（车辆工程专业论文）cvt混合动力汽车再生制动系统的研究与仿真.pdf

硕士学位论文 摘要 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 ) 技术是当前解决能源短缺和 环境污染问题切实可行的技术之一。再生制动作为混合动力汽车的关键技术之一， 其目的是对车辆制动或减速时的机械能进行回收再利用。本文以长丰c f a 6 4 7 0 e 搭载c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 的混合动力汽车为研究对象，对 其再生制动系统进行了深入的理论分析和仿真研究。 论文阐述了研究混合动力汽车再生制动系统的现实意义，以及我国在这一领 域与国外的差距，并对本文所研究的c v t 混合动力汽车的基本架构和动力总成的 工作原理进行了分析。从能量回馈的原理、再生一摩擦制动系统的结构、控制理论、 影响因素等几个方面入手，对制动系统进行了全面、详细、深入的剖析，为控制 策略的制定提供了丰富的现实基础。 以车辆动力学理论为基础，对混合动力汽车的制动过程进行了分析。参照传 统汽车的制动力分配方法，阐述了基于理想制动力分配曲线的和基于比例的两种 不同的混合动力汽车制动力分配控制策略，并对c v t 的控制提出了要求，在进行 分析与比较后采用了易于实现的后者。以能量传递为主线，在m a t l a b s i m u l i n k 仿 真环境下，建立了混合动力汽车再生制动系统的仿真模型，包括车轮、变速器等 动力传动系统的数学模型、发动机以及电机的数值模型和电池的开路电压一内阻模 型。随后，对选定的贴近实际的典型城市循环工况进行了统计性分析，并对制动 工况进行了理论计算。为评价混合动力汽车再生制动系统能量回收的效能，以分 析制动能量流动状况为基础，将制动能量回收率作为评价指标，并进行了仿真。 在将得到的一系列仿真数据和曲线进行分析后，可以得出结论，采用本文所 论述的基于比例的制动力分配控制策略整车能够以较高的效率回收制动能量，由 此可为实车综合控制策略的制定提供参考，并可以对将来的台架以及实车试验给 予一定的指导意义。 关键词：混合动力汽车；再生制动；制动力分配；建模；仿真 i i c v t 混合动力汽车再生制动系统的研究与仿真 a b s t 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 ) t e c h n o l o g yi sa na v a i l a b l ew a yt os o l v et h e p r o b l e m so fl a c ko fe n e r g ys o u r c ea n dp o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t r e g e n e r a t i v eb r a k i n g i so n eo fk e ya n da d v a n c e dt e c h n i q u e sf o rh e v w h e nh e vi sb r a k i n go rd e c e l e r a t i n g ， i tw i l lr e c o v e ra n dr e u s et h em e c h a n i c a l e n e r g y t h ef o c u so ft h i sp a p e ri so n c h a n g f e n gc f a 6 4 7 0 eh e vw i t hc o n t i n u o u s l yv a “a b l et r a n s m i s s i o n ( c v t ) t h e d e e p l yt h e o r e t i c a lr e s e a r c h i n ga n ds i m u l a t i o na r ec o m p l e t e d t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sh a v ei m p o r t a n tr e l a t i o nt ot h es t r u c t u r eo ft h eh e v a t f i r s t ，t h ep r e s s u r ea n di m p o n a n c eo fs t u d y i n gr e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e mo fh e v a r e e x p a t i a t e d ， a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e no u r c o u n t r ya n do v e r s e a si n t h i sf i e l di s p r e s e n t e d t h e