 1e l e c t r i cv e h i c l eb a s i cp a r a m e t e r s 满载质量( k g ) 8 0 0 轴距( m m ) 1 7 7 0 空载质量( 1 【g ) 6 5 0 轮距( m m ) 1 3 3 0 3 8 0 3 7 0 ( 满载) 轴荷分配( 前后) ( 1 【g ) 3 1 5 2 8 5 ( 空载) 2 8 0 0 x 1 4 5 0 x 1 5 0 0 ( 满载) 外形尺寸( 长宽高) ( r a m ) 2 8 0 0 x 1 4 5 0 x 1 5 3 0 ( 空载) 6 0 0 ( 空载) 质心高度( 衄) 5 6 0 ( 满载) 7 9 0 9 8 0 ( 空载) 质心到前后轴的距离( m m ) 8 7 0 9 0 0 ( 满载) 额定功率峰值功率p k w 5 1 5 电机 额定扭翘峰值扭矩t n m 2 0 厂7 0 基速最高转速n m i n 2 5 0 0 5 0 0 0 江苏大学硕士学位论文 额定电压u v 8 0 额定容量q a h 1 6 0 电池组 总能量0 k w h 1 2 4 8 总功率p k w 3 2 5 初始电压u v 1 5 超级电容 本征电容c 腰 4 0 主减速比i o 6 3 传