nt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ev e h i c l ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ep o w e r a s s e m b l yc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d b a s e do nt h a t ，t h eb r a k i n gs y s t e mi sa l s o a n a l y z e de n t i r e l ya n dt h o r o u g h i y ，i n c l u d i n gi nt h ep r i n c i p l eo fe n e r g yr e c o v e r y 、t h e c o n f o r m a t i o no ft h er e g e n e r a t i v e - f r i c t i o ns y s t e m 、c o n t r o l t h e o r y 、 i n n u e n c i n gf a c t o r s a n ds oo n a c c o r d i n gt o v e h i c l ed y n a m i c st h e o r y ， t h ep r o c e s so fb r a k i n gi s a n a l y z e d r e f e r e n c et ot h eb 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 i e so fc o n v e n t i o n a lv e h i c l e ，t w o k i n d so fs t r a t e g i e sf b rt h eb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o na n dc o n t r o lo fh e v i sp r o p o s e d o n eo ft h e mi sb a s e do np e r f e c tb r a k i n gd i s t r i b u t i o nc u r v e ，a n dt h eo t h e ri sd o n eb v p r o p o r t i o n c o m p a r e dt ot h e m ，t h el a t t e ri se a s yt oi m p l e m e n to b v i o u s ly o t h e r w i s e ， t h ep a p e rg i v e ss o m er e q u i r e m e n t st ot h ec o n t r o lo fc v t am o d e lf o r t h e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m o fh e vi sb u i l ti n m a t l a b s i m u l i n ks i m u i a t i o n e n v i r o n m e n t ，w h i c hi sb a s e do ne n e r g yt r a n s f e r i ti sc o m p o s e do fm a t h e m a t i c a l m o d e lo f p o w e rt r a i n ，n u m e r i c a lm o d e lo fe n g i n e 、m o t o ra n db a t t e r ym o d e l t h e nt w o t y p i c a lc i t yc y c l e sa r ec h o s e nf b r t h em o d e l ，s t a t i s t i cd a t aa n da n a l y s i sa r eg i v e n t h e c o e f f i c i e n to fr e c o v e r yi sp r o p o s e da sap e r f b r m a n c ei n d e xf o rt h ee n e r g yr e s u l t s t h e s y s t e ms i m u l a t i o ni sc o m p l e t e di nt h ec y c l e s f i n a u y ， a nt h es i m u l a t i o nd a t aa n dc u r v e ss h o wt h a t r e g e n e r a t i v eb r a k i n g d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g yc a na s s u r eh i g he f f j c i e n t e n e r g yr e c o v e r ) ，s oi tl a y sa f o u n d a t i o nf o rt h e o p t i m i z a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rh e va n dg i v e ss o m e s u g g e s t i o nf o rt h ee x p e r i m e n t sa n dt e s t s i i i 硕七学位论文 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 ；r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ；b r a k i n gd i s t r i b u t i o n ； m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n i v 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：t 匈n 十日期：刎万年y 月f 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：- 之t 、卡日期：朋罾年箩月jr 日 新獬：什与魄出蛑厂肼日 硕：i ：学位论文 第1 章绪论 自从1 8 8 6 年第一辆汽车诞生以来，人类不断将各种新兴技术应用在汽车上， 使其日益发展，逐步达到了设计更舒适、种类更丰富、行驶里程更长、速度更快 等技术特点。特别在19 4 5 年以后，汽车保有量显著增加，使汽车工业成为了许多 国家的支柱产业，极大地促进了世界经济的发展，也使得汽车成为人们日常生活 中不可或缺的一部分。但是，汽车给人类带来的严重的负面效应也是不可忽视的， 其中包括对石油资源的高度依赖和需求量的日益增加，尾气排放对地球生态系统 的巨大破坏，噪音污染以及废旧汽车处理等。在这种大的背景条件下，研究节能 与环保技术成为了汽车工业发展的两大主题。 为了解决以上问题，突破汽车发展的瓶颈，实现可持续发展，人们陆续研发 了替代能源汽车、纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车等多 种形式的清洁能源汽车，其中，最具有普及性意义和发展潜力的是纯电动汽车和 混合动力汽车。纯电动汽车是取代传统的内燃机汽车、实现零排放的最终选择， 但目前电池的能量密度、充电时间、价格、寿命等问题仍没有得到很好的解决， 限制了纯电动汽车的发展。因此，混合动力汽车( h e v ) 因其成本较低、易于改 进等优点将成为新世纪之初最具有可行性的、满足节能与环保要求的新一代的清 洁汽车。 1 1 本课题研究背景 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是电动汽车的一种。国 际电工委员会( i e c ) 电动汽车技术委员会对混合动力汽车的定义为：有多于一 种能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽车。也有学者作如下的定义，即 车辆驱动系统具有两种或两种以上的驱动能源，其中至少有一种能提供电能作为 行驶动力的汽车。 混合动力电动汽车的基本原理是采用适当的燃料转换装置( 如内燃机) 、储 能装置和电动机作为混合动力源，在一整套严密的控制策略的控制下，使燃料转 换装置、储能装置和电机在驱动工况下尽可能工作在高效率、低排放区域，在汽 车制动工况下，通过发电机或电机工作象限的调整回收部分制动能量，从而大大 改善汽车变工况行驶时的燃油经济性能、尾气排放性能和其它使用性能乜1 。 目前，混合动力驱动系统越来越引起人们的重视，逐渐成为一种发展趋势， 并且它也为将来获得生态系统的平衡提供了希望，因为毕竟燃油少，排放就少， 而且内燃机稳定工况使得对排放气体成分的控制问题易于解决，这正是混合动力 c v t 混合动力汽下再生制动系统的研究与仿真 驱动系统所具有的。 1 1 1 国内外混合动力汽车研究现状 2 0 世纪7 0 年代，国外就丌始进行混合动力汽车的研究与开发，但由于混合动 力汽车结构复杂，技术含量高，实现较为困难，故直到9 0 年代，各国才相继推出 混合动力概念车或样车，并有小批量混合动力轿车产品上市。我国混合动力轿车 的研究开发较晚，2 0 0 1 年将混合动力轿车的研发列为“十五”期间我国8 6 3 计划电 动汽车重大专项的一个子项加以研究。到目前为止，已取得了一些重大成果和进 展。 ( 1 ) 日本 日本混合动力轿车的研究开发早在2 0 世纪9 0 年代初期就已经进行，研发项目 几乎完全由日本汽车公司自行承担，大多为单车项目直接面向市场。现在，作为 全球混合动力汽车技术的领跑者，日本拥有世界上最先进的混合动力研发技术和 几乎全部的混合动力轿车市场分额。以19 9 7 年开始投产的搭载丰田混合动力系统 ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ，简称t h s 和t h s 一1 i ) 的p r u i s 为例，根据2 0 0 0 年巴黎汽车 博览会的统计，同年已达年产3 万辆的规模，2 0 0 0 年11 月累计销售突破5 万辆，2 0 0 2 年4 月突破了9 万辆。另外，本田的转矩复合式混合动力电动汽车i n s i 曲t 在2 0 0 1 年 美国和日本市场取得了4 7 2 6 辆的销售佳绩。表1 1 及表1 2 是日本汽车公司主要的 混合动力汽车产品基本性能参数和元件参数1 。 表1 1 日本汽车公司主要混合动力汽车产品基本性能参数 参数 丰田p r i u s丰田e s t e m a 本田i n s i 曲t 本田c i v i c 整车质量( k g ) 1 2 5 58 5 611 9 0 载客人数 58厶5 燃油经济性( k m l ) 2 9 3 13 63 52 9 5 排放达标加卅f s u l e v j u l e v 加于h u l e v加于f u l e v 6 1 9 c i t y 6 4 6 c i t y 续驶里程( m i l e )6 6 0 c i t y 5 35 h i g h w a y 7 2 0 h i g h w a y 价格( $ ) 2 0 4 8 06 8 7 6 02 0 2 8 0 ( m t )2 0 0 0 0 最高时速( k m h ) 1 6 0 0 9 6 k m h 1 2 71 0 6 加速时间( s ) 风阻系数 o 2 9 o 2 5 大于o 2 5 2 硕：i 二学位论文 表1 2 日本汽车公司主要混合动力汽车产品基本元件参数 车型内燃机 电机 电池 1 5 l 直列4 缸 1 6 气阀 三相交流永磁电机2 8 8 块镍 丰田d o h c ，v v t i 汽油机 最火功率3 3 k w ( 1 0 4 0 5 6 0 0 ) r m i n氢电池 p r i u s最大功率5 3 k w 4 5 0 0 r m i n 最大转矩3 5 0 n m ( 0 4 0 0 ) r m i n2 7 4 v 最大转矩 1 1 5n m 4 2 0 0 r m i n 2 4 l 直列4 缸 前部电机： 丰田d o h c v v t i 汽油机 最大功率1 3 k w ( 11 3 0 3 0 0 0 ) r m i n镍氢电池 e s t e m a 最大功率9 6 k w 5 6 0 0 r m i n 最大转矩ll o n m ( o 1 1 3 0 ) r m i n2 l6 v 最大转矩 后部电机： 1 6 a h 最大功率1 8 k w ( 1 9 1 0 2 5 0 0 ) r m i n 1 9 0 n m 6 0 0 0 r m i n 最大转矩1 0 8 n m ( 0 4 0 0 ) r m i n 1 o l 直列3 缸 本田 1 2 气阀s o h c超薄三相交流永磁电机 1 2 0 块镍 v t e c e 汽油机 最人功率9 5 k w 3 0 0 0 r m i n 氢电池 i n s i g h t 1 4 4 v 最大功率4 9 k w 5 7 0 0 r m i n最大转矩4 9n m 3 0 0 0 r m i n 最大转矩 6 5 a h 8 9n m 4 6 0 0 r m i n 本田 直喷1 3 l 直列4 缸超薄三相交流永磁电机 c i v i c1 6 气阀、双火花塞最大功率10 k w 4 0 0 0 r m i n v t e c e 汽油机 除此之外，还有日产公司搭载带式无级变速机构( 被称为h y p e rc v t ) 的t e n o 混合动力汽车，丰田皇冠轻度混合动力轿车以及众多的商用混合动力汽车，包括 装载串联式混合动力系统的丰田c o a s t e r 微型巴士，三菱的城市送货用c a n t e r 混 合动力厢式车和主干线路、机场用混合动力巴士，装载日产柴油高效电容的低底 盘巴士和中型卡车以及五十铃、三菱、日产柴制造的蓄压式并联混合动力巴士等， 共有二十几种车型。可以看出，在日本混合动力系统发展势头强劲，已经渗透到 了汽车的各个领域和人民生活的方方面面。 ( 2 ) 美国 与日本不同的是，美国的混合动力汽车研发主要采取与政府合作、多方共同 出资、共同享有研究成果的方式。较大的混合动力轿车研发项目有新一代机动车 伙伴关系计划( p n g v 计划) 和自由汽车合作研究计划( f r e e d o m c a r 计划) 。p n g v 计划始于1 9 9 3 年1 2 月，2 0 0 2 年1 月终止，美国各大汽车公司都有各自的混合动力概 念轿车问世，但由于成本问题而都未大批量生产，表1 3 是美国各大汽车公司混合 动力概念车基本性能参数和元件参数。美国自由汽车合作研究计划( 简称 f r e e d o m c a r ) 是响应布什政府2 0 0 1 年5 月签署的国家能源计划而提出的，旨在加 强车用可更新、高效能源( 如氢气) 、车用燃料电池和燃料电池汽车的研究，降 3 c v t 混合动力汽卞再生制动系统的研究与仿真 低汽车能量消耗，从而降低美国对国外石油的依赖程度。参与该计划的有美国联 邦政府相关部门和u s c a r 的主要成员，美国戴姆勒一克莱斯勒、通用、福特汽车 公司3 钔。 表1 3 美国各大汽车公司混合动力概念车基本性能参数和元件参数 参数通， jp r e c e p t通用t r i a x 戴一克e s x 3 福特p r o d i g y 整车质量 l1 7 6 1 2 5 0 1 0 2 l1 0 8 3 ( k g ) 载客人数 5255 燃油经济 2 8 42 4 2 5 62 4 8 性( k m l ) 排放达标 e p a t i e r 2e p a t i e r 2e p a t i e r 2 续驶里程 3 8 01 6 5 4 0 0 大于6 6 0 ( m i l e ) o 9 6 k m h 加速时间 11 51 21 11 2 ( s ) 风阻系数 o 1 6 3o 2 70 。2 2o 1 9 9 1 3 l 3 缸1 2 气阀 3 缸d o h c v v t i 1 4 l 3 缸1 2 气阀d l a t a ( c i d i ) 涡轮增压直喷柴 涡轮增压 涡轮增压直喷1 2 l 4 缸1 6 气阀 油机 柴油机涡轮增压 内燃机柴油机 5 5 k w 5 5 k w 4 4 k w 4 8 k w 4 2 0 0 r m i n 4 5 0 0 r m i n 3 0 0 0 r m i n 3 0 0 0 r m i n 1 7 0 n m 1 6 5 n m 1 5 3n m 2 0 0 0 r m i n2 2 0 0 r m i n 2 2 5 0 r m i n 松下3 相3 5 0 v 交电机发电机直流无刷永磁3 相3 5 0 v 交流感 电动机 流电机2 5 1 6 k w 1 5 k w11 0 1 9 5 v应电机3 5 k w 1 5 k w 镍氢电池3 5 0 v 锂离子电池 镍氢电池3 5 0 v 电池镍氢电池3 5 0 v 1 5 0 v 峰值功率可用容量 可川容量3 k w h 2 2 k w1 1 k w h ( 3 ) 欧洲 欧洲汽车公司长久以来一直致力于发展现代增压直喷柴油机技术，但随着新 的排放法规和节能要求的相继出台，人们逐渐将眼光落在了混合动力汽车上。其 实，早在9 0 年代初期，大众公司就推出了装有柴油发动机的混合动力汽车。1 9 9 7 年，奥迪公司的第一代量产化混合动力车型d u o 也推向了市场，引发了混合动力 汽车研发的新高潮。之后，奔驰公司在法兰克福车展上陆续推出了7 款混合动力汽 车嘲。除此之外，欧洲的其他汽车公司也积极参与到混合动力汽车的研发中，雷 诺公司在1 9 9 8 年公开了并联式混合动力汽车s c e n i ch y m n e ，同年，雪铁龙公司也 4 硕上学位论文 推出了串联型混合动力货车b e r l i n g od y n a v o l t ，2 0 0 0 年又发布了名为x s a r a d y n a l c t i v e 的混合动力轿车，并表明了上市的愿望。 ( 4 ) 我国 我国的混合动力技术起步较晚，但发展迅速。在“十五”国家“8 6 3 ”电动汽 车计划中，选择了新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织 企业、高等院校和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合攻关。以 电动汽车的产业化技术平台为工作重点，以电动汽车关键技术、系统集成技术及 整车技术为突破口，力争建立“三纵三横的研究开发布局，图1 1 为电动汽车 重大专项研究开发布局。 电动汽车重大专项 士 ! 一一一一 一一一一一一一一一寸一一一一一一一一一专一一一一! i i。燃料电池整车项目 混合动力整车项目纯电动汽车项目 i i l 一一1 一一一一一一一一寸一一一一专一一 一 离i i 控制系统ii ”“”。i h 嚣戮一淼 一麒 测试 基地 - 一 h 电机驱动系统 一电机驱动系统一电机驱动系统 驱动开 估系统 r h 鬻辫 一铿戮一鬻嚣 电池评 估系统 _ 一 一 政策，法规，技术标准课题组 图1 1 电动汽车重大专项研究开发布局 在专项的研究开发布局中，混合动力汽车整车项目为专项的其中“_ 纵”， 重点进行混合动力电动汽车技术包括整车开发及其整车匹配标定技术，内燃机、 传动装置及其控制系统技术，以及电池系统、电机驱动系统、再生制动系统和整 车多能源动力总成控制系统等各种电动汽车都具有的共性技术的研究开发，最终 实现混合动力电动汽车产品通过国家汽车产品型式认证，实现批量生产和产业化 的目标哺1 。 1 1 2 混合动力汽车的分类 目前，混合动力汽车最常用的分类方法是按照动力总成系统布置结构的不同， 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 de l e c t r i c c v t 混合动力汽车再生制动系统的研究与仿真 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 de l e c t r i cv e h i c l e p h e v ) 以及混联式混合动力汽车( s e r i e s p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s p h e v ) 1 。他 们的基本构造如图1 2 所示。 按照发动机与电机的功率大小和基本任务的分类方法可以分为：轻度混合型 ( m i l dh y b r i dv e h i c l e m h v ) 、功率混合型( p o w e rh y b r i dv e h i c l e p h v ) 以及能 量混合型( e n e r g yh y b r i dv e h i c l e e h v ) 。这种分类方法不关注于混合动力汽车 内部的连接方式，而从动力源的角度出发，似乎更能够体现混合动力汽车的本质 特征。 其他的分类方式还有很多，例如从是否外接充电来看，分为发动机主导 ( e n g i n ed o m i n a n t ) 混合动力汽车和电池主导( b a t t e r yd o m i n a n t ) 混合动力汽车； 从能量来源不同，可以分为油电混合动力汽车、燃气轮机电机混合动力汽车以 及液压混合动力汽车等哺 7 1 。 c k tt ( 3 ) 混联式 ( 2 ) 并联式 b ：电池( b a i t e 叮) e ：发动秽l ( e n g i n e ) g ：发电机( g e n e r a t o r ) i ：逆变器( i n v e n e r ) m ：电动机( m o t o r ) t ：传动系( 包括离合 器、变速器、驱动桥等) w ：车轮( w h e e l ) 电气连接 = = = = = =机械连接 图1 2 混合动力驱动系统示意图 实际上，根据着重点不同就有了各种各样的混合动力系统，下面将串联、并 联和混联式3 种混合动力模式的基本特点总结在表1 4 ，予以介绍。 目前，最具有代表性最成功的混联式混合动力系统是丰田的t h s i i ( t o y o t a h y b r i ds y s t e m i i ) 和t h s - c ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m c v t ) 。t h s 均采用行星齿 轮机构实现多个部件转速的复合，并且各个部件间的转矩保持一定的比例关系， 虽然结构比较复杂，但可以带来控制上的灵活性，根据实际的路面条件实现较佳 的性能。 本文所研究的混合动力样车按照上面的分类方法属于混联式功率混合型搭载 c v t 的四驱混合动力汽车，与t h s c 有许多相似之处。 6 硕士学位论文 表1 4 串联、并联和混联式混合动力系统的基本特征 串联式并联式混联式 发动机可以工作在最大无需较火改动车辆构造匹配的发动机和电机功 效率点上系统效率高率较小，容易控制在高 尾气排放容易处理，燃 由于结构简单，所以可效稳定区 油经济性高靠性高可以灵活有效的利用能 不能自由选择发电用的如果某一系统出现故 源 内燃机障，另一系统可以继续燃油经济性大大提高 在车上配置自由，b u s 较驱动车辆到达安全地带系统效率高 容易实现低地板作为复杂系统，发展的 空间较大 1 1 3 混合动力系统与c v t 融合的技术优势 由于无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，c v t ) 可以连续改变 速比，使得汽车在任意行驶工况下，都可以按照驾驶员的操作意图实现发动机、 电机与变速器的最佳匹配( 最佳经济性匹配或最佳动力性匹配) ，使发动机的转 速与车速相互独立，在发动机转速一定时，可以通过调节c v t 的速比使车速在一定 范围内变化，使发动机工作在高效区，从而可降低排放，提高燃油经济性、动力 性、操纵性及乘坐舒适性凹1 。同时在混合动力汽车技术中，由于电机的介入，使 c v t 在给予汽车平顺加速感觉的同时其油门反应又毫不迟缓，此外，c v t 技术在 混合动力汽车中的应用将进一步提高整车的自动化水平，更好的进行动力分配和 控制策略的实施，能源利用效率大大提高，从而使整车综合性能达到最佳阳1 。 可以说，无级变速技术与混合动力技术两者间既有其相似之处，又能够产生 互补的作用。其优势是显而易见的： ( 1 ) 优化发动机工作曲线，降低排放，提高整车的燃油经济性、动力性以及 舒适性。 ( 2 ) 通过电动机提供额外的转矩，克服c v t 技术仅适用于小排量汽车的局限 性，将其搭载到中、高排量的汽车上。 ( 3 ) c v t 速比的可连续变化配合适当的混合动力系统结构，能够降低其电机 功率和电池组容量，达到减轻自重和降低成本的目的。 ( 4 ) 两者结合提高了整车的自动化水平，为合理分配动力与改进综合控制策 略提供了广阔的空间。 ( 5 ) 可克服传统搭载c v t 的车辆在急加速工况下动力性不足的缺点n 0 1 。 就节油而言，c v t 和混合动力技术的融合，不仅给我们带来了现实的光明， 而且指引了未来的方向。 7 c v t 混合动力汽乍再生制动系统的研究与仿真 1 2 混合动力汽车再生制动系统的研究意义与现状 作为和纯电动汽车共通的混合动力方式的特点之一，制动能量是能够在一定 程度上进行回收的。有资料表明，在日本、美国和欧洲的任何市区行驶工况下， 以p r i u s 为例来看，制动能量回馈对燃油经济性提高的贡献超过了2 0 ，可以说， 和没有制动能量回收的其他驱动系统车辆相比其优势是异常明显的u 。因此，为 了提高燃油经济性，混合动力的再生制动系统是必要的条件之一。 再生制动系统在保证车辆制动效能的条件下，先将车辆制动或减速时的一部 分机械能( 动能) 转换( 或转移) 为其他形式的能量( 如旋转动能、液压能、化学能 等) ，并储存于储能器中，同时产生一定的负荷阻力使车辆减速制动，当车辆再次 启动或加速时，又将储存在储能器中的能量转换为车辆行驶所需的动能( 驱动力) ， 这样，既实现了车辆所需的减速和制动，又能够将能量回收再利用，提高燃油经 济性和减少污染物排放n2 j 。对于本文所研究的混合动力汽车，能量的回馈和储存 是通过发电机和动力电池组来实现的。 1 2 1 再生制动系统的研究意义 制动作为汽车的三大基本功能( 行驶、转向和制动) 之一，是由制动装置来 完成的，它直接影响汽车的安全性n3 。在混合动力汽车的研究和开发中，再生制 动是一种降低能耗、减小排放、增加续驶里程的重要技术手段，特别是对经常在 城市工况下行驶的车辆更是有重大意义。以一辆自重1 5 0 0 k g 的轿车为例，当它以 7 0 k m h 的速度行驶时开始制动，起始动能可以达到3 0 0 k j ，如果这些能量能够全 部回收并用于整车行驶，可以驱动车辆行驶1 8 k m 口。但是，在传统汽车中，没 有再生制动系统，这些能量大部分以热能的形式消耗掉了，这也是发动机效率基 本处于lo 15 之间的一个原因。 表1 5 为一些城市驱动循环下整车制动能量占整车有效牵引总能量比例的分 析，从中可以得出结论：城市驱动工况下，制动效耗的能量占整车牵引产生的有 效能量的3 0 6 0 n4 j 。如果我们能将全部或大部分能量回收再利用，将大大提 高整车的能量消耗率，降低整车的油耗。 从我国的地形来看，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，特别是在中国西部省份，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，常有数十米或上百米的坡道，在下坡时将车辆 的制动减速能量回收储存起来，需要时再释放出来使用，不但可以节省能源，还 可以减少制动系统的磨损，降低故障率，保护制动器，减少使用成本。在我国的 城市交通中，由于汽车保有量的急剧增加导致道路拥堵等问题严重，频繁的加速 和减速更是需要再生制动系统回收能量。因此，对目前最具有量产化前景的混合 动力汽车再生制动系统的研究具有重大的意义，技术成熟后将产生巨大的经济价 8 硕士学位论文 值和社会效应n 5 1 。 表1 5 不同驱动循环下制动能量所占比例 驱动循环有效牵引总能量( k j )制动消耗的能量( k j )比例( ) 美国u d d s 3 2 0 91 3 8 94 3 3 美国l a 0 2 6 0 0 23 5 6 65 9 4 美国n y c c 6 0 43 6 76 0 8 澳大利亚公交循环 1 6 3 1 75 0 9 93 1 3 伦敦公交循环 2 6 0 517 3 66 6 6 1 2 2 国内外在再生制动领域的研究现状 对于再生制动技术国外已经开展了1o 多年的研究，但对于采用什么样的储能 设备仍没有公认的结论。即使发电机能够产生大量的电能，如果没有能够储存电 能的装置，发电机的发电也是没有意义的。目前，大多采用向蓄电池充电来吸收 回馈能量，但是由于电池不可能一次进行大量电能的充放电，所以为了能够进行 大量的能量回收，就必须增加电池的重量、空间和成本。为了解决这一问题，人 们考虑使用超级电容、飞轮装置或者蓄压装置等，但也没有达到完善的程度。超 级电容是一种介于电池和静电电容器之间的储能元件，具有比静电电容器高得多 的能量密度和比电池高的功率密度，适于用作短时间功率输出源，具有比功率高、 一次储能多、能够平滑充放电电流等优点，但是其价格高( 大约15 0 美元只) 、 比能量较低( 2 3 w h k g 左右) 、额定电压低( 2 5 v ) ，一般多采用串、并联上百 只的方案，导致控制系统可靠性低，成本过高等问题n 6 | 。 与纯电动汽车为了提高续驶里程而重视电池的储能密度不同，混合动力车用 储能装置在储能密度比较小的情况下，要求调整制造成功率密度比较大的储能装 置，因此电池在一定重量下对应的性能、价格和寿命是非常关键的因素，传统的 铅酸电池显然无法满足，由此开发出的体积小、重量轻的镍氢电池，性能优良的 锂电池、锂聚合物电池有望成为新的突破口。 在选定了储能装置以后，如何提高再生制动能量回收效率，保证最大限度的 回收制动时的能量并兼顾车辆的安全性成为需要解决的首要问题，很多公司和科 研机构对此进行了深入的研究。美国t e x a sa & m 大学的y i m i ng a o 等提出了混合动 力汽车基于开关磁阻电机再生制动的神经网络控制系统，并在行驶循环工况下进 行了能量回收效率的分析。并在此基础上，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 9 c v t 混合动力汽车再生制动系统的研究0 仿真 能量的最大化回收。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 曲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。用于混合动力汽车“e s t i m a ”的t h s c 系统采用了电控 柔性制动控制，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7 l 。 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n8 1 。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。日本丰田公司用 于混合动力汽车“p r i u s ”的t h s i i 系统的再生制动模块根据车辆制动过程中的整 车控制策略，通过电液比例阀控制调节液压制动力，实现了再生制动与摩擦制动 的综合控制，提高了整车燃油经济性，其中再生制动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n9 | 。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 a 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，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的三种再生制动目 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，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个 性化打造提供了基础心0 。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。福特福克斯燃料电池汽车( f c v ) 将混合动力技术改善行驶里程和动力特性 的优点与燃料电池汽车的综合效益结合了起来。再生制动系统的作用是在施加制 动时以电能形式回收能量，然后送到蓄电池供以后使用，这是采用燃料电池作为 主能源的基础上用蓄电池回收能量。美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学对大型客 车的再生制动进行了研究，该车满载为3 0 人，满载重量达1 2 4 7 4 k g ，采用飞轮储能。 在设定的城市驾驶循环中进行测试，通过理想的再生制动系统可以使每辆车的燃 油消耗成本降低4 0 以上。 相比国外的制动系统研究，我国关于制动能量回收的研究尚处于起步阶段， 对再生制动的研究多停留在理论分析和实验论证阶段，具有影响力的文献和技术 成果较少。但已引起了各汽车厂商和科研院所的重视，清华大学、重庆大学、长 1 0 硕士学位论文 安集团等都率先开展了研究行动，取得了一定的成果，但还没有成熟。总之，国 内的再生制动系统研究距离实用阶段还有较大的差距，需要进一步深入研究。 1 3 本课题研究的主要内容和创新点 1 3 1 主要研究内容 本文将在参考国内外相关资料的基础上，对混合动力汽车的制动系统进行深 入的理论分析并建立控制模型，利用数学建模和计算机仿真的手段进行再生制动 控制策略的探讨，分析影响整车再生制动性能的因素，为混合动力汽车再生制动 的设计和实现铺平道路。 本文研究的主要内容为： ( 1 ) 运用汽车制动理论对混合动力汽车的制动过程进行动力学分析，比照传 统内燃机汽车制动过程中的制动力分配方法，制定一种适合于本课题研究的混合 动力车型的再生制动系统制动力分配策略。 ( 2 ) 以原型车长丰c f a 6 4 7 0 e 越野车为参考，分析混联式混合动力汽车样车 动力传动系统的匹配，对制动系统结构进行较详尽的剖析。 ( 3 ) 根据本文研究的混合动力汽车，通过整车动力学分析和基本实验数据建 立混合动力汽车再生制动系统的数学模型和数值模型。 ： ( 4 ) 针对混合动力汽车再生制动系统的工作特点，选择再生制动系统的典型 仿真工况进行仿真，并以具有说服力的评价指标进行评价。 ( 5 ) 深入分析仿真结果，验证所用的控制策略是否满足整车能量回收的要求， 找出影响再生制动系统性能的因素。 1 3 2 创新点 本文针对c v t 混合动力汽车的制动过程制定了基于理想制动力曲线的和基 于比例的两种再生制动力与摩擦制动力分配控制策略，并进行了分析和比较。应 用m a t l a b s i m u l i n k 仿真语言建立混合动力汽车再生制动系统仿真平台，该仿真试 验平台功能基本